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       摘 要：變導(dǎo)程螺桿螺紋形狀比較特殊，螺紋牙型深度和寬度比普通螺紋大很多，牙型螺距在發(fā)生變化，生產(chǎn)中常用的螺紋編程功能和 CAD/CAM 編程軟件不能實(shí)現(xiàn)加工。針對(duì)該類螺紋加工復(fù)雜且困難的特點(diǎn)，提出了在數(shù)控車削中使用宏程序的加工方法。通過(guò)分析變導(dǎo)程螺桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及螺紋牙型分析，基于 FANUC-OTB 數(shù)控系統(tǒng)，采用增量逼近包絡(luò)線成形的工藝方法，設(shè)計(jì)了加工變導(dǎo)程傳動(dòng)螺紋加工的通用宏程序，同時(shí)分析了螺紋加工時(shí)的加工精度和工藝問(wèn)題。通過(guò)使用宏程序模板和改變螺紋參數(shù)的變量值，用戶采用普通車刀，可以加工不同直徑和螺距的傳動(dòng)螺紋外螺紋。
 
      關(guān)鍵詞：變導(dǎo)程螺桿；數(shù)控車削；流程圖；通用宏程序
 
      1 、引言
 
      異型螺桿是壓縮機(jī)、冷凍機(jī)、注塑機(jī)、自動(dòng)包裝線等設(shè)備的關(guān)鍵性基礎(chǔ)零件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，螺桿的加工質(zhì)量直接影響這些設(shè)備的性能。但異型螺桿存在加工困難的弱點(diǎn)，制約了其應(yīng)用。目前，異型螺桿特別是各種規(guī)格的異型螺桿和普通螺桿的一次性混合加工通常在專用機(jī)床上實(shí)現(xiàn)，普通機(jī)床和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般都不具備加工異型螺桿的功能，而這些專用機(jī)床則基本上依賴進(jìn)口。為此提出了在常用數(shù)控系統(tǒng)配置的普數(shù)控車床上，采用宏程序指令編制變導(dǎo)程螺桿類零件，解決變導(dǎo)程異形螺桿的復(fù)雜數(shù)控編程問(wèn)題，用戶（程序員）可以借鑒或直接調(diào)用供數(shù)控車削實(shí)際加工。
 
      2 、變導(dǎo)程螺桿加工數(shù)控編程分析
 
      2.1 數(shù)控編程應(yīng)用分析
 
      數(shù)控加工程序的編制方法主要是手工編制程序和自動(dòng)編制兩種方法。盡管 CAD/CAM 自動(dòng)編程在復(fù)雜形狀零件以及在三維曲面加工中日趨普及，但是對(duì)于機(jī)械零件中一些很特殊零件的應(yīng)用，采用 CAD/CAM 軟件自動(dòng)編程不一定能輕易地解決，例如鋸齒形螺紋、變導(dǎo)程螺紋和大導(dǎo)程梯形螺紋的加工等，不可能采用成型刀具通過(guò) CAM 軟件自動(dòng)編程完成螺紋加工，同時(shí)手工編程的普通程序指令滿足不了該類零件的編程與加工。針對(duì)機(jī)械類特殊零件的編程與加工，國(guó)內(nèi)外大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)提供了用戶宏程序功能，例如 FANUC 和 SIEMENS 數(shù)控系統(tǒng)，用戶可以對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行一定的功能擴(kuò)展（對(duì)用戶的開(kāi)放），使用變量編程，即宏程序的運(yùn)用，使用戶（程序員）可以在數(shù)控系統(tǒng)的平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)行模塊化加工程序設(shè)計(jì)。
 
      2.2 變導(dǎo)程螺桿宏程序設(shè)計(jì)主要內(nèi)容
 
      變導(dǎo)程螺桿加工屬于工程實(shí)踐項(xiàng)目，來(lái)自于通過(guò)普通數(shù)控車床如何解決特殊螺紋加工的技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題。勻變程螺桿的兩種情況，如圖 1、圖 2 所示。一種是槽等寬牙變導(dǎo)程，如圖 1 所示。一種是牙等寬槽變導(dǎo)程，如圖 2 所示。用一定寬度的成形螺紋刀，加工變導(dǎo)程螺紋，槽寬相等較能夠保證，若保證牙寬相等就不易操作。通過(guò)牙等寬槽變導(dǎo)程螺桿加工的程序設(shè)計(jì)為案例，基于 FANUC數(shù)控系統(tǒng)宏程序的應(yīng)用，在數(shù)控車床上通過(guò)變量編程進(jìn)行程序二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)解決變導(dǎo)程螺桿特殊螺紋件的加工方案以及宏程序流程圖設(shè)計(jì)，編制模塊化宏程序加工不同尺寸的變導(dǎo)程螺紋，解決通用數(shù)控車床加工異形、復(fù)雜螺紋零件的技術(shù)難題。
 

