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基（jī）於宏程序車削變槽寬變導（dǎo）程複雜（zá）螺紋的研究

2018-11-26 來源：河（hé）北師範（fàn）大學職業技術學院作者：劉春利

摘（zhāi）要: 變導程螺紋雖然應用廣泛，但其加工效率和加工質量一直是個共性難題，尤其是變槽寬變（biàn）導（dǎo）程（chéng）螺紋的加（jiā）工更是難之又難。文中在對變導程螺紋的螺旋線進行數學建模的基礎上，結合 FANUC 係統數控車床操作具體（tǐ）實（shí）例，巧妙利用宏程序優越功能準確快速地車削完成變槽寬變導程螺紋，最終高質量高效率事半功（gōng）倍地完成複雜變導程螺紋的加（jiā）工

關鍵詞（cí）: 數學建模; 宏程序; 車削; 變導（dǎo）程螺紋

0 前言

變導程螺紋在機械、煤（méi）礦、冶金、航空工業中應用普遍，在航空傳輸機械、飲料擠壓機械、飼料機械、船舶上的變導程螺旋槳、高速離心泵上的變導程誘導輪、變導（dǎo）程螺旋槳動力裝置以及（jí）前（qián）轉向懸掛上（shàng）的變（biàn）導程彈簧減（jiǎn）震器等方麵都有（yǒu）關（guān）鍵的應用。

變導程螺紋雖然應用廣泛，但其加工（gōng）一直是個難題。以前的加工方（fāng）式通（tōng）常（cháng）是在（zài）普（pǔ）通車床裝（zhuāng）夾一套輔助裝置 ( 凸輪變速機構) 實現變速加工，雖然能保證精度，但要求（qiú）操作工（gōng）人技（jì）術嫻熟，設計成本較高，調速增量較麻煩（fán），出現加工質量和效率低的狀況，尤其是變槽寬（kuān）變導程螺紋的加工更是難之又難，幾乎普通車床無（wú）法加工。

在國內對變導程螺紋螺旋副的研究隻是剛剛起步，國外已經（jīng）有學者對變導程螺旋傳動機構進行了相（xiàng）關研究。Ming J TSAI 等對變導程螺旋傳動機構的傳動效率（lǜ）進行了評（píng）價分析，CHIO］對變導程螺旋傳動（dòng）的動態（tài）特性從理論上進行了（le）分析。文中主（zhǔ）要針對變槽寬變（biàn）導程螺紋螺旋線進行數學建模，同時利用FANUC 係統數控車床宏程序的獨（dú）特優勢對變槽寬變導程螺紋車削進行了研究。

1 、變導程螺紋（wén）螺旋線的（de）建模

航空航天火箭發動（dòng）機內壁外表麵上的螺旋槽的中心線是變槽寬變導程螺旋線，在數控機床加工（gōng）此類複雜螺旋線（xiàn）的螺紋時，編製其數控加工程序必須得到螺旋線（xiàn）的數學模（mó）型，否則無法編製其加工程序（xù）。

1. 1 螺旋（xuán）線的數學模型

如圖 1 所示，動點 M 位於動（dòng）係的 x 軸上 ( Ｒ，0，0) ，動係 z 軸繞定係 Z 軸勻速旋轉，動（dòng）係原點 O 沿 oz軸作變速直線（xiàn）運動，測（cè）動（dòng）點的軌跡為變導（dǎo）程圓柱螺旋線。

圖 1 螺旋線數學模型

1. 2 圓周（zhōu）方向（xiàng）展開後的螺旋線

變導程螺紋的表麵是一個螺旋麵，加工時螺紋車刀（dāo）切削刃上任意（yì）一點的軌跡（jì）是一條螺旋線，沿圓周展開為一（yī）直線，見（jiàn）圖 2。圖 2 中橫（héng）坐標為圓周長，縱坐標為導程 ( 螺（luó）距) ，由於是變導程螺旋線，相鄰圓周直線段的斜率不同，每一直線段的升角增量為 Δα，其數值經螺旋線的數學模型公（gōng）式推導為:

圖 2 圓周方向展開後的螺旋線

從上式可以得出 Δα 與（yǔ）螺距增量（liàng）、槽寬增量以及綜合（hé）螺距變化之（zhī）間（jiān）的關係，當 Δα 較大時，為了保證兩相鄰螺（luó）旋線間平滑過渡，可以采（cǎi）取近似圓弧 ( 精度高) 或直線（xiàn）連（lián）接（jiē） ( 精度不高) ，見圖 2 中的 M處放大（dà）圖中（zhōng）線 1。

因此，可看出整個變螺距螺紋螺旋線是由兩組相交曲線組成。因（yīn）此對於變槽寬變導程螺旋線螺紋（wén）加工，必須在過渡處修正。

2 、數控車床及宏程序（xù）指令

數控車床是綜合應用計算機、自動控製（zhì）、自（zì）動檢測及精密機械等高新技術的產物，是技術密集度及自（zì）動化程度很高的（de）典（diǎn）型機電（diàn）一（yī）體化兩軸加（jiā）工設備。數控車床具有加工零（líng）件精度高、產品質量穩定、自動化程度高、減輕操作工人的體力勞動強度、大大（dà）提高生產效率、能完成普通車床難以加工或根本無法加工的複雜輪廓等特點。

