高速高精度扩孔的NC刀具轨迹设计
1 前言箱体是一种常见的加工对象，它的结构形状比较复杂，在箱体上有各种轴承支撑孔和紧固孔，而这些孔的精度与粗糙度又要求较高，所以，通常都是用数控机床来加工。如何设计孔加工的nc刀具轨迹，既可以保证加工的精度又能提高加工效率，是实际工作中经常要碰到的问题。 此处谈到的扩孔是指所有大径孔的加工，分为有无预制孔、是否为通孔等多种情况，其数控机床刀具的加工轨迹设计十分复杂。笔者对刀具参数、孔的形状进行了研究，提出了一种高速、高精度扩孔的nc刀具轨迹设计方法。
图1 刀具加工轨迹
（a）
（b）
图2
2 螺旋扩孔加工用铣削等方法扩孔加工可以分为三个阶段：导入、加工和退刀。 目前扩孔常用的方法是一层一层加工，即刀具先向下切削导入到一定的深度，再向外扩孔，达到需要的孔径后，刀具退出，一层加工完毕。然后再重复上述动作加工第二层，直到孔加工完成，这实际上是2.5轴加工。这种加工不但费时，精度也难以保证。另外一种方法是从内向外加工，即从zui上面开始，螺旋向下加工完中间的小孔，然后退回上面起始点再向外扩孔，直到孔加工完成。这种螺旋扩孔加工是一种三轴联动的铣孔，它具有加工质量好、加工效率高等优点，但刀具轨迹设计比较困难。现介绍如下：①由刀具半径r和用户设定的加工重叠率k=（r-r1）/r，确定*次加工的刀具中心运动半径r1=（1-k）r（加工重叠率k决定加工重叠区域，见图1）；②刀具由圆心沿半径r1/2的小半圆螺旋线导入，深度为p/4。其中螺距p=h/（n+0.25），h为孔的深度，n为螺旋圈数；③刀具以半径r1、螺距p进行螺旋扩孔加工n圈；④刀具绕半径r1圆周走一圈，将底部加工干净；⑤刀具沿半径r1/2的小半圆弧退出加工面，回到圆心；⑥刀具沿轴心线由孔底部回到孔的上部，见图2a。 当{孔的半径>[刀具半径×（2-k）]}时，还需进行第二次扩孔，方法与前面一样，只是第二次加工的刀具运动半径为r2= r1* 2r（1-k）。 同理，当{孔的半径>n[刀具半径×（2-k）]}时，需要进行n+1次扩孔，方法与前面一样，第n次加工的刀具运动半径为rn=rn-1+2r（1-k），式中n为正整数见图2b。 下面为刀具轨迹相关部分的g 代码： 0100（nt # 50 2 mcv410） g91 g17 g00 g92 x0.0 y0.0 z100.0 x-72.792 y-13.986 z-95.0 g01 z-15.0 f72 s6543 g03 x4.95 y4.9 i-4.95 j-4.95 x-4.95 y-4.95 r3.5 g00 z15.0 在有预制孔的时候，以预制孔的半径代替r1即可。
图3 螺旋扩孔加工实例
3 通孔加工的退刀问题上节介绍的为盲孔加工，刀具在底部要沿圆周走一圈，以保证加工精度。如果是通孔时，可以根据加工参数来判断是否要走这一圈。加工通孔时要设定刀具的切出长度，当切出长度小于螺旋加工的螺距时，一定要走一圈，否则会产生孔壁的漏切：当刀具的切出长度大于螺距时，zui后一圈可以省略不走，直接沿小半圆弧退出即可。这样可以在不降低加工精度的情况下，节省加工时间，提高加工效率。 4 结束语该刀具轨迹设计方法已成功地用于生产加工，精度及效率均有明显提高。如传统的一层一层扩孔，用r=30mm的刀具，加工一直径为ø150mm、深200mm 的孔时，需用19.5min，改用本文的方法仅用时10.2min。图3为采用螺旋扩孔加工的示例，经过三次扩孔，其中r1=15mm、r2=36mm、r3=60mm。 同时，传统的一层一层加工，刀具要常常退出和导入，产生停顿，影响孔面加工质量。而采用螺旋扩孔加工时，zui外一层是一次加工完成，没有停顿，可以提高加工表面质量。稍加改动本方法还可以用于型腔加工。 通过与企业的多年合作，发现像这类生产中亟需解决的技术问题还很多，它在一定程度上制约了我国机械加工水平的提高。今后我们还将继续从事与生产实践密切相关的技术研究，希望能为国家机械工业的发展出一份力。
