1 引言

1952 年 3 月, 美國麻省理工學(xué)院在美空軍資助下, 研制成功了世界上第一臺三坐標數(shù)控銑床, 從此數(shù)控技術(shù)快速發(fā)展并推廣至全世界[1] 2000-2010 十年的時間里面, 國內(nèi)的大型機床制造廠：如沈陽機床股份有限公司、大連機床廠、上海機床有限公司廠、北京第一機床廠等老牌企業(yè)穩(wěn)步發(fā)展, 而中小規(guī)模的數(shù)控機床廠國內(nèi)已有百來家, 行業(yè)之間的競爭促進了機床工業(yè)的快速發(fā)展[2]

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020 年)》明確規(guī)定了 “逐步提高我國高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造成套裝備的自主開發(fā)能力, 滿足國內(nèi)主要行業(yè)對制造裝備的基本需求”. 專項實施方案提出：形成以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系 ; 培養(yǎng)和建立一支高素質(zhì)的研究開發(fā)隊伍. 作為中國數(shù)控后備人才培養(yǎng)搖籃的高職和高等院校, 肩負著人才再培養(yǎng)這一重任.

教學(xué)中, 數(shù)控機床的應(yīng)用技術(shù)分為三大塊：編程技術(shù)、操作技術(shù)和維護技術(shù). 筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：編程和基本的操作技術(shù)是學(xué)生容易理解和掌握的, 而對刀技術(shù)、刀具形狀的選擇和機械坐標系的重新設(shè)定等直接影響零件加工形狀和精度的問題卻是學(xué)生經(jīng)常忽略的, 筆者把這三個問題, 統(tǒng)一歸結(jié)為數(shù)控機床的實用對刀技術(shù)問題.

數(shù)控車床作為數(shù)控機床中的一類, 主要功能是加工軸類零件和鉆中心孔, 是數(shù)控機床中結(jié)構(gòu)最為簡單, 操作最為方便的, 熟練掌握它的實用對刀技術(shù)能觸類旁通地掌握其他類型的數(shù)控機床的對刀技術(shù), 如數(shù)控銑床, 加工中心等.

本文以大連機床廠的CKA6136數(shù)控車床為例子, 以個人的教學(xué)經(jīng)驗和實踐經(jīng)驗為指導(dǎo), 論述了數(shù)控車床所必須掌握的一些實用對刀技術(shù), 包括：基本對刀, 刀具形狀選擇和機械坐標的重新設(shè)定三個問題.

2 數(shù)控車床的基本對刀技術(shù)

在數(shù)控車床加工中, 將刀具抽象看成一個運動點, 該點的軌跡即是所加工的零件形狀, 因此數(shù)控車床的對刀即是確定旋轉(zhuǎn)刀架上各把車刀的刀尖中心所在的獨立工件坐標系過程, 如圖 1 所示[3]. 圖中,

以x軸作為所加工零件的徑向坐標, 以z軸作為所加工零件的軸向坐標, 下文同.

基本的對刀技術(shù)包括：單把車刀對刀和多把車刀對刀.

2. 1 單把車刀的對刀

以刀片形狀為等邊三角形(刀桿型號：MTJNR2020K16)的外圓車刀為例子分析單把車刀對刀的過程.

在工件坐標系建立之前, 還要考慮到車刀安裝后刀尖中心是否處于軸心位置的, 因此, 單把車刀的對刀包括：刀尖中心的高度調(diào)整和工件坐標系的建立兩個過程.

2. 1. 1 刀尖中心點的高度調(diào)整

若刀尖中心點與工件對稱軸軸線處于同一水平線上, 則能正確加工出零件的形狀, 如圖2-a所示. 若刀尖中心偏離于工件軸線所在水平線, 則會直接影響到所加工零件的形狀尺寸或者對刀具產(chǎn)生不必要的磨削.

具體有以下兩種情況：

(1)刀尖中心偏低：該情況下, 所加工的零件端面會產(chǎn)生一個小凸緣, 其會直接影響所加工零件尺寸, 如圖 2-b 所示.

(2)刀劍中心偏高：該情況下會使得車刀的主切削刃的下部與待加工工件產(chǎn)生碰觸, 損壞車刀, 如圖 2-c所示.

