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基於宏程序車削變槽寬變導程複雜螺紋的研究

2018-11-26 來（lái）源（yuán）：河北師範大學職業技術學院作者：劉春（chūn）利

摘要: 變導程螺紋雖然應（yīng）用廣泛，但（dàn）其加工效（xiào）率和加工質量一直是個共性（xìng）難題，尤其是變槽寬變導程螺紋的加工更是難之又難。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實例，巧妙利用宏程序優越功能準確快速地車削（xuē）完（wán）成變槽（cáo）寬（kuān）變導程螺紋，最終高質量（liàng）高效率事半（bàn）功倍地完成複雜變導程螺紋的加工

關鍵詞: 數學建（jiàn）模; 宏程序; 車（chē）削; 變導程螺（luó）紋

0 前言

變導程螺紋在機械、煤礦、冶金、航空工業中應用普遍，在航空傳輸機（jī）械、飲（yǐn）料擠壓機械、飼料機（jī）械、船舶上的變（biàn）導程螺旋槳、高速離心泵上的變導程誘導輪、變導程螺旋槳動力裝置以及前轉向懸掛上（shàng）的變導程彈簧減震器等方麵都有關鍵的應（yīng）用。

變導程螺紋雖然應用廣（guǎng）泛，但其加工一直是個難題。以前的加工方式通常是在普通車床裝夾一套輔助裝置 ( 凸輪變速機構) 實現變速加工，雖然能保證精度，但要求（qiú）操作工人技（jì）術嫻熟，設（shè）計成本較高，調（diào）速增量較麻煩，出現加工質量和效率低的狀況，尤其是變槽寬變（biàn）導程螺紋的加工更是難（nán）之（zhī）又難，幾乎普通車床無法（fǎ）加工。

在（zài）國內對變導程螺（luó）紋螺旋副的研究隻是剛剛起步，國外已經有學者對變導程螺旋傳動機構進行了相關（guān）研究。Ming J TSAI 等對變導程螺旋傳動機構的傳動（dòng）效率進行了評價分析，CHIO］對變導程螺旋（xuán）傳動（dòng）的動態特（tè）性從理論上進行（háng）了分析。文中主要針對變槽寬變導（dǎo）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特優勢對變槽寬變導程螺紋車削進行了研（yán）究。

1 、變導程螺紋（wén）螺旋線（xiàn）的建模

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

1. 1 螺旋線的數學模型（xíng）

如圖 1 所示，動點 M 位於動係的 x 軸上 ( Ｒ，0，0) ，動係（xì） z 軸（zhóu）繞定係 Z 軸勻速（sù）旋轉，動（dòng）係原點 O 沿 oz軸作（zuò）變速直線運動，測動點的軌跡為變（biàn）導程圓柱螺旋線。

圖 1 螺旋線數學模型

1. 2 圓周方向展開後的螺旋線

變（biàn）導程螺紋的表麵是一（yī）個螺旋麵，加工時螺紋車刀切削刃上任意一點的軌跡是一條螺旋線，沿圓周展開為一直線，見圖 2。圖 2 中橫坐標為圓周長（zhǎng），縱坐標（biāo）為導程 ( 螺距) ，由於是變導程螺（luó）旋線，相鄰圓周（zhōu）直線段的斜率（lǜ）不同，每一直線段（duàn）的升角增量為 Δα，其數值經螺旋線的數學模型公式推導為:

圖 2 圓周方向展開後（hòu）的螺旋線

從上式可以得出 Δα 與螺距增量、槽寬增量以及綜（zōng）合螺距變化之間的關係，當 Δα 較大時，為了保證兩相鄰螺旋線間平滑過渡，可以采取近似圓弧 ( 精度高) 或直線連接 ( 精度不高) ，見（jiàn）圖 2 中的 M處放大圖中線 1。

