宏程序在（zài）異形螺紋車削中的應用（yòng）
2020-4-9 來源： 中（zhōng）車株洲電力（lì）機車（chē）有限公（gōng）司 作者：劉 輝，熊文華
摘要（yào）: 隨著科學技術和社會生產的不斷發展，對一（yī）些機械產品的質量和生產（chǎn）效率提出了更高的要求，異形（xíng）螺紋的車削就是其中典（diǎn）型的代表。一般的（de）螺紋切削指令（lìng） G32 和螺紋切削循環 G92、G76 等加工指令適（shì）用於常用的螺紋加（jiā）工，而不能滿足異形螺紋的車（chē）削。采用宏程（chéng）序功能與螺紋加工指令（lìng）相結合，實現了對（duì）異形螺紋（wén）的車削（xuē）加工（gōng），並重點介紹了（le）有關異形圓柱螺紋（wén）的加工方法及宏程序在異形螺紋車削中的應用。
關（guān）鍵詞（cí）: 數控編（biān）程; 宏程序; 刀具; 異形（xíng）螺（luó）紋
1 、概述
螺紋在各種機器中應用非常（cháng）廣泛（fàn），常用的螺紋（wén）按其牙型不同可分為三（sān）角形螺（luó）紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、矩形螺紋等，如果螺（luó）紋的牙型是（shì）圓弧、橢圓（yuán）曲麵、拋物（wù）線或雙曲線等規則曲線，由（yóu）這些（xiē）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（chuán）統的螺紋（wén）指令編（biān）程是（shì）不能完成的，如果用（yòng） CAM 軟件編程也不能實現異形螺（luó）紋的車削加工（gōng）。由於異形（xíng）螺（luó）紋牙形形（xíng）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（lì）用宏程序功能，建立合理的（de）數學模型就（jiù）能很好解決這一難題。本文重點（diǎn）簡述螺（luó）紋牙型為橢圓曲（qǔ）麵的異形螺紋車削方法和加工刀具的設計及（jí）加（jiā）工程序的編製，零件圖如（rú）圖 1 所示。
圖 1 異形螺紋零（líng）件
2 、對異形螺紋的分析
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（yá）槽是一個（gè）橢圓形，同時經過分析，橢圓的長半軸尺寸為 4． 5 mm，短半軸尺（chǐ）寸為 3． 5 mm，牙底直徑 47 mm，螺（luó）紋（wén）外徑為 50 mm，螺（luó）距為 10 mm 等形（xíng）狀特點，技術要求、數（shù）量多少（shǎo）和裝夾方法，對該（gāi）異（yì）形螺紋進行車削工藝分析，加工中存在的（de）難點，表現以下（xià）幾個方麵。
1) 該零件由外圓柱、普通螺紋、橢圓牙形螺紋和退刀槽組成。圖（tú）樣（yàng）中的圓柱尺寸和粗糙度要求很高，同時，在異形螺紋（wén）外徑與外圓基準 A 處有同軸度要求。
分析（xī）以上因素，決定擬（nǐ）定一（yī）條合理的工藝加（jiā）工路線，減（jiǎn）少裝夾次數，采用三爪自定心卡盤夾持工件和鑽（zuàn）中（zhōng）心孔，用後頂尖頂住工件成一夾一（yī）頂（dǐng）裝（zhuāng）夾。把（bǎ）加工順序及走刀路線集中分配，不僅利 於（yú） 車削加工、還保（bǎo）證了尺寸精度等（děng）技術要（yào） 的目的。
2) 該（gāi）異形螺紋（wén）牙（yá）槽是一個橢（tuǒ）圓形，對刀具的（de）選（xuǎn）擇（zé）不能忽視，任何一把刀具刀尖部分都是圓弧的，根據（jù）理論刀尖（jiān）點 A 來編（biān）程，如圖 2 所示，那麽車（chē）削時，實際起作用（yòng）的切削刃是圓弧各切點，這（zhè）樣就會產生加工表麵的形狀誤差，它（tā）對圓（yuán）柱麵和端麵加工沒（méi）有影響，但在車削錐麵、圓弧麵、橢圓等曲麵時，會造成過切現象，會造成異形螺（luó）紋的牙槽（cáo）底部（bù）大於（yú）圖紙要求。