對于上述兩種情況, 實際中生產(chǎn)中的解決辦法如下：

若刀尖中心偏低，僅僅需要采用砂紙或者薄鋼片進行高度的微調(diào)，調(diào)整至圖 2-a 所示；若刀尖中心偏高, 需先測量圖 2-c 所示的高出值 h, △ 并將車刀刀片朝上, 水平置于銑床工作臺上, 用夾具加緊后, 用盤型銑刀銑削已量出的刀桿高出值 h, △ 最后采用砂紙或者薄鋼片進行刀尖高度的微調(diào), 直至調(diào)整至圖 2-a 所示.

2. 1. 2 工件坐標系的確立

工件坐標系的建立有兩種方法：一為使用對刀儀的方法, 二為試切對刀法. 實踐中試切法具有簡單, 經(jīng)濟的特點, 本文即介紹試切法建立單把車刀的工件坐標系的過程, 具體步驟如下：

(1)MDI(Manual Data Input)模式, 在面板中輸入 M03 S650, 即設(shè)置主軸以 650r/min 的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn) ;

(2)切換至手搖脈沖模式(Handle), 選擇*100 的倍率, 即脈沖當量為 0. 1mm/脈沖, 接近試切毛坯件, 如圖 3-a 所示 ;

(3)手搖模式, 鎖定 z 軸, 選擇*1 的倍率, 勻速且快速地沿逆時針轉(zhuǎn)動脈沖轉(zhuǎn)盤, 控制車刀沿著試切毛坯件軸向切削一薄層, 如圖3-b所示. 注：軸向切削的長度 L 以量具能夠正確測量為參考值，實踐中以 L=5~10mm 長度為宜。切削層不可太厚，否則超過刀具的切削量，亦不可太薄，否則毛坯氧化層無法完全去除，造成步驟（6）中由于工件的不對稱性而產(chǎn)生較大的測量尺寸誤差，實踐中一般以單邊切削層厚度=0.8~1.2mm 為宜。

(4)選擇*100 的倍率, 順時針轉(zhuǎn)動脈沖轉(zhuǎn)盤, 快速地沿著軸向(徑向方向絕對不能改變)退出車刀, 按控制面板上的 RESET 按鍵, 停止主軸的轉(zhuǎn)動, 如圖 3-c 所示.

(5)控制面板切換至 OFFSET 界面, 按軟件選擇坐標系選項. 在 G54 坐標系中, 將光標移至 X 坐標位置, 輸入 X0, 按軟件測量, 系統(tǒng)自動將車刀當前所在的徑向位置, 即機械坐標OXZ中的X數(shù)值讀入, 作為該把車刀的工件坐標系x=0的位置 ; Z軸的操作亦相同. 至此預(yù)先建立一個如圖 3-c 所示的工件坐標系 ox1z1.

(6)用螺旋測微器量出圖 3-b 中試切毛坯件的直徑 Φd, 將步驟(5)中的 X 坐標值減去 Φd, 作為該把車刀

G54 工件坐標系的 x=0的位置, 即可建立出圖 3-c中所示的工件坐標系 ox2z2.

注：數(shù)控系統(tǒng)中的徑向尺寸, 不論是機械坐標系, 還是工件坐標系, 均以雙邊尺寸, 即直徑作為操作數(shù)

值, 即所量出的 Φd 無須除 2. (7)將車刀的刀尖中心, 置于工件右端面內(nèi)軸向距離1~2mm處, 重新切換至OFFSET界面, 將該把車刀的 G54 坐標系 z=0 設(shè)置于該位置. 至此建立出圖 3-d 所示的工件坐標系 oxz.

注：將 z 軸置于工件右端面內(nèi) 1~2mm, 并用手動或者程序的方法去除 z>0 的氧化層部分, 可以使得零件不受到氧化層的影響, 保證端面的粗糙度.

單把車刀的工件坐標系按照以上步驟(1)-(7)建立后, 在單把車刀的加工中, 無需再采用試切法確定x=0. 但是由于每次毛坯件的裝夾長度不同, z=0 需重新設(shè)定, 設(shè)定方法如步驟(7). 實踐中, 筆者在每條加工程序中加入 G94的軸向切削循環(huán)命令, 即可令機床自動去除右端面的氧化層, 而無需再手動切除 z>0部分.

