侯志利，秦慧斌，武文革

HOU Zhi-li1,2，QIN Hui-bin1，WU Wen-ge1

(1.中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051；2.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控系，太原 030006)

0 引言

超聲變幅桿是超聲加工工藝系統(tǒng)的核心零件，變幅桿將機(jī)械振動(dòng)位移放大、聚能，并且作為機(jī)械阻抗的變換器，使超聲能量由超聲換能器更有效地向負(fù)載傳輸，其性能直接影響著整個(gè)工藝系統(tǒng)性能的優(yōu)劣[1]。

變幅桿的截面半徑按特定的解析型曲線沿軸線方向變化，對(duì)加工制造提出較高的要求，而目前變幅桿的加工存在加工精度與加工效率不高的問(wèn)題。本文以懸鏈線型變幅桿為例，研究了變幅桿回轉(zhuǎn)曲面的數(shù)控編程方法，對(duì)提高加工零件的表面質(zhì)量及推廣應(yīng)用超聲振動(dòng)加工技術(shù)具有一定的意義。

1 變幅桿解析型曲面的數(shù)控編程方法

變幅桿的數(shù)控編程以數(shù)控車削編程為主，分為手工編程和CAD/CAM軟件編程兩種。這兩種編程方法以采用直線擬合逼近曲線的方法為主，手工編程采用粗車循環(huán)指令和宏程序結(jié)合的編程方法，代碼較為簡(jiǎn)單，而CAD/CAM軟件編程通過(guò)軟件后處理自動(dòng)生成程序代碼，代碼相對(duì)冗長(zhǎng)。

圖1 零件的數(shù)控編程一般過(guò)程

零件的數(shù)控編程一般過(guò)程如圖1所示。其中，確定加工工藝方案是數(shù)控編程的前提與基礎(chǔ)，加工工藝方案具有不唯一性，在一定程度上講，加工工藝方案決定了加工走刀路線的繁簡(jiǎn)與零件加工質(zhì)量的優(yōu)劣；手工編程的數(shù)學(xué)處理，即計(jì)算走刀軌跡及公差數(shù)值處理是編寫程序代碼的關(guān)鍵，準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算可以保證零件的加工外形尺寸。

綜合文獻(xiàn)[2-5]及圖1分析，變幅桿解析型回轉(zhuǎn)曲面的手工編程方法可以采用伸縮步長(zhǎng)法擬合非圓曲線計(jì)算控制誤差，并使用粗車循環(huán)指令G73與宏程序相結(jié)合的編程方法，算法簡(jiǎn)單實(shí)用，程序易于修改，可以重復(fù)加工同類不同尺寸的零件，能生成系列化配置的指數(shù)型、懸鏈線型變幅桿的數(shù)控代碼，提高變型變幅桿的數(shù)控編程效率。

此外，也可以利用MasterCAM軟件的車削編程模塊讀取變幅桿解析型回轉(zhuǎn)曲面母線的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)盡可能保持小步距密集化，后處理生成精加工程序段，使用粗車循環(huán)指令G73和精車循環(huán)指令G70編制程序。此種方法，可以省略數(shù)學(xué)處理的手工過(guò)程，簡(jiǎn)化程序，實(shí)現(xiàn)變幅桿曲面的數(shù)控編程與加工。實(shí)踐加工證明，這兩種數(shù)控編程方法均可行準(zhǔn)確。

2 變幅桿的加工工藝分析與解析型曲面的數(shù)控程序編制

2.1 變幅桿的加工工藝分析

圖2 懸鏈線型變幅桿的零件圖

以懸鏈線型變幅桿（如圖2所示）為例，此零件主要有端面、內(nèi)螺紋、退刀槽、外螺紋、解析型母線回轉(zhuǎn)曲面等加工特征，毛坯材料為45鋼，其中解析型母線回轉(zhuǎn)曲面是變幅桿重要的曲面特征，它是變幅桿聲波傳遞、振幅放大的關(guān)鍵。選用FTC-20數(shù)控車床加工，“一夾一頂”裝夾方式（即三爪自定心卡盤裝夾和回轉(zhuǎn)頂尖支頂），以及通用刀具和量具。其加工過(guò)程為：

