宏程序在異形螺紋車削中的應用
2020-4-9 來源： 中車株洲電力機車有限公司 作者：劉 輝，熊文華
摘要: 隨著科學技術和社會生產的不斷發展，對一些機械產品的質量和生產效率提出了更高的要求，異形螺紋的車削就是其中典型的代表。一般的螺紋切削指令 G32 和螺紋切削循環 G92、G76 等加工指令適用于常用的螺紋加工，而不能滿足異形螺紋的車削。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，并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削中的應用。
關鍵詞: 數控編程; 宏程序; 刀具; 異形螺紋
1 、概述
螺紋在各種機器中應用非常廣泛，常用的螺紋按其牙型不同可分為三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、矩形螺紋等，如果螺紋的牙型是圓弧、橢圓曲面、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，應用傳統的螺紋指令編程是不能完成的，如果用 CAM 軟件編程也不能實現異形螺紋的車削加工。由于異形螺紋牙形形狀不定，無標準刀具，只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，建立合理的數學模型就能很好解決這一難題。本文重點簡述螺紋牙型為橢圓曲面的異形螺紋車削方法和加工刀具的設計及加工程序的編制，零件圖如圖 1 所示。
圖 1 異形螺紋零件
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，由于螺紋的牙槽是一個橢圓形，同時經過分析，橢圓的長半軸尺寸為 4． 5 mm，短半軸尺寸為 3． 5 mm，牙底直徑 47 mm，螺紋外徑為 50 mm，螺距為 10 mm 等形狀特點，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分析，加工中存在的難點，表現以下幾個方面。
1) 該零件由外圓柱、普通螺紋、橢圓牙形螺紋和退刀槽組成。圖樣中的圓柱尺寸和粗糙度要求很高，同時，在異形螺紋外徑與外圓基準 A 處有同軸度要求。
分析以上因素，決定擬定一條合理的工藝加工路線，減少裝夾次數，采用三爪自定心卡盤夾持工件和鉆中心孔，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾。把加工順序及走刀路線集中分配，不僅利 于 車削加工、還保證了尺寸精度等技術要 的目的。
2) 該異形螺紋牙槽是一個橢圓形，對刀具的選擇不能忽視，任何一把刀具刀尖部分都是圓弧的，根據理論刀尖點 A 來編程，如圖 2 所示，那么車削時，實際起作用的切削刃是圓弧各切點，這樣就會產生加工表面的形狀誤差，它對圓柱面和端面加工沒有影響，但在車削錐面、圓弧面、橢圓等曲面時，會造成過切現象，會造成異形螺紋的牙槽底部大于圖紙要求。
圖 2 刀尖圓弧和刀尖理論點
分析異形螺紋加工刀具，決定將異形螺紋車刀刀頭形狀設計成圓頭形，優點是: 一是具有較好的強度和耐磨性; 二是能更好的起到異形曲面的光滑過渡，有效提高螺紋表面粗糙度。刀頭圓弧太小的確定，要考慮異形螺紋面最小曲率半徑，螺紋車刀刀頭圓弧半徑因小于所加工螺紋面最小曲率半徑。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精度。
3) 由于異形螺紋面為橢圓面，一般的螺紋切削指令不能滿足異形螺紋的車削，所以編制異形螺紋加工程序是關鍵。分析考慮，只能借助于宏程序功能，設橢圓曲線、所包絡的角度為變量，X，Z 值為自變量，用直線段逼近輪廓曲線的方法完成螺紋面加工，再與 G32 指令巧妙結合，最終完成異形螺紋的順利加工。
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系統存儲器中，并通過主程序中的宏程序調用并執行這組程序。
宏程序與普通程序相比較，一般程序的程序字為常量，一個程序只能描述一個幾何形狀，所以缺乏靈活性。而用戶宏程序主體中可以使用變量進行編程，還可以用宏指令對這些變量進行賦值和變量之間的運算等處理，從而可以使用宏程序執行一些有規律變化的動作。
以 FANUC 0i MATE － TD 系統數控車床為例，用來加工螺紋的基本指令有 G32( 單行程螺紋切削指令) 、G92( 螺紋切削循環指令) 、G76( 螺紋切削復合循環指令) 三種。G92 為直進式進刀如圖 3( a) 所示，而 G76 為斜插式進刀如圖 3( b) 所示。其進刀方式不一樣，加工的效果也不一樣，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。然而在沒有異形曲面成型刀的情況下，使用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固定循環指令進行普通螺紋程序的編制，對于橢圓面部分，可以使用逐點計算法計算出其曲面上的點，然后再進行程序編輯，但其計算量和程序的編輯都非常費時、費力，且編程存在較大的精度誤差。若將用戶宏程序功能和 G32 指令結合使用，就能實現如圖 3( c) 所示，沿異形曲面斜插式進刀。不僅可以完成對異形螺紋加工，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、 異形螺紋零件圖分析及加工路線的確定
4． 1 異形螺紋零件分析
如圖 1 所示，該零件表面由外圓柱、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，另外異形螺紋面與基準 A 有同軸度要求。其余長度方向和退刀槽并沒有較嚴格的尺寸精度和表面粗糙度要求，尺寸標注完整，輪廓描述清楚，零件材料為 45#鋼，無熱處理和硬度要求。
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端，工件伸出長度60 mm 左右，校正夾緊。
2) 車端面，車一小段外圓長 20 mm 左右( 車圓即可) ，鉆中心孔。