2. 2 多把車刀的對刀

數(shù)控車床加工中需要用到多把車刀, 以 CKA6136 為例, 四工位旋轉(zhuǎn)刀架上可裝夾四把車刀, 多把車刀的對刀即是建立獨立工件坐標系之間互相聯(lián)系的過程：

具體有兩種方法：

a. 采用 1. 1 的單把車刀的對刀方法, 分別確定四把車刀所在的工件坐標系, 設(shè)定為 G54、G55、G56、G57, 并在數(shù)控程序中不同車刀的工藝段選擇相應(yīng)的坐標系. 但該種方法對刀繁瑣, 特別對于新裝夾的工件, 每次都需要重新校核四把車刀的 z=0 位置, 嚴重影響批量生產(chǎn)的生產(chǎn)效率, 為此在實際生產(chǎn)中一般不采用該方法.

b. 采用刀具偏移量補正的方法：該方法以刀架上的某一把車刀為基準刀, 其余刀具與第一把刀具所在的坐標系相同(均可設(shè)為G54), 而通過設(shè)置x與z偏移量 x △ 和 z △ 的方法確定獨立坐標之間的關(guān)系, 如圖4所示.

對于新裝夾的工件, 采用該法后, 只需重新校核基準刀具的 z=0 位置, 而由于非基準刀具與基準刀具的 x 與 z 方向的偏移量為定值, 則無需再校驗非基準刀具的 z=0 和 x=0 的位置, 提高的批量生產(chǎn)的生產(chǎn)效率, 在實際生產(chǎn)中均采用此法進行多把車刀的對刀. 現(xiàn)以 2. 1 中的外圓車刀為基準刀, 建立多把車刀的工件坐標系, 具體做法如下：

(1)對基準刀, 步驟如 2. 1 ;

(2)MDI 模式輸入換刀指令 T0200, T指令中的前兩位表示刀號, 后兩位表示刀偏(00 為默認刀偏, 01 為一號刀偏等), 由于系統(tǒng)刀偏尚未設(shè)定, 此時二號車刀默認為無刀偏. 然后分別進行 x 方向和 z 方向刀偏量補正：

x 方向刀偏量補正：按 2. 1 中單把車刀對刀步驟(1)~(5)試切一軸向尺寸, 并量出該數(shù)值, 記住該數(shù)值, 設(shè)其為 2 x′ , 讀出控制面板中的工件坐標系的徑向數(shù)值, 設(shè)其為 2 x , 則非基準刀具所在的工件坐標系需往 x正方向偏移 2 X ? = 2 x - 2 x′方能與基準刀具所在的 G54 坐標系在徑向尺寸上完全相同, 若該數(shù)值小于零, 則偏移量取負號. 控制面板切換至OFFSET界面, 按軟件至刀具尺寸偏移界面, 在02號刀具X偏移量中輸入2 X ? = 2 x - 2 x′的代數(shù)值. z 方向刀偏量補正：用基準刀具 1, 手動切削試切工件 z>0 的端面部分. T指令切換至非基準刀 2, 采用手搖的模式, 緩慢接近工件右端面. 接近工件右端面后, 選擇*1 的脈沖倍率, 微微碰觸工件已加工的右端面, 記下此時的控制面板 2 z 數(shù)值, 而此時的非基準刀具的軸向尺寸 k z′ =0, 則非基準刀具所在的工件坐標系需往z正方向偏移 2 Z ? = 2 z - 2 z′ = 2 z 方能與基準刀具所在的G54坐標系在軸向尺寸上完全相同, 若該數(shù)值小于零, 則偏移量取負號. 控制面板切換至 OFFSET 界面, 按軟件至刀具尺寸偏移界面, 在 02 號刀具 Z 偏移量中輸入 2 Z ? = 2 z - 2 z′ = 2 z 的代數(shù)值.

(3)第 k 把車刀的徑向尺寸和軸向尺寸偏移量的補正方法與步驟 a, b 相同, 偏移量的尺寸關(guān)系如圖 4 所示.

3 數(shù)控車床刀具形狀的選擇

基準車刀的工件坐標和多把車刀的刀偏量設(shè)定后, 基本對刀過程就完成, 該過程的測量步驟越準確, 所加工的零件尺寸就越精確.

但由于實際刀片形狀和刀桿安裝角度的影響, 導(dǎo)致即使建立一個完整而準確的坐標系, 某些零件形狀也是無法實現(xiàn)的.

對于 CKA6136 型號數(shù)控車床, 以 2. 1中的等邊三角形形狀的外圓車刀為例, 分斜線與弧線兩種情況論述刀具形狀與零件形狀的關(guān)系, 如圖 5 所示.