1）下料：毛坯棒料Φ90 mm×150mm；

2）車右端面、鉆中心孔及M8×1底孔；

3）車左端面至總長(zhǎng)、車退刀槽、車外螺紋M18×1.5；

4）粗、精車懸鏈線型回轉(zhuǎn)曲面；

5）車內(nèi)螺紋M8×1。

懸鏈線型回轉(zhuǎn)曲面精加工走刀軌跡如圖3所示。

圖3 懸鏈線型回轉(zhuǎn)曲面精加工走刀軌跡

2.2 變幅桿解析型曲面的數(shù)控程序編制

以懸鏈線型變幅桿為例，采用宏程序編程方法，可以節(jié)約FUNUC數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存空間，簡(jiǎn)化數(shù)控程序。宏程序分為A類和B類宏程序，由于B類宏程序表達(dá)式為語(yǔ)句式[6]，表達(dá)直觀，故采用B類宏程序與粗車循環(huán)指令G73結(jié)合的編程方法。

首先建立如圖2所示的編程坐標(biāo)系XOZ，編程原點(diǎn)設(shè)在右端面中心軸線上。

懸鏈線型變幅桿曲面的數(shù)學(xué)處理過(guò)程如下：

1）轉(zhuǎn)化曲線方程：懸鏈線型方程為y=7.5(e0.0134x+e-0.0134x)，轉(zhuǎn)化為數(shù)控車削XOZ坐標(biāo)系下的曲線方程，即x=7.5(e0.0134z+e-0.0134z)。

2）寫宏程序語(yǔ)句表達(dá)式：將方程x=7.5(e0.0134z+e-0.0134z)寫為x=7.5×[E X P[0.0134x]+EXP [-0.0134x]]。

3）選定變量并確定變量范圍：z為自變量#1，x為因變量#2，z的變化范圍為-128.5≤z≤0。

懸鏈線型變幅桿曲面的數(shù)控程序編制如下：

3 懸鏈線型變幅桿的加工與驗(yàn)證分析

將上述懸鏈線型變幅桿數(shù)控代碼輸入圖4所示FTC-20數(shù)控車床進(jìn)行數(shù)控加工，其系列配置的三個(gè)懸鏈線型變幅桿零件加工實(shí)例如圖5所示。

為了驗(yàn)證變幅桿橫向截面大小對(duì)縱向振動(dòng)的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的YP-5520-4Z柱型超聲波換能器，將已加工的懸鏈線型變幅桿分別連接在諧振系統(tǒng)中相應(yīng)的位置，經(jīng)諧振特性測(cè)試檢驗(yàn)后，其實(shí)驗(yàn)頻率與設(shè)計(jì)頻率數(shù)據(jù)一致，性能穩(wěn)定可靠。由此證明，變幅桿的數(shù)控編程方法和數(shù)控加工方法可行準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以懸鏈線型變幅桿的解析型回轉(zhuǎn)曲面為例，采用宏程序?qū)ζ浠剞D(zhuǎn)曲面進(jìn)行數(shù)控車削編程，通過(guò)數(shù)控加工后，經(jīng)諧振特性和超聲加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了采用的數(shù)控編程方法對(duì)同類型相似零件的數(shù)控編程及加工有效快捷，提高了超聲變幅桿的數(shù)控編程效率和加工質(zhì)量，有助于推廣超聲變幅桿的加工技術(shù)。

圖4 FTC-20數(shù)控車床

圖5 懸鏈線型變幅桿加工實(shí)例

[1]秦慧斌,呂明,王時(shí)英,李向鵬.三維振動(dòng)里茲法在變幅桿諧振特性分析中的應(yīng)用研究[J].振動(dòng)與沖擊,2012,31(18):163-168.

[2]陽(yáng)夏冰.采用數(shù)控宏程序解決非圓曲線類零件的加工[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,9(34):44-46.

[3]孫祥國(guó).伸縮步長(zhǎng)法擬合非圓曲線節(jié)點(diǎn)計(jì)算及數(shù)控編程[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(7):85-87.

[4]王西建,冀勉.宏程序在非圓曲線輪廓車削加工中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù).2013,7:110-114.

[5]朱虹,王立軍,楊海.基于圓弧擬合的非圓二次曲線加工技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2012,12:227-229.

[6]沈春根,徐曉翔,劉義.數(shù)控車宏程序編程實(shí)例精講[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.