目前, 我国各种锯切刀具的最初齿形一般是经过冲压制造而成, 加工质量较差, 齿形表面有毛刺, 易出现裂纹, 特殊齿形(模具)的设计及制造周期长, 不适宜单件、小批生产, 刃磨工作量大。对厚度较大、齿形复杂的锯齿, 加工困难, 生产成本高。

本文研究的系统, 实现了设计、绘图及NC编程(Computer science texts, 1985)一体化, 改进了常规的设计制造工艺, 减轻了工人的劳动强度, 具有较好的实用价值。

1 设计及制造环境 1.1 设计环境

绘图机1台, 打印机1台, 586微机1台, Windows 98操作系统, Auto CAD 2000, 前处理程序, 后处理程序。

1.2 制造环境

线切割机1台。

2 锯齿齿形CAD技术

本文用Auto LISP语言(孙江宏等, 1999)对各种圆锯片、带锯条和手工锯锯齿编制了通用程序, 运行相应程序, 可完成齿形的设计计算及绘图, 并可形成NC程序的相关数据。

2.1 图形数据的生成

本文以交互方式输入锯切刀具及齿形的原始数据, 如刀具类型、齿形参数及结构参数。程序自动计算出每个齿形的坐标数据, 并在屏幕上绘制轮廓图形。或手动设置参考点, 加工结束后钼丝要返回参考点。

设计者可编辑、修改相应数据, 最后将实体数据提取出来, 输入到一个数据文件中, 以备后处理程序调用。

2.2 锯齿齿形的绘制

Auto LISP是LISP语言和CAD(李京江, 2000; 唐荣锡, 1999; 汪诚波, 1999; 吴义忠等, 1997)的有机结合体, 是实现微机自动绘图程序设计的基础。

本系统根据锯切刀具的不同结构类型, 用Auto LISP语言编制相应程序, 根据刀具结构调用Auto CAD绘图指令及数据文件中的数据, 绘制零件图。可在绘图机上输出零件图。

3 锯齿齿形的数控加工 3.1 NC程序的生成

本系统根据设备要求采用相对坐标指令生成NC程序。运行该模块时, 系统判断从数据文件中取出的数据类型(直线圆弧)并形成相应的指令, 一个齿形的NC指令生成后, 做Z(齿数)次循环, 可生成全部齿形的NC程序。由于刀具大小及毛坯尺寸的不确定性, 开始时通过人机对话或手动设置参考点, 加工结束后钼丝要返回参考点。

成的NC指令以数据(^*.NC)的形式存盘, 可在屏幕及打印机上输出并加以检验。

3.2 刀具中心轨迹

本系统在数控线切割机上加工锯齿齿形, 刀具为钼丝。CAD部分形成的数据文件是锯齿齿形的设计数据, 在实际加工时, 为得到正确的锯齿齿形, 钼丝中心相对设计齿形要有一偏移量Δ, Δ值为钼丝半径Rc与单边放电间隙δ之和。数控编程时, 可以视锯齿的设计齿形为钼丝中心轨迹, 加工时利用控制台的“刀偏”功能设置刀具半径补偿量Δ, 按设计齿形生成NC指令。

这样, NC程序可直接利用CAD形成的数据来生成。

3.3 NC程序的传输

目前, 一般的线切割机配置的微机内存很小, 主要用于形成NC指令, 不能进行CAD、CAD CAM等工作。

本文在较高档微机上完成CAD, 进而形成刀具路线和NC指令。在传递NC程序时, 必须将记录NC指令的数据文件名(^*.NC)改变为(^*.ISO), 以便加工系统能够识别这一文件, 从而将NC程序(^*. ISO)传输至机床。

3.4 加工过程的仿真

机床控制系统本身带有模拟显示功能, 即在不启动机床的情况下, 在显示器上模拟切割工件的情况, 便于操作者检验NC程序的正确与否。模拟过程速度很快, 当发现个别错误时, 可在加工系统上修改。错误较多时, 退出加工系统, 修改NC指令的生成模块, 直至正确为止。加工前进行仿真, 可减少废品率, 降低生产成本, 提高综合效率。NC程序经检验后, 即可启动机床进行加工。

4 实验

本系统使用泰州机床厂生产的DK7750-MC4数控电火花线切割机进行加工, 该机床的Rc =0.09 mm, δ=0.01 mm。设计的齿形为折背齿圆锯片, 如图 1所示, 锯片孔径d =25 mm; 锯齿前角γ=20°; 楔角β =45°; 齿槽圆半径R =2.59 mm; 齿高h =10.35 mm; 齿数n =60;锯片厚度为1.6 mm。运行有关模块, 可得数据文件和NC指令。

加工出的锯片如图 2所示, 全部设计过程只需几分钟(包括出图), 切齿时间1.5 h。

5 结论

本系统利用Auto LISP语言将锯齿齿形的CAD技术与NC编程集成, 对设计及制造一体化技术做了有益的偿试。用高级语言实现了自动编程。

由于采用线切割进行加工, 故加工速度慢, 因此该技术特别适合中小尺寸, 单件或小批量(不超过100件)或特殊齿形产品(如变齿距、变齿高)的设计制造。如对某些参数变化时, 分析刀具的噪声、寿命、振动及有限元件分析等影响时, 可用该技术生产不同参数锯齿, 也可用来生产常规刀具的模具。

若用1台线切割机加工100件刀具齿形, 需160 h(20 d), 材料费500元, 工资1000元, 工艺费用5000元, 共6500元。而常规冲压生产时, 仅模具的设计制造周期即为35 d(设计计算、出图、毛坯制取、机加、热处理、磨削等), 而模具1项费用即达4 ×10⁴元。若为单件(或十几件), 其经济效益更为显著。

本系统解决了锯切刀具齿形的CAD、数控编程及制造一体化问题。操作非常灵活, 只须输入某些设计参数, 立即可得设计结果及NC程序, 不需模具, 加工精度高、表面无毛刺及裂纹。系统界面好, 用户可根据特殊需要自编模块介入本系统, 为特殊参数锯切刀具(模具)齿形的单件, 小批生产及科学试验提供了较好的工具。