(1)斜線的影響, 若零件縱向截面的為倒梯形, 如圖 5-a 所示, 則梯形母線與垂線的夾角 β 必須大于刀片夾角, 否則車刀的副切削刃的高于軌跡 AB, 軌跡 AB 無法加工.

(2)弧線的影響, 對于圖 5-b 所示的外凸圓弧, 假設(shè)刀具夾角為 γ, 所加工圓弧的半徑為 r, 則刀具加工的極限位置為d=rcosγ, -(r+d)<z<0 區(qū)域為弧線可加工生成的區(qū)域. 對于5-c所示的內(nèi)凹圓弧, 刀具加工的理論其極限位置為 P=r(1- cosγ), 但是由于副切削刃長度的影響, 如圖 5-d 所示, 假設(shè)刀桿的寬度 b, 為實際刀具加工的極限位置為 Q=b+d=b+(b-P)=2b-P=2b-r(1-cosγ), -(2r-Q)<z<-Q區(qū)域為弧線可加工生成的區(qū)域.

4 數(shù)控車床機械坐標的設(shè)定

數(shù)控車床的機械坐標系是為了確定工件坐標系而設(shè)定的, 初始位置由廠家預(yù)設(shè), 一般處于坐標平面內(nèi)遠離卡盤的邊角位置, 通過存儲電池提供掉電記憶保護.

當存儲蓄電池電壓低的時候, 機床會自動報警, 所有的操作均無法進行, 而重新更換存儲蓄電池會改變廠家預(yù)設(shè)的機械坐標系位置, 因此機械坐標系的重新設(shè)定應(yīng)該屬于對刀的過程, 是操作人員必須掌握的.

CKA6136 數(shù)控車床使用單組串聯(lián) 6V 存儲蓄電池, 對于長期不使用的數(shù)控車床, 系統(tǒng)內(nèi)的存儲器備份電池會因為內(nèi)部的氧化還原反映導(dǎo)致電能的消失, 包括數(shù)控車床在內(nèi)的需要使用存儲器備份電池的機床, 均需要定期開機, 以每周 1~2 個小時為宜.

存儲器備份電池更換后, 機械坐標的原點需要重新設(shè)立, 否則機床出現(xiàn)需要重新設(shè)置機械坐標系的報警提示, 經(jīng)查找機床說明書[4]

和實踐操作的檢驗, 正確的操作過程描述如下：

(1)控制面板程序保護開關(guān)的旋鈕旋轉(zhuǎn)至位置 1 ;

(2)System-第 3292 參數(shù)第八位設(shè)置為 0, (該位為系統(tǒng)參數(shù)可寫的保護位) ;

(3)Offset-參數(shù)-可寫選項設(shè)置為 1, (0為 Offset 參數(shù)不可寫, 1為可寫) ;

(4)Offset-參數(shù)-八位參數(shù) 1815-第五位, 設(shè)置為 0(該位為 0 表示將之前的機械坐標系信息清零), 關(guān)機重啟 ;

(5)將數(shù)控機床的刀具移至所需要的機械坐標原點 ;

(6)Offset-參數(shù)-八位參數(shù) 1815-第五位, 設(shè)置為 1(該位為 1 表示系統(tǒng)開始設(shè)置機械坐標系), 關(guān)機重啟 ;

(7)Offset-參數(shù)-八位參數(shù) 1815-第四位, 設(shè)置為 1(該位為 1 表示機械坐標設(shè)置為刀具當前位置) ;

(8)Offset-參數(shù)-可寫選項設(shè)置為 0, 參數(shù)不可改寫;

(9)System-第 3292 參數(shù)第八位設(shè)置為 1(保護所有系統(tǒng)參數(shù));

(10)控制面板程序保護開關(guān)的旋鈕旋轉(zhuǎn)至位置 0.

5 結(jié)論

綜上, 本文論述的實用數(shù)控車床實用對刀技術(shù)能有效地提高零件的加工精度, 方便操作人員合理地選擇刀具, 對實際生產(chǎn)具有重義. 全文的知識框架如圖6所示：

數(shù)控機床是典型的機電一體化的產(chǎn)品, 對于從事操作工作、教學(xué)工作和設(shè)計工作的人員都必須詳細了解其功能、原理和各種特性, 才能更好地利用數(shù)控機床這一已經(jīng)普及的產(chǎn)品為生產(chǎn)加工服務(wù).

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