                                 圖 1 槽等寬牙變距螺桿

     
  
                               圖 2 牙等寬槽變距螺桿
 
      3、 變導(dǎo)程螺桿通用宏程序設(shè)計(jì)
 
      3.1 勻變導(dǎo)程螺桿加工工藝分析
 
      牙等寬槽變距螺桿的基本尺寸標(biāo)注，其具體尺寸可通過(guò)實(shí)際零件的尺寸標(biāo)注給出，如圖 3 所示。假設(shè)螺桿外徑及螺紋退刀槽都已加工完成，采用一夾頂裝夾，本工序只分析變導(dǎo)程螺紋部分的加工工藝與宏程序設(shè)計(jì)。

       
                        圖 3 螺桿牙型及編程坐標(biāo)系

               
                     圖 4 梯形螺紋粗、精車刀
 

      3.1.1 刀具選用
 
      由于螺桿螺紋左右兩側(cè)面對(duì)稱，均為 15°斜角，粗車刀使用牙型角（28～ 29）°梯形螺紋車刀（牙型角 30°）。螺桿兩側(cè)牙根均為R 角倒圓相切，為考慮程序設(shè)計(jì)的通用性，精車刀仍選用牙型角30°的標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋車刀（一般沒(méi)有帶帶較大 R 角的成型梯形螺紋車刀），如圖 4 所示。車刀的刀頭寬一定要小于第 1 個(gè)螺紋的牙槽底寬。
 
       3.1.2 螺紋成形工藝分析與走刀路線設(shè)計(jì)
 
      （1）螺紋成型工藝分析。根據(jù)變導(dǎo)程螺桿零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于螺紋兩牙側(cè)面對(duì)稱，可以借鑒范成法加工齒輪的工藝思路，采用分層切削和左右進(jìn)給法，通過(guò)逐次調(diào)整軸向左右和徑向的進(jìn)給深度，在工件表面加工 N 條螺紋，用 N 條螺紋包絡(luò)形成帶倒圓角梯形螺紋的牙型。同時(shí)為提高生產(chǎn)效率，可以將切削分為粗加工和精加工兩個(gè)工序來(lái)完成。粗加工主要完成螺紋牙型輪廓當(dāng)中大余量的切削，在本工序中不涉及螺紋牙型精度，加工中循環(huán)進(jìn)給步距可以適當(dāng)放大，以提高生產(chǎn)效率；精加工主要完成螺紋牙型輪廓的形成，直接關(guān)系到螺紋的精度，加工中循環(huán)進(jìn)給的步距可適當(dāng)減小，以提高螺紋精度。
      （2）走刀路線設(shè)計(jì)。先從螺紋牙型中間橫向下刀一定深度，切削螺紋；然后再往兩邊縱向進(jìn)給切削至保留精加工余量；再?gòu)闹虚g橫向下刀切削，如此反復(fù)直至牙底；最后對(duì)螺紋兩側(cè)面進(jìn)行精加工。粗精加工路線示意圖，如圖 5、圖 6 所示。
      （3）工藝難點(diǎn)的解決。由于使用的刀具為普通梯形刀具，螺紋根部牙形不能通過(guò)刀具形狀保證，所以，如何正確保證螺紋的牙型是加工中較為突出的工藝問(wèn)題；其次，由于槽寬勻變距增加，如何保證在加工過(guò)程中后一個(gè)螺紋牙槽寬比前一個(gè)螺紋牙槽寬增加 ΔP，是加工中必須突破的工藝難點(diǎn)。因此為保證勻變距槽寬，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給迭代和加工循環(huán)，在分層進(jìn)行左右進(jìn)給車削，需同時(shí)改變 G34 指令中導(dǎo)程數(shù)值，由于螺紋起刀點(diǎn)從牙型中間向左分 N 次進(jìn)給時(shí)，G34 指令中導(dǎo)程將逐次增加螺距，反之，向右分 N 次進(jìn)給時(shí)，G34 指令中導(dǎo)程將逐次減少螺距，才能確保第二個(gè)牙槽寬比第一個(gè)牙槽寬增加勻變距量。

                            圖 5 粗加工路線     圖 6 精加工路線
 
      3.2 通用宏程序設(shè)計(jì)
 
      3.2.1 螺紋加工輪廓計(jì)算
 
      根據(jù)螺紋加工走刀路線，要實(shí)現(xiàn)進(jìn)給迭代和加工循環(huán)，需要定義變量和進(jìn)行牙型邊界的邏輯判斷，需要計(jì)算牙型輪廓的曲線方程。己知螺桿牙型基本參數(shù)為：公稱直徑 d，中徑略，底徑，牙深，牙頂寬，第一個(gè)牙槽寬，基本螺距 P，螺距勻變量 ΔP，根部圓角半徑，螺紋加工長(zhǎng)度等，如圖 3 所示。

