宏程序在異形螺紋車削（xuē）中的應用
2020-4-9 來源： 中車株洲電力機車有限（xiàn）公司 作者：劉 輝，熊文華
摘（zhāi）要: 隨著科學技術和社會（huì）生產的不斷發展，對一些機械（xiè）產品的質量和生（shēng）產效率（lǜ）提出了更高的要求，異形（xíng）螺紋的車（chē）削（xuē）就是（shì）其中典型的代表。一般的螺（luó）紋切削指令 G32 和螺紋切削循環 G92、G76 等（děng）加工指令適用於常用的螺（luó）紋加工，而不能滿足異形（xíng）螺紋的車削。采用宏程序功能與螺紋加工指令相結合，實現了對異形螺紋的車削加工，並重點介紹了有關異形圓柱螺紋的加工方法及宏程序在異形螺紋車（chē）削中的應用。
關鍵詞: 數控編程; 宏程序; 刀具（jù）; 異形螺紋
1 、概述
螺紋在各種機（jī）器中應用非常廣泛，常用的螺紋按（àn）其牙型不同可分（fèn）為三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋（wén）、矩形螺紋等，如果螺紋的牙型（xíng）是圓弧、橢圓曲麵、拋物線或雙曲線等規則曲線，由這些曲線組合而成的不規則形狀的螺紋，本文稱異形螺紋。這類型的螺紋加工時，應用傳統的螺紋指（zhǐ）令編程是不能完成的，如果用 CAM 軟件編程也不能實（shí）現（xiàn）異形螺紋的車削加工。由於異形螺（luó）紋牙形形狀不定，無標準刀具，隻能借助一般刀具來加工，這就給編程帶來不便，利用宏程序功能，建（jiàn）立合理的數學模（mó）型就能很好（hǎo）解決這一難題（tí）。本文重點簡述螺紋牙型為橢圓曲麵的異（yì）形螺紋車削方法和加工刀具（jù）的設計及加工程序的編製，零（líng）件圖（tú）如圖 1 所（suǒ）示。
圖（tú） 1 異形（xíng）螺紋零件（jiàn）
2 、對異形螺紋的分析（xī）
在型號為 CK6140 數控車床上加工此類異形螺紋件，由於螺紋的牙槽是一個橢圓形，同時經過分析，橢圓（yuán）的長半軸尺寸為（wéi） 4． 5 mm，短半軸尺寸為 3． 5 mm，牙（yá）底（dǐ）直徑 47 mm，螺紋外徑為 50 mm，螺（luó）距為 10 mm 等形狀特（tè）點，技術要求、數量多少和裝夾方法，對該異形螺紋進行車削工藝（yì）分析，加工中存在的難點，表現以下幾個方麵。
1) 該零件由外圓柱、普通螺（luó）紋（wén）、橢圓牙（yá）形螺紋和退（tuì）刀槽組成。圖（tú）樣中的圓柱尺寸和粗（cū）糙度要（yào）求很高，同時，在異形螺紋外徑（jìng）與外圓基準 A 處（chù）有同軸度要求。
分析以上因素，決定（dìng）擬定一條合理的（de）工藝加（jiā）工路線，減少裝（zhuāng）夾次數（shù），采用三爪自定心卡盤夾持工件和鑽中心孔，用（yòng）後頂尖（jiān）頂住工件（jiàn）成一夾一（yī）頂裝夾。把加工順序及走刀（dāo）路線集中分配，不僅利 於 車削（xuē）加工、還保證了尺寸精度（dù）等技術要 的目的（de）。
2) 該異形螺（luó）紋牙槽是一個橢圓形（xíng），對刀具的選擇（zé）不能忽視（shì），任何（hé）一（yī）把刀具刀尖部分都是圓（yuán）弧的，根據理論刀尖點 A 來編程，如圖 2 所示，那麽車削時，實際起作用的（de）切削刃是圓弧各切點，這樣就會產生加工表麵（miàn）的形狀誤差（chà），它對（duì）圓柱麵和端麵加工沒有（yǒu）影響，但在車削錐麵、圓弧麵（miàn）、橢圓等曲麵時（shí），會造成過切現象，會造成異形螺紋的牙槽底（dǐ）部大於（yú）圖紙要求。
圖 2 刀尖圓弧和刀尖理論（lùn）點
