| 三轴数控铣床螺旋下刀功能的研究 |
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摘 要：以FUNAC 0i系统三轴数控铣床为例，通过分析立铣刀螺旋下刀的相关切削参数编制宏程序作为子程序，用G65命令调用该子程序，使三轴数控铣床具有螺旋下刀的功能。
关键词：数控铣床；螺旋下刀；宏程序
用立铣刀在加工内腔轮廓时，数控铣床加工中常采用的方法有螺旋下刀和斜线下刀。目前，高档数控系统都具有螺旋下刀和斜线下刀的功能，低配置的数控系统没有这些功能。通过分析立铣刀螺旋下刀的相关切削参数，采用编制宏程序的方法，解决了三轴数控铣床螺旋下刀的问题。
1 螺旋下刀的分析
1.1刀具倾斜角度分析。
立铣刀的端刃部分旋转后形成一环状体，螺旋下刀时，刀具走过的路径为螺旋线。将螺旋线展开，可以把刀具看作是沿一斜线下刀，处于前方的刀刃与处于后方的刀刃间存在切深差如图1所示，此切深差随着刀轨与工件上表面的夹角的增大而增大，当此切深差超过立铣刀端刃的容屑区域内侧刃长时，工件上的残留材料就会挤压刀具，影响刀具寿命，严重时会损坏刀具。斜线下刀的刀轨与工件上表面的夹角的极限如图2所示，因而计算公式为：
?兹=arctan（h/d） （1）
1.2螺旋下刀的螺旋升角。采用螺旋下刀时，刀具走过的路径为螺旋线。将螺旋线展开，如图3所示，螺旋升角的正切值 ，其中Δz为螺旋线的螺距，即刀具在XY平面每切一圈，Z方向的进刀距离，C为螺旋线在XY平面上投影圆的周长。由此可见，螺旋下刀时，刀具的运行方向为单向，因此可采用（1）中θ值作为螺旋升角是否合适的判别值，即α值须小于θ值。
1.3螺旋下刀的螺旋半径。
刀具在加工过程，端刃旋转形成一环状区域。螺旋下刀过程中，刀具沿一柱面上的螺旋线走刀，螺旋线在底面上的投影为一圆。当刀具连续运行时，端刃旋转形成的环状区域在底面上的投影情况。
设立铣刀直径D，端刃头部容屑区直径d。当螺旋半径取R=0时，即刀具沿Z轴直线下刀，显然，在刀具端部的容屑区会产生材料残留；当螺旋半径0＜R＜d时，端刃内侧形成的包络线如图4所示，即端刃切削区域仍不能完全覆盖容屑区域，在刀具容屑内仍会有材料残留；当螺旋半径d≤R＜D时，端刃切削区域能完全覆盖容屑区域，不会在容屑区内产生材料残留；当R≥D时，端刃切削区域能够完全覆盖容屑区域，但在螺旋路径中心处会产生材料残留，但此时形成的材料残留在刀具外部，而不在端刃容屑区内。
可见，当R≥d时，在容屑区内不会有残留材料影响刀具的正常切削。同时，考虑到零件尺寸对螺旋半径取值的限制，因而R值不应过大。
2 在FUNAC 0i系统中，用宏程序实现螺旋下刀
2.1螺旋下刀的参数分析。
C=2?仔R （2）
前面分析得知，螺旋下刀时，螺旋升角α的取值可参考式（1）的θ值，因此得：
△Z=C×tan?琢=C×■ （3）
由式（2）、（3）可得
△Z=■ （4）
柱面螺旋线参数方程为：
X=Rcost Y=Rsint Z=■
其中R为螺旋半径，t为周向角度自变量，P为螺旋线的螺距。据上述分析，Z的方程可写成：
Z=■=■=-■=-■
在加工中，随着周向角度自变量t的变化，刀具沿螺旋路线切削，当深度Z到达预设深度时，螺旋下刀停止。螺旋下刀宏程序流程图如图5所示。
2.2加工实验。以图6工件为例，选用?覬12立铣刀加工。h取0.7mm，d取3mm，螺旋半径R取6mm，预设深度L为5mm。刀具加工起点坐标选（X6，Y0），按逆时针方向加工。
宏程序中的参数含义及初值的设定：
宏程序[1-2]如下：
O0002
G54 G0 X6. YO S800 M03；
Z10.；
#1=0.7；
#2=3.；
#3=6.；
#4=0；
#5=-10.；
N1 #6=#3*COS[#4]；
#7=#3*SIN[#4]；
#8=-0.0174*#3*#1*#4/#2；
G1 X[#6 ]Y[#7] Z[#8 ]F300；
#4=#4+0.1；
IF [#8GT#5]GOTO1；
…；进刀至预设深度后，螺旋进刀结束。
小结
实验表明，将宏程序作为一个固定的子程序存储在机床内，用G65来调用该子程序，从而使FANUC 0i系统具有螺旋下刀固定循环功能，解决了用立铣刀无法进行型腔轮廓加工的问题。用不同的刀具加工时，只需改变相应的参数，就可以实现内圆柱面和外圆柱面以及指定深度的加工。方法简单，操作容易。
参考文献
[1]劳动和社会保障部教材办公室组织.数控机床编程与操作[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2005.
[2]韩鸿鸾，李建刚.数控铣床和加工中心编程与操作实例[M].北京：中国电力出版社，2006.
作者简介：赵伦先（1976~），男，助理工程师，学士学位，现主要从事工装设计，工艺编制与模具编程和加工工作。 |
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