因此（cǐ），可看出整個變螺（luó）距螺紋螺旋線是（shì）由兩組相（xiàng）交曲線組成。因此對於變槽寬變導程螺旋線螺紋加工，必須在過渡處修正。

2 、數（shù）控車床及宏程序指令（lìng）

數控車床是綜合應用計算機、自動控製、自動檢測及精密（mì）機械等高新（xīn）技術的產物，是技術密集度及自動化程（chéng）度很高的典型機電一體化兩軸加工設備。數控車床具有加工零件精度高、產品質量穩定、自動化程度高、減輕操（cāo）作（zuò）工人的體力勞動強度（dù）、大大提高生產效率、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（shì）而形（xíng）成的加工（gōng）程序，在數控車床（chuáng）提供兩類用戶宏程序，即 A 類宏程序（xù）和 B類宏程序。它（tā）可以通過靈活運用各種算（suàn）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，隻要變更變量的不同賦值即可完成不同零件的加工。用戶宏程序與普通程序的區別在於: 在（zài）普通程序中，隻能指定常量，常量（liàng）之間不能運算，程序隻能順序執行，不能跳轉，因此功能（néng）是固定的，不能變化。

而在用戶宏程序本體中，能使用（yòng）變量，可以給變量（liàng）賦值，變量間可以運算，程序可以跳轉; 變導（dǎo）程螺紋的加工就是充分利（lì）用了宏程（chéng）序這一特點來加工完成的。

3 、FANUC 係（xì）統數控車床的加工螺紋指令

FANUC 係統數控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_其中，X、Z 是絕對編程時，有效的螺紋終點（diǎn）在工件（jiàn）上的（de）坐（zuò）標係（xì）中的坐標值; U、W 是增量（liàng）編程時，有（yǒu）效螺紋終點相對於螺紋起點的增量; F 是螺紋起點（diǎn）的導程; K 是（shì）螺紋導程（chéng）的變化量，其增 ( 減（jiǎn）) 量的範圍，在係統參數中設定。采用普通方式編程編製加工（gōng）變導程螺紋的程序非常繁瑣，尤其是對於雙變複雜螺紋編製過程中常常出現諸多困（kùn）難，此時，可以充分應用 FANUC 係統數控車床的宏程（chéng）序功能。

4 、變槽寬變導程複雜螺紋加工實例

變導程螺紋是指槽寬（kuān）或牙寬均勻性按等差數列變化的特殊型螺紋。根據實際需要主要有 3 種（zhǒng）形式: 第一種是指槽寬不變而牙寬（kuān）均勻性變化的變導程螺紋( 見圖（tú） 3) ，第（dì）二（èr）種是（shì）指牙寬（kuān）不變槽寬均勻（yún）性變化（huà）的變導程螺紋 ( 見圖 4) ，第三種是指牙寬和槽寬都均勻變化的變導程複雜螺紋 ( 見圖 5) 。第一種和第二種是比較常見（jiàn）的，關於（yú）這兩種的（de）加工相關（guān）論文較多，這裏不再贅述，我們重點研究第（dì）三種複雜螺紋的車削加工。

圖 3 等槽變（biàn）牙寬變導程螺紋

圖 4 等牙寬變導程螺紋（wén）

圖 5 變槽寬變牙（yá）寬變導程（chéng）螺紋

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

第三步是調用帶有修正功能（néng）的精車刀修正前兩步粗車加（jiā）工的變導（dǎo）程螺紋，由於此時的螺紋刀要一步步進行對前（qián）兩步（bù）粗加工的修刃精加工，所以刀寬與前兩步的刀寬小。在此，經過分析，使用宏（hóng）程序要引入 3 個變（biàn）量，即除了一（yī）個（gè） X 方向的進給量［#1］切削深（shēn）度為 0. 15 mm，一個 Z 向的導程步進增加量［#2］為 0. 2 mm，還需（xū）設置一個槽寬每次（cì）增加量［#3］為 1 mm。

圖 6 圖 5 第一步（bù）加工後的變（biàn）導程（chéng）螺紋

5 、結束語（yǔ）

從上例編程實例可知，用數控車床加工變槽寬變導程螺紋時，將宏程序的（de）優越功能巧妙地運（yùn）用到車削複雜的變導程螺紋時，大大精簡了操作者編製程序而且可讀性強，易於檢查（chá），同時可隨時（shí）根據圖紙加工尺寸改變宏程（chéng）序變量，準確地完成複雜變導程（chéng）螺紋的加工，能很迅速解（jiě）決其加工效率（lǜ）和精度（dù）低（dī）的問題，保證加工質量。

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