3) 調頭夾已車外圓，校正夾緊。車端面，保證總長 135 ±0． 1 mm，鉆中心孔，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾。
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，異形螺紋外徑 50 0 ～ 0. 025 mm，留1 mm精車余量并倒角。
5) 調頭夾 31 mm 外圓，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾。調用外圓車刀，采用 G71 循環指令粗車 20 0 ～ 0. 017 mm，30 0 ～ 0. 022 mm，留 1 mm 精車余量并倒角。
6) 調頭夾 21 mm 外圓，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾如 圖 4 所 示。調 用 外 圓 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、精車異形螺紋至尺寸。
10) 調頭包銅皮夾 30 0 ～ 0． 022 mm 外圓，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾，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 外圓至尺寸。
11) 檢驗。
圖 4 工件裝夾示意圖
5 、異形螺紋車刀設計
5． 1 異形螺紋車刀刀頭形狀的確定
如圖 5( b) 所示，將異形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) 所示三角形螺紋車刀具有更好的強度和耐磨性，因此可以承受更大的切削力，在車削時可適當的加深背吃刀量，提高加工效率。另一方面圓頭形螺紋車刀在加工異形螺紋時能更好地起到異形曲面光滑過渡的效果。
5． 2 異形螺紋車刀刀頭圓弧大小的確定
理論上，異形螺紋車刀刀頭圓弧半徑因小于所加工異形螺紋面最小曲率半徑，否則大于最小曲率半徑將產生過切現象。在實際加工中，車異形螺紋的螺紋車刀刀頭為圓弧形，加工時若車刀圓頭半徑增大，其接觸面積隨之增大，至使徑向切削力過大，車削時易出現扎刀現象，若圓頭半徑太小又將影響刀具強度和刀具耐用度。通過多次試驗，總結出車該異形螺紋工件時車刀的刀頭圓弧半徑取 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) 所示。
5． 3 異形螺紋車刀角度的選取
異形螺紋車刀角度如圖 5( b) 所示。徑向前角取 5° ～ 10°，徑向后角取 6° ～ 8°，兩側后角進刀方向為( 10° ～ 12°) + ψ，背進刀方向為( 6° ～ 8°) － ψ。
5． 4 螺紋車刀的安裝
異形螺紋車刀的安裝與普通三角螺紋車刀的安裝相似，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，然后車刀刀尖角的對稱中心線與工件軸線垂直，另外刀頭伸出不要過長，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
由于異形螺紋車刀刀頭為圓弧形，所以切削異形螺紋曲面時，會因工件與刀具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徑補償，否則將影響加工精度。從圖 6 中可以看出，理論上刀具切削時刀尖運動軌跡是刀尖 A 的軌跡 ( 圖中 P1→A2—A3…→P2) 。但是，車削時實際起切削作用的是刀尖圓弧的各切點，因此車出的工件實際表面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，在這種情況下就必須考慮刀尖圓弧半徑對異形螺紋曲面形狀的影響。現以 FANUC 0i MATE － TD 為例刀具半徑補償指為: G40 為取消刀具半徑補償指令，G41 為刀具半徑左補償指令，G42 為刀具半徑右補償指令。
圖 6 異形螺紋加工時刀頭圓弧的影響
6 、程序設計思路
由于異形螺紋面為橢圓面，考慮借助于宏程序功能，設橢圓曲線、所包絡的角度為變量，X，Z 值為自變量，用直線段逼近輪廓曲線的方法完成螺紋面加工，再與 G32 指令結合最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面的幾何圖形，其加工長度為7. 4 mm。a = 3． 5 mm，b = 4． 5 mm。
6． 2 程序設計
如圖 8 所示宏程序加工異形螺紋流程，首先為螺紋參數初賦值，用 G32 作為螺紋加工指令，設螺紋曲面 Z 向長度作為條件判斷依據，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。跳出程序螺紋加工完畢。
圖 7 橢圓幾何圖形
圖 8 宏程序加工異形螺紋流程圖
7 、加工程序編制及應用
使用 FANUC 0i MATE － TD 系統數控車床，只加工橢圓異形螺紋部分，程序如表 1。
表 1 主程序: O0001
加工異形螺紋零件成型后如圖 1 所示。程序中只要改變X 方向的初始值，即可完成異形螺紋的粗精加工，本例為精加工程序。作為粗、精加工的參數設置，應根據工件的材料、異形螺紋的表面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完畢，且通過了首件試制加工。
8、 結語
上述程序結構簡單，具備循環加工的特點，適合用 G92、G76 指令直接編程比較困難和用 CAM 軟件編程也不能實現加工的異形螺紋，只要異形螺紋曲面曲線能用數學表達式表達，均可利用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紋，通用性、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于加工的問題，除保證了加工后異形螺紋質量符合圖樣要求外，還大幅減輕了操作者的勞動強度。
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