      3.2.2 變量設(shè)置
 
      本設(shè)計(jì)采用 FANUC 0TB 數(shù)控系統(tǒng)，有關(guān)勻變導(dǎo)程螺桿宏程序設(shè)計(jì)的尺寸變量賦值，如表 1 所示。

                          表 1 通用宏程序設(shè)計(jì)時(shí)變量賦值

     
   
      3.2.3 螺桿加工程序設(shè)計(jì)流程
 
      （1）粗加工程序設(shè)計(jì)思路。采用分層切削、左右進(jìn)給法，使用寬度窄的普通梯形螺紋車刀，先從牙型中間橫向下刀一定深度，車削螺紋；然后再往兩邊縱向進(jìn)給畏削至保留精加工余量；接著再?gòu)闹虚g橫向下刀車削，如此反復(fù)直至牙底。程序設(shè)計(jì)流程，如圖7 所示。
 
      （2）精加工程序設(shè)計(jì)流程。刀具從螺紋牙底中間起刀，分別沿螺紋左右兩側(cè)面輪廓進(jìn)行精加工，設(shè)計(jì)流程，如圖 8 所示。

                        
                                圖 7 粗加工程序設(shè)計(jì)流程圖
  
  

                    
                               圖 8 精加工程序設(shè)計(jì)流程圖
 
   
      （3）二級(jí)子程序設(shè)計(jì)流程。螺紋加工時(shí)縱向、橫向進(jìn)給采用二級(jí)子程序套用的方式編程。第一級(jí)子程序，主要控制刀具橫向和縱向進(jìn)給的判斷和數(shù)值計(jì)算，橫向進(jìn)給時(shí)，以刀具的下刀切削后的待切削深度作為判斷依據(jù)，每次橫向下刀量為增量；縱向進(jìn)給時(shí)，以刀具縱向偏移量與當(dāng)前層最大偏移量比較作為判斷依據(jù)，每次縱向進(jìn)刀量為增量。二級(jí)子程序進(jìn)行螺紋切削，以中線為基準(zhǔn)，左右偏置進(jìn)給切削。流程圖設(shè)計(jì)，如圖 9、圖 10 所示。
  

                       
  
                            圖 9 0003 號(hào)一級(jí)子程序設(shè)計(jì)流程圖
 

                             圖 10 0004 號(hào)二級(jí)子程序設(shè)計(jì)流程圖
   
      3.3 零件加工工藝與精度分析
 
     （1）粗加工的刀具軌跡都是按螺紋輪廓編程的，精加工余量也可以通過(guò)粗加工中刀具半徑補(bǔ)償值來(lái)控制。例如，實(shí)際刀尖圓角 R=0．2，刀具設(shè)置 R=0．4，以留出精加工余量。
 
     （2）由于粗加工螺紋輪廓是采用增量接近螺紋線包絡(luò)的方法形成的，循環(huán)進(jìn)給增量的大小將影響輪廓的形狀誤差和表面光潔度。采用帶刀尖圓角的刀具，將減少切削的殘留高度。
 
     （3）由于采用分層、左右切削法，粗加工分層進(jìn)給的步距可適當(dāng)放大，但并非越大越好，步距太大，刀具的強(qiáng)度、壽命，工件的振動(dòng)等問(wèn)題突現(xiàn)。精加工循環(huán)進(jìn)給的步距可適當(dāng)放小，但并非越小越好，步距太小，刀具可能會(huì)在工件表面產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象，對(duì)工件不是刀削而是擠壓和切削并存，反而影響加工質(zhì)量。
 
      4 、結(jié)論
 
     （1）方案設(shè)計(jì)的可適應(yīng)性和通用性。與常規(guī)加工方法（成形刀具法）相比，由于粗車刀采用了刀尖角小于牙型角的普通刀具設(shè)計(jì)加工宏程序，精加工采用標(biāo)準(zhǔn)牙型梯形螺紋車刀（市場(chǎng)上有大量成型梯形螺紋車刀）設(shè)計(jì)加工宏程序，可以提高粗車時(shí)生產(chǎn)效率，保證精加工兩側(cè)表面質(zhì)量和牙型精度，因此在普通數(shù)控車床上采用一般刀具就可以完成變導(dǎo)程螺桿的加工。
 
     （2）方案設(shè)計(jì)的可推廣性和參考性。通過(guò)加工驗(yàn)證，通用宏程序能加工不同規(guī)格的大導(dǎo)程異形螺紋。推而廣之，利用宏程序的變量定義、邏輯判斷、循環(huán)指令調(diào)用等功能，用增量逼近包絡(luò)線成型的工藝方法加工常規(guī)編程難以加工的特殊機(jī)械零件。