分析（xī）異形螺紋加工刀具，決定將異形螺紋車刀刀頭形狀設計成圓頭形，優點是: 一是具有較好（hǎo）的強度和耐磨（mó）性; 二是能更好的起到（dào）異形（xíng）曲麵的光滑過渡，有效提高螺紋表麵粗糙度。刀頭圓弧太小（xiǎo）的確定，要考慮異形螺紋麵最小曲率半徑，螺紋車（chē）刀刀頭圓弧半徑因小於所（suǒ）加工螺紋麵最小曲率半徑。在（zài）刀具角度的選擇及安裝時，都應（yīng）合理，反之，則會直接影響螺紋的加工精度。
3) 由於異形螺（luó）紋麵為橢圓（yuán）麵，一般的（de）螺紋切削指（zhǐ）令不能滿足異形螺紋的車削，所以編製異形螺紋加工程序是關鍵。分（fèn）析考（kǎo）慮（lǜ），隻能（néng）借助於宏（hóng）程序功能（néng），設橢（tuǒ）圓曲線、所包（bāo）絡的角度為（wéi）變（biàn）量，X，Z 值為自（zì）變量，用直線段逼（bī）近（jìn）輪廓曲線的方（fāng）法完成螺紋麵加工，再與 G32 指令巧妙結合，最終（zhōng）完成異（yì）形螺紋的順利加（jiā）工。
3 、用戶宏程序與一般螺紋加工指令（lìng）的優勢
用（yòng）戶宏程序其（qí）實質與子程（chéng）序相似，它是把一組實現某種功能的指令，以子程序的形式事先存儲在係統存儲器中，並（bìng）通過主程序中的宏（hóng）程序調用並（bìng）執行這組程序。
宏程序（xù）與普通程序相比較，一般程序的程序字為（wéi）常量，一個程序隻能（néng）描述一個（gè）幾何形狀，所（suǒ）以缺乏靈活（huó）性。而（ér）用戶（hù）宏程序主體中可以使用變量進行（háng）編程，還可以用宏指令對這些變量進行賦值和變量（liàng）之間的運算（suàn）等處理，從而可以（yǐ）使用宏程序執行一些有規律變化的動作。
以 FANUC 0i MATE － TD 係統（tǒng）數控（kòng）車床為例，用來加工螺紋的（de）基本指令有 G32( 單行程（chéng）螺紋切削（xuē）指令) 、G92( 螺紋切削循環指令（lìng）) 、G76( 螺紋（wén）切削複合（hé）循環指令（lìng）) 三種（zhǒng）。G92 為直進式進刀如（rú）圖 3( a) 所示（shì），而 G76 為斜插式進刀如圖 3( b) 所示。其（qí）進刀（dāo）方式（shì）不（bú）一樣（yàng），加工的效果也不（bú）一樣，人們在加工螺矩較小的螺紋時往往用 G92 指令進行編程，較大螺矩的螺紋時用G76 指令編程。然而在沒有異形（xíng）曲麵成型刀的情況下，使用上述哪種（zhǒng）螺紋加工指令都無法滿足如圖 1 所示的異形螺紋車削。
通常我們（men）可（kě）以使用（yòng）螺紋固定循環指令進行（háng）普通螺紋程序（xù）的編製，對於橢圓麵（miàn）部分，可以使用逐點計算法計算出其曲麵上的點，然後再（zài）進行程序編（biān）輯，但其計算量和程序（xù）的編輯都非常費時、費力，且編程存在較大（dà）的精度（dù）誤差。若將（jiāng）用戶宏程序功能和 G32 指令結合（hé）使用，就能實現如圖 3( c) 所示，沿異形（xíng）曲麵斜插式進刀。不僅可以完成對異形螺紋加工，而（ér）且計算量較小，程序編輯相（xiàng）對簡單（dān）。
圖 3 螺紋切削（xuē）進刀方式
4、 異形螺紋零件圖分（fèn）析及加工路線的確定
4． 1 異形螺紋零件分析
如圖 1 所示，該零件（jiàn）表麵由外圓柱、普通螺紋、橢圓牙形螺紋和退刀槽組成。其中圓柱尺寸和粗糙度要求較高，另外異形螺紋（wén）麵與基準 A 有同軸（zhóu）度要（yào）求。其餘長度方向和退刀槽並沒有較嚴（yán）格的尺寸精度和表麵粗糙度要求，尺寸標注完整，輪廓描（miáo）述（shù）清楚，零件（jiàn）材料為 45#鋼，無熱處理和硬（yìng）度要求（qiú）。
4． 2 加工路線的確定
1) 采用三爪自定心卡盤夾持工件的左（zuǒ）端，工件伸出長度60 mm 左右，校正夾緊。
2) 車端麵，車一小段外（wài）圓長 20 mm 左右( 車圓即可) ，鑽中心孔。