宏程序是采用變量組合方式而形成的加工程（chéng）序，在數控車床提供兩類用戶宏程序，即 A 類宏程序和 B類宏程序。它可以（yǐ）通過靈（líng）活運用各種算術和邏輯運算、轉移和循環等命令，實現對程（chéng）序段流向的控製，隻要變更變量（liàng）的不同賦值即可完成不同零件（jiàn）的加工。用戶宏程序與普通程序的區別在（zài）於（yú）: 在普通程序中，隻能（néng）指定常量，常量之間（jiān）不能運算，程序隻能（néng）順序執行，不能跳轉，因（yīn）此功能是固定（dìng）的，不能變化。

而（ér）在用戶宏程序本體中，能使用變量，可以給變量賦值（zhí），變量間可以運算，程序可以跳轉; 變導程（chéng）螺（luó）紋的加工就是充分利用了宏（hóng）程序（xù）這一特點來加工完（wán）成的。

3 、FANUC 係統數控車床的加工螺紋指令

FANUC 係統數控（kòng）車床具有變導程螺紋車削功能，切削指令為 G34。指令格式: G34X( U) _Z( W) _F_K_其（qí）中，X、Z 是絕對編程（chéng）時，有效的螺紋終點在（zài）工件上的坐標（biāo）係中的坐標值; U、W 是增量編程時，有效螺紋終點相對於螺紋起點的增量（liàng）; F 是螺紋起點的導程; K 是螺紋導程的變化量，其增 ( 減) 量的範圍，在（zài）係統（tǒng）參數中設定。采用普通方（fāng）式編程編製加工變導程螺紋的程（chéng）序非常繁瑣，尤（yóu）其是對於雙變複雜螺紋編製過程中常常出現諸（zhū）多困難，此時，可以充分應用 FANUC 係統數控車床的宏程序功能。

4 、變槽寬變導程複雜螺紋加工實例

變（biàn）導（dǎo）程螺紋是指槽寬或牙寬均勻性按等（děng）差數列變化的特殊型螺（luó）紋。根據實際需要主要有 3 種形式: 第一種是指槽寬不變而牙寬均勻（yún）性變化（huà）的變導程螺紋( 見圖 3) ，第二種是指牙寬不變槽（cáo）寬均勻性變化的變導程螺紋 ( 見（jiàn）圖 4) ，第三種是指牙寬和槽寬都均勻變化的（de）變導程複雜（zá）螺（luó）紋 ( 見圖 5) 。第一種和第二種是比較常見的，關於這兩種的加工相關論文較多，這裏不再贅（zhuì）述，我們重點（diǎn）研究第三（sān）種複雜螺紋的車削加工。

圖 3 等槽變牙寬變導程螺紋

圖 4 等牙寬（kuān）變導程螺紋

圖 5 變槽寬變牙寬變導程螺紋

下麵以 FANUC 係統數控車床加工圖 5 變槽寬變（biàn）牙寬為例進行分析和程序舉例:分析（xī）: 對於圖 5 變槽寬變牙寬複雜螺紋的車（chē）削過程可（kě）以分解成 3 步，第一步（bù）將圖（tú） 5 加工成圖 6 的等槽寬變導程螺紋 ( 類似於圖 3) 。加工第一步後，等槽（cáo）寬為 4mm，牙寬（kuān）分別（bié）為 3、5、7、9、11、13，比圖 5牙寬分別增加 0、1、2、3、4、5，恰好為槽寬應該增加的部分，因此我們進行的第二步是用螺紋刀將（jiāng）多餘牙寬為（wéi） 0、1、2、3、4、5 切削成槽寬即可，這一步為（wéi）了簡化程序編寫，我們引用子程序。

第三步是調用帶有修正功能的精車（chē）刀修（xiū）正前兩步粗車加（jiā）工的變導程螺紋（wén），由（yóu）於此時的螺紋刀要一步步進行對前（qián）兩（liǎng）步（bù）粗（cū）加工的修（xiū）刃精加工，所以刀（dāo）寬（kuān）與前兩步的刀寬小。在此，經（jīng）過分析，使用宏程序要引入 3 個變量，即除了一個 X 方向的進給量［#1］切削深度為 0. 15 mm，一個 Z 向的導（dǎo）程步進增（zēng）加量［#2］為 0. 2 mm，還需設置一個槽寬每次增加量［#3］為 1 mm。

圖 6 圖 5 第一步加工後（hòu）的變導程螺紋

5 、結束語（yǔ）

從上例編程實例（lì）可知，用數控車床加工變槽（cáo）寬變導程螺紋時，將宏程序的優越功能巧（qiǎo）妙地運用到車削複雜的變導程螺紋時（shí），大大精簡了操作者編製程序而且可讀性強，易於檢查，同時（shí）可隨時根（gēn）據圖（tú）紙（zhǐ）加工（gōng）尺寸改變宏程序變量，準（zhǔn）確地完成（chéng）複雜變導程螺紋的（de）加工，能（néng）很迅（xùn）速解決其加工效率和（hé）精度低的問（wèn）題，保證加工（gōng）質量。

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