圖 2 刀尖圓弧和刀尖理（lǐ）論（lùn）點
分析異形（xíng）螺（luó）紋加工刀具，決定將異（yì）形（xíng）螺紋車刀（dāo）刀頭（tóu）形狀設計成圓頭形，優點是: 一（yī）是具有較好的強度和耐磨性; 二是能更好的起到異形曲麵的（de）光滑過渡，有效提高螺紋表麵粗糙度。刀頭圓弧太小的確定，要考慮異形螺紋麵最小曲率半徑，螺紋（wén）車刀刀頭圓弧半徑因小於所加工螺紋麵最小曲率（lǜ）半徑。在刀具角度的選擇及安裝時，都應合理，反之，則會直接影響螺紋的加工（gōng）精度。
3) 由於異形螺紋麵（miàn）為（wéi）橢圓麵，一般的螺紋切削指（zhǐ）令（lìng）不能滿足異形螺紋的車削，所以編製異形螺紋加工程（chéng）序（xù）是關鍵。分（fèn）析考慮，隻能借助於宏程序功能，設橢圓曲線、所包絡的角（jiǎo）度為變（biàn）量，X，Z 值為自變量，用直（zhí）線段逼近輪廓曲線的方法完成螺紋麵加工，再與 G32 指令巧妙結合（hé），最終完成異形螺紋的（de）順利加工。
3 、用戶宏程序與一般螺紋加工指令的優勢
用戶宏程序其實質與子程序相（xiàng）似，它是把一組實現某種功能的指令，以子程序的（de）形式（shì）事先存儲在係統存儲器中，並通過主（zhǔ）程序中的宏程序（xù）調用並（bìng）執行這組（zǔ）程序。
宏程序與普（pǔ）通程序相比較，一般程（chéng）序的程序字為常量，一個程序隻能描述（shù）一個幾何形狀，所（suǒ）以缺乏靈活（huó）性。而用戶宏程序主體中可以使用變量進行編程，還可以（yǐ）用宏指令對這些變量進行賦值和變量之間的運算等處理，從而可（kě）以使用（yòng）宏程序執行一（yī）些有規律變化的動作。
以 FANUC 0i MATE － TD 係統數控（kòng）車床為例，用來（lái）加工螺紋的基本指令有 G32( 單行程（chéng）螺紋（wén）切削指令) 、G92( 螺紋切削循環指（zhǐ）令（lìng）) 、G76( 螺（luó）紋切削複合（hé）循環指令) 三種。G92 為直進式（shì）進刀如圖 3( a) 所示，而 G76 為斜插式進刀如圖 3( b) 所示。其進刀方式不（bú）一樣，加工的效果也不一樣，人們在加工（gōng）螺矩較小的螺紋（wén）時往往用 G92 指令進行編程，較（jiào）大螺矩的螺紋時用G76 指令編程（chéng）。然而在沒有異形（xíng）曲麵成型刀的情況下，使用（yòng）上述哪種螺紋加工指令都無法滿足如圖 1 所示的異形螺紋車削。
通常我們可以使用螺紋（wén）固（gù）定循環指（zhǐ）令進行普（pǔ）通螺紋（wén）程序的編（biān）製，對於橢圓麵部分，可以使用逐點計算法計算出其曲麵上的點，然後再（zài）進行程序編輯，但其計算量和程序的編輯都非常費時（shí）、費力，且編程存在較大的精度誤差。若（ruò）將用戶宏程序（xù）功能和 G32 指令結合使用，就（jiù）能實現如圖 3( c) 所示，沿異形曲麵斜插（chā）式進刀。不僅可以完（wán）成對異形螺紋加工（gōng），而且計算量較小，程序編輯相對簡單。
圖 3 螺紋切削進刀方式
4、 異形螺（luó）紋零件圖分析及加工路線的確定
4． 1 異（yì）形螺紋（wén）零件分析
如圖（tú） 1 所示，該零件表麵由外（wài）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，另外異形螺紋麵與基準 A 有同軸度要求。其餘長度方向和退刀（dāo）槽並沒有較嚴格的尺寸精度和表麵粗糙度要求，尺寸標注（zhù）完整，輪廓描述（shù）清楚，零件材（cái）料為 45#鋼，無熱處理和硬（yìng）度要求。
4． 2 加工路線的確定