3) 調頭夾已車（chē）外圓，校正夾（jiá）緊。車端麵，保證總（zǒng）長 135 ±0． 1 mm，鑽中心孔，用後頂尖頂住工件成一夾一頂（dǐng）裝夾。
4) 調用外圓車刀，采用 G71 循環指令粗車 30 0 ～ 0. 022 mm，M42 × 2 － 6 g 螺紋外徑，異形螺紋（wén）外徑 50 0 ～ 0. 025 mm，留1 mm精車（chē）餘量並倒角。
5) 調頭夾 31 mm 外圓，用（yòng）後頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾。調用外圓車刀，采用 G71 循環（huán）指令粗車 20 0 ～ 0. 017 mm，30 0 ～ 0. 022 mm，留 1 mm 精車餘量並倒（dǎo）角。
6) 調頭夾 21 mm 外圓，用後頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾如 圖（tú） 4 所 示（shì）。調 用（yòng） 外 圓（yuán） 車 刀，用 G70 指 令 精 車 30 0 ～0. 022 mm，M42 × 2 － 6 g 螺紋外徑，異形螺紋外徑 50 0 ～0. 025 mm 至尺寸。
7) 調用切（qiē）槽刀，粗、精車 5 mm × 2 mm 螺紋退刀槽至尺寸。
8) 調用三角螺紋車刀，用 G92 螺（luó）紋（wén）循（xún）環（huán）指令粗、精車 M42× 2 － 6 g 螺（luó）紋至尺寸。
9) 調用異形（xíng）螺紋車刀，用宏程序粗、精車異形螺紋至尺寸。
10) 調頭包銅皮夾 30 0 ～ 0． 022 mm 外圓，用後頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾（jiá），校正夾緊。調用外圓車刀，用 G70 指令精車 20 0 ～ 0. 017 mm，30 0 ～ 0. 022 mm 外（wài）圓（yuán）至尺寸。
11) 檢驗。
圖 4 工件裝夾示意圖
5 、異形螺紋車刀設計
5． 1 異形螺（luó）紋（wén）車刀刀頭形狀的確定（dìng）
如圖 5( b) 所示，將異形螺紋車刀刀頭形狀（zhuàng）設計（jì）成圓頭形。此種圓頭形異形螺（luó）紋車刀比圖 5( a) 所示三角形（xíng）螺紋車（chē）刀具有更好（hǎo）的強度和耐磨性，因（yīn）此可以承受更大的切削力，在車（chē）削時可適當的加深背吃刀量，提高加工效率。另一方麵圓頭形螺紋車刀在加工異形螺紋時能更好地起到（dào）異形曲麵光滑過渡的效果。
5． 2 異形螺紋車刀刀頭圓弧大小的確定
理論上，異形（xíng）螺紋車刀刀頭圓弧半徑因小於所加工異形螺紋麵最小曲率半徑，否則大於最小曲率半徑將產生過切現象。在實際加（jiā）工（gōng）中，車（chē）異形螺紋的螺紋（wén）車刀刀（dāo）頭為圓弧形，加工時若（ruò）車刀圓頭半徑增大，其接觸（chù）麵積（jī）隨（suí）之增大，至使徑向切削力過大，車削時易出現紮刀現象，若圓（yuán）頭半（bàn）徑太小（xiǎo）又將影響刀具強度和刀具耐用度。通過多次試驗，總（zǒng）結出（chū）車（chē）該異形螺紋工件（jiàn）時車刀的（de）刀（dāo）頭圓弧半徑取 Ｒ1． 5 mm ～ Ｒ2 mm 為比較適宜，采用的刀具幾何形狀和角度如圖 5( b) 所（suǒ）示。
5． 3 異形螺紋車刀（dāo）角度的選取
異形螺紋車刀角度如圖 5( b) 所示。徑向前角取 5° ～ 10°，徑向後角取 6° ～ 8°，兩側後（hòu）角進刀方向為( 10° ～ 12°) + ψ，背進刀方向為( 6° ～ 8°) － ψ。
5． 4 螺紋車（chē）刀的安裝
異形螺紋車刀的安裝與普通三角螺（luó）紋車刀的安裝相似，在裝夾（jiá）異形螺紋（wén）車刀（dāo）時，刀頭圓弧（hú）位置應（yīng）調整與工件回轉軸線等高，然後車刀刀尖角的對稱中心線（xiàn）與工件軸（zhóu）線垂直，另外刀頭伸出不要過長（zhǎng），一般為 20 ～ 25 mm 否（fǒu）則（zé）刀具剛性變差。