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图1 刀具加工轨迹
（a）
（b）
图2
2 螺旋扩孔加工用铣削等方法扩孔加工可以分为三个阶段：导入、加工和退刀。 目前扩孔常用的方法是一层一层加工，即刀具先向下切削导入到一定的深度，再向外扩孔，达到需要的孔径后，刀具退出，一层加工完毕。然后再重复上述动作加工第二层，直到孔加工完成，这实际上是2.5轴加工。这种加工不但费时，精度也难以保证。另外一种方法是从内向外加工，即从zui上面开始，螺旋向下加工完中间的小孔，然后退回上面起始点再向外扩孔，直到孔加工完成。这种螺旋扩孔加工是一种三轴联动的铣孔，它具有加工质量好、加工效率高等优点，但刀具轨迹设计比较困难。现介绍如下：①由刀具半径r和用户设定的加工重叠率k=（r-r1）/r，确定*次加工的刀具中心运动半径r1=（1-k）r（加工重叠率k决定加工重叠区域，见图1）；②刀具由圆心沿半径r1/2的小半圆螺旋线导入，深度为p/4。其中螺距p=h/（n+0.25），h为孔的深度，n为螺旋圈数；③刀具以半径r1、螺距p进行螺旋扩孔加工n圈；④刀具绕半径r1圆周走一圈，将底部加工干净；⑤刀具沿半径r1/2的小半圆弧退出加工面，回到圆心；⑥刀具沿轴心线由孔底部回到孔的上部，见图2a。 当{孔的半径>[刀具半径×（2-k）]}时，还需进行第二次扩孔，方法与前面一样，只是第二次加工的刀具运动半径为r2= r1* 2r（1-k）。 同理，当{孔的半径>n[刀具半径×（2-k）]}时，需要进行n+1次扩孔，方法与前面一样，第n次加工的刀具运动半径为rn=rn-1+2r（1-k），式中n为正整数见图2b。 下面为刀具轨迹相关部分的g 代码： 0100（nt # 50 2 mcv410） g91 g17 g00 g92 x0.0 y0.0 z100.0 x-72.792 y-13.986 z-95.0 g01 z-15.0 f72 s6543 g03 x4.95 y4.9 i-4.95 j-4.95 x-4.95 y-4.95 r3.5 g00 z15.0 在有预制孔的时候，以预制孔的半径代替r1即可。
图3 螺旋扩孔加工实例
3 通孔加工的退刀问题上节介绍的为盲孔加工，刀具在底部要沿圆周走一圈，以保证加工精度。如果是通孔时，可以根据加工参数来判断是否要走这一圈。加工通孔时要设定刀具的切出长度，当切出长度小于螺旋加工的螺距时，一定要走一圈，否则会产生孔壁的漏切：当刀具的切出长度大于螺距时，zui后一圈可以省略不走，直接沿小半圆弧退出即可。这样可以在不降低加工精度的情况下，节省加工时间，提高加工效率。 4 结束语该刀具轨迹设计方法已成功地用于生产加工，精度及效率均有明显提高。如传统的一层一层扩孔，用r=30mm的刀具，加工一直径为ø150mm、深200mm 的孔时，需用19.5min，改用本文的方法仅用时10.2min。图3为采用螺旋扩孔加工的示例，经过三次扩孔，其中r1=15mm、r2=36mm、r3=60mm。 同时，传统的一层一层加工，刀具要常常退出和导入，产生停顿，影响孔面加工质量。而采用螺旋扩孔加工时，zui外一层是一次加工完成，没有停顿，可以提高加工表面质量。稍加改动本方法还可以用于型腔加工。 通过与企业的多年合作，发现像这类生产中亟需解决的技术问题还很多，它在一定程度上制约了我国机械加工水平的提高。今后我们还将继续从事与生产实践密切相关的技术研究，希望能为国家机械工业的发展出一份力。
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