1) 采（cǎi）用三爪（zhǎo）自定心卡盤夾持工件的左端，工件伸出長度60 mm 左右，校正夾（jiá）緊。
2) 車端麵（miàn），車一小段外圓長 20 mm 左右( 車圓即可) ，鑽（zuàn）中心孔（kǒng）。
3) 調頭夾已車外圓，校正夾緊。車（chē）端麵，保證總長 135 ±0． 1 mm，鑽（zuàn）中心孔，用後頂（dǐng）尖頂住工件成一夾一頂裝夾。
4) 調用外（wài）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，異形螺紋外（wài）徑 50 0 ～ 0. 025 mm，留1 mm精車餘量並倒（dǎo）角。
5) 調頭夾（jiá） 31 mm 外圓，用後頂尖頂住工件成一夾一頂（dǐng）裝夾。調（diào）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 精車餘量並倒角。
6) 調頭夾 21 mm 外圓，用後頂（dǐng）尖頂住工件成一夾一頂裝夾如 圖 4 所 示（shì）。調 用（yòng） 外 圓 車 刀，用 G70 指 令 精（jīng） 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) 調用切槽刀，粗、精車 5 mm × 2 mm 螺紋退刀槽至（zhì）尺寸。
8) 調用三角螺紋車刀，用 G92 螺紋循環指令粗、精車 M42× 2 － 6 g 螺紋至尺寸。
9) 調用異形螺紋車刀，用宏程序粗（cū）、精車異形螺紋至尺寸。
10) 調（diào）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，校正（zhèng）夾緊。調用外圓車（chē）刀，用 G70 指令精車 20 0 ～ 0. 017 mm，30 0 ～ 0. 022 mm 外圓（yuán）至尺（chǐ）寸。
11) 檢驗。
圖 4 工件裝（zhuāng）夾示意圖
5 、異形螺紋（wén）車刀設計
5． 1 異形螺紋車（chē）刀刀頭（tóu）形狀（zhuàng）的確定
如圖 5( b) 所示，將異形（xíng）螺紋車刀刀頭形狀設計成圓頭形。此種圓頭形異形螺紋車刀比圖 5( a) 所示（shì）三（sān）角形螺紋車刀具有更好的強度和耐磨性，因此可（kě）以承受更大（dà）的切削（xuē）力，在車削時可適當的加深背吃刀（dāo）量，提高加工效率。另一方（fāng）麵圓頭形螺紋車刀（dāo）在加工異形螺紋（wén）時能更好地（dì）起到異形曲麵光滑過渡的效（xiào）果。
5． 2 異形螺紋車刀刀頭圓弧大小的確定
理論上，異形螺紋車刀刀頭圓弧半徑因小（xiǎo）於所加工異（yì）形螺（luó）紋麵最（zuì）小曲率半徑，否則大於最小曲率半徑將產生（shēng）過（guò）切現象。在實際（jì）加工中，車異形螺紋（wén）的螺紋車刀刀（dāo）頭為圓弧形，加工時若車刀圓頭半徑增大，其接觸麵積（jī）隨之增大，至使徑（jìng）向切削力過大，車削時易出現紮刀現象（xiàng），若（ruò）圓（yuán）頭半徑太小又將影（yǐng）響刀具強度和刀具耐用度。通（tōng）過多次（cì）試驗，總結出車該異形螺紋工（gōng）件時車刀的（de）刀頭圓弧半徑取 Ｒ1． 5 mm ～ Ｒ2 mm 為比較適宜，采用的刀具（jù）幾何形狀和角度如圖 5( b) 所示（shì）。
5． 3 異形螺紋車刀角度的選取
異（yì）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（qǔ） 6° ～ 8°，兩側（cè）後（hòu）角進刀方向為（wéi）( 10° ～ 12°) + ψ，背進刀方（fāng）向為( 6° ～ 8°) － ψ。
5． 4 螺紋車刀的安裝