圖 5 螺紋車刀
5． 5 異（yì）形螺紋車刀圓頭半徑對加工的（de）影響
由於異形螺紋車刀刀頭為圓弧形，所以切削異形螺紋曲麵時，會因工件與刀（dāo）具（jù）圓弧切點的變化而產生零件的形狀誤差。故編程時必須使用刀具的半（bàn）徑補償，否則將影響加工精度。從圖 6 中可以看出（chū），理論上（shàng）刀（dāo）具切削時刀尖運（yùn）動軌跡是（shì）刀（dāo）尖 A 的軌跡 ( 圖中 P1→A2—A3…→P2) 。但是（shì），車削時實際起切削作用的是刀尖圓（yuán）弧的（de）各切點，因此車出的工件（jiàn）實際表（biǎo）麵形狀是圖（tú）中的虛線形狀，這樣就產生了較大的形狀誤（wù）差。為此，在這種情況下就必須考慮刀尖圓弧半徑對異形螺紋（wén）曲麵形狀的影（yǐng）響。現以 FANUC 0i MATE － TD 為例刀具半徑補（bǔ）償指（zhǐ）為: G40 為（wéi）取消刀（dāo）具半（bàn）徑補償指令，G41 為刀具半徑左補（bǔ）償（cháng）指（zhǐ）令，G42 為刀具半徑（jìng）右補償（cháng）指令。
圖 6 異形螺（luó）紋加工時刀頭圓弧的影響
6 、程（chéng）序設計思路
由於異形螺紋麵為（wéi）橢圓（yuán）麵，考慮借（jiè）助（zhù）於宏程（chéng）序功能，設橢圓曲線、所（suǒ）包絡的角度為變量，X，Z 值為（wéi）自變量，用直線段逼近輪廓曲線的方法完成螺紋麵加工，再與（yǔ） G32 指令結合最（zuì）終完成異形螺紋的加工。
6． 1 數學建模
圖 7 為被加工螺紋橢圓曲麵的幾何圖形，其加工長度為7. 4 mm。a = 3． 5 mm，b = 4． 5 mm。
6． 2 程序設計
如（rú）圖 8 所示宏程（chéng）序加工異形螺紋流程，首先為螺（luó）紋參數初賦值，用 G32 作為螺紋加工指令，設螺紋曲麵 Z 向長度作為條件判斷（duàn）依據，橢圓 X 值計算，螺紋循環加工一次，變量 Z 重新賦（fù）值，計算橢圓 X 值，進行螺紋車削（xuē），如此比較判斷、計算、螺紋（wén）循（xún）環加工，直至滿足條件為（wéi）止。跳出程序螺紋加工完（wán）畢。
圖 7 橢圓幾（jǐ）何圖形
圖 8 宏程（chéng）序加工異（yì）形螺紋流程圖
7 、加工程序編製及應用
使用 FANUC 0i MATE － TD 係統數控車床，隻加工橢圓異形螺（luó）紋部分（fèn），程序如表 1。
表 1 主（zhǔ）程序（xù）: O0001
加工異形螺紋零件成型後如圖 1 所（suǒ）示（shì）。程序中隻要改變X 方向的初始值（zhí），即可完成異形螺紋的粗精加工，本例（lì）為（wéi）精加工程序（xù）。作為粗、精加工的參數設置，應根據工件的材料、異形螺（luó）紋的表麵加工精度及刀具的具體工藝狀況進行設置。上述程序已上機調試（shì）完畢，且通過了首件試製加工。
8、 結語
上述程序結構簡（jiǎn）單，具備循環加工（gōng）的特點，適合用 G92、G76 指令直接編程比較困難和用 CAM 軟（ruǎn）件編程也不能實現加工的異形螺紋，隻要（yào）異形螺紋曲麵曲線能（néng）用數學表達式（shì）表達，均可利（lì）用（yòng）宏程序對相關變量賦值，結合 G32 指令，可加工出所需要的異形螺（luó）紋，通用（yòng）性、靈活性非常強。通過實際加工生產，以上方法有效地解決了異形螺紋難於加工的問題，除保證了加工後異形螺（luó）紋質量符合圖樣要（yào）求外，還（hái）大幅減輕了操作者的勞動強（qiáng）度。
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