異形螺紋車刀的安裝與普通（tōng）三角螺（luó）紋車（chē）刀的安裝相似（sì），在裝夾異形螺紋車刀時，刀頭圓弧位置應調整與工件回轉軸線等高，然後車刀刀尖角的對稱中心線與工件軸線垂直（zhí），另（lìng）外刀（dāo）頭伸（shēn）出不要過長，一般為 20 ～ 25 mm 否則刀具剛性變差。
圖 5 螺紋車刀
5． 5 異形螺紋車刀圓頭半徑對加工的影響
由於異形螺紋車（chē）刀刀（dāo）頭為圓弧形，所以切削異（yì）形螺紋曲麵時，會因工件與刀具圓弧切點（diǎn）的變（biàn）化而產生零件的形狀誤差（chà）。故編程時必須使用刀具（jù）的半徑補償，否（fǒu）則將（jiāng）影響加工精度（dù）。從圖 6 中可以看（kàn）出（chū），理論上刀具切削時刀尖運動軌（guǐ）跡是刀（dāo）尖 A 的軌跡 ( 圖中 P1→A2—A3…→P2) 。但是，車削時實際起切削作用（yòng）的是刀尖圓弧（hú）的各切點，因此車出的工件實際表麵形狀是圖中的虛線形狀，這樣就產生了較大的形狀誤差。為此，在這種情（qíng）況下就（jiù）必須考慮刀尖圓弧半徑（jìng）對（duì）異形螺紋曲麵形狀的影響。現（xiàn）以 FANUC 0i MATE － TD 為例刀具半徑補償指（zhǐ）為: G40 為取消刀具半徑補償指令，G41 為刀（dāo）具半徑左補償指令，G42 為刀具半徑右補（bǔ）償指令。
圖 6 異形螺紋加工時刀頭圓弧的影響
6 、程序設（shè）計思路
由（yóu）於異形螺紋麵為橢圓麵，考慮借助於宏程序功能，設橢圓曲線、所包絡的角度為變量，X，Z 值為自變量，用直線段逼近（jìn）輪廓曲線的方（fāng）法完成螺紋麵加工，再與 G32 指令結合最終完成異形螺紋（wén）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（dù）為7. 4 mm。a = 3． 5 mm，b = 4． 5 mm。
6． 2 程序設計
如圖 8 所示宏程序加工異形螺紋（wén）流程，首先（xiān）為螺紋參數初賦值，用 G32 作為（wéi）螺紋加工指令，設螺紋曲（qǔ）麵 Z 向（xiàng）長度作為條（tiáo）件判斷依據，橢圓 X 值計算，螺紋循環加工一次，變量 Z 重新賦值，計算（suàn）橢圓 X 值，進行螺紋車削，如此比較判斷、計算、螺紋循環加工，直至滿足條件為止。跳出程序螺（luó）紋加工完畢。
圖 7 橢圓幾（jǐ）何圖形
圖 8 宏程序加（jiā）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（yì）形螺（luó）紋部分，程（chéng）序如表 1。
表 1 主程序: O0001
加工異形（xíng）螺紋零件成型（xíng）後如圖 1 所（suǒ）示。程序中隻要改變X 方向（xiàng）的初始值，即可完成異形螺紋的粗精加工（gōng），本例為精加工程序。作為粗、精加工的參數設（shè）置，應根據工件的材料、異形（xíng）螺紋（wén）的表（biǎo）麵加工精（jīng）度及刀具的具體工藝狀況進行（háng）設置。上述程序已（yǐ）上機（jī）調試完畢，且通過了首件試製（zhì）加（jiā）工。
8、 結語
上述程序結構簡單，具備循環加工的特點（diǎn），適合用 G92、G76 指令直接（jiē）編程比較困難和用 CAM 軟件編程也不能實現加工的異形螺紋，隻要異形螺紋曲麵曲線（xiàn）能用數學表達式（shì）表達，均可利用（yòng）宏程序對相關變量（liàng）賦值，結合 G32 指令，可加工出所需要的異形螺紋，通用性、靈活（huó）性（xìng）非常強。通過實際加工生產，以上方法有效地解決了（le）異（yì）形（xíng）螺紋難於（yú）加工的問題，除保證了加工後異形螺紋質量符合圖樣要求外，還大幅減輕了操作（zuò）者的（de）勞動強度。
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