變導程螺桿加工的通用宏程序設計
2018-5-8 來源： 廣東省機械技師學院 作者：謝曉紅
摘 要：變導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，牙型螺距在發生變化，生產中常用的螺紋編程功能和 CAD/CAM 編程軟件不能實現加工。針對該類螺紋加工復雜且困難的特點，提出了在數控車削中使用宏程序的加工方法。通過分析變導程螺桿的結構特點，以及螺紋牙型分析，基于 FANUC-OTB 數控系統，采用增量逼近包絡線成形的工藝方法，設計了加工變導程傳動螺紋加工的通用宏程序，同時分析了螺紋加工時的加工精度和工藝問題。通過使用宏程序模板和改變螺紋參數的變量值，用戶采用普通車刀，可以加工不同直徑和螺距的傳動螺紋外螺紋。
關鍵詞：變導程螺桿；數控車削；流程圖；通用宏程序
1 、引言
異型螺桿是壓縮機、冷凍機、注塑機、自動包裝線等設備的關鍵性基礎零件，廣泛應用于工業生產的各個領域，螺桿的加工質量直接影響這些設備的性能。但異型螺桿存在加工困難的弱點，制約了其應用。
目前，異型螺桿特別是各種規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床上實現，普通機床和經濟型數控機床一般都不具備加工異型螺桿的功能，而這些專用機床則基本上依賴進口。
為此提出了在常用數控系統配置的普通數控車床上，采用宏程序指令編制變導程螺桿類零件，解決變導程異形螺桿的復雜數控編程問題，用戶（程序員）可以借鑒或直接調用供數控車削實際加工。
2 、變導程螺桿加工數控編程分析
2.1 數控編程應用分析
數控加工程序的編制方法主要是手工編制程序和自動編制兩種方法。盡管 CAD/CAM 自動編程在復雜形狀零件以及在三維曲面加工中日趨普及，但是對于機械零件中一些很特殊零件的應用，采用 CAD/CAM 軟件自動編程不一定能輕易地解決，例如鋸齒形螺紋、變導程螺紋和大導程梯形螺紋的加工等，不可能采用成型刀具通過 CAM 軟件自動編程完成螺紋加工，同時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。
針對機械類特殊零件的編程與加工，國內外大部分數控系統提供了用戶宏程序功能，例如 FANUC 和 SIEMENS 數控系統，用戶可以對數控系統進行一定的功能擴展（對用戶的開放），使用變量編程，即宏程序的運用，使用戶（程序員）可以在數控系統的平臺上進行二次開發，進行模塊化加工程序設計。
2.2 變導程螺桿宏程序設計主要內容
變導程螺桿加工屬于工程實踐項目，來自于通過普通數控車床如何解決特殊螺紋加工的技術應用問題。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程，如圖 1 所示。
一種是牙等寬槽變導程，如圖 2 所示。用一定寬度的成形螺紋刀，加工變導程螺紋，槽寬相等較能夠保證，若保證牙寬相等就不易操作。通過牙等寬槽變導程螺桿加工的程序設計為案例，基于 FANUC數控系統宏程序的應用，在數控車床上通過變量編程進行程序二次開發設計，重點解決變導程螺桿特殊螺紋件的加工方案以及宏程序流程圖設計，編制模塊化宏程序加工不同尺寸的變導程螺紋，解決通用數控車床加工異形、復雜螺紋零件的技術難題。
3 、變導程螺桿通用宏程序設計
3.1 勻變導程螺桿加工工藝分析
牙等寬槽變距螺桿的基本尺寸標注，其具體尺寸可通過實際零件的尺寸標注給出，如圖 3 所示。假設螺桿外徑及螺紋退刀槽都已加工完成，采用一夾頂裝夾，本工序只分析變導程螺紋部分的加工工藝與宏程序設計。
3.1.1 刀具選用
由于螺桿螺紋左右兩側面對稱，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°）。螺桿兩側牙根均為R 角倒圓相切，為考慮程序設計的通用性，精車刀仍選用牙型角30°的標準梯形螺紋車刀（一般沒有帶帶較大 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 個螺紋的牙槽底寬。
3.1.2 螺紋成形工藝分析與走刀路線設計
（1）螺紋成型工藝分析
根據變導程螺桿零件結構特點，由于螺紋兩牙側面對稱，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給法，通過逐次調整軸向左右和徑向的進給深度，在工件表面加工 N 條螺紋，用 N 條螺紋包絡形成帶倒圓角梯形螺紋的牙型。
同時為提高生產效率，可以將切削分為粗加工和精加工兩個工序來完成。粗加工主要完成螺紋牙型輪廓當中大余量的切削，在本工序中不涉及螺紋牙型精度，加工中循環進給步距可以適當放大，以提高生產效率；精加工主要完成螺紋牙型輪廓的形成，直接關系到螺紋的精度，加工中循環進給的步距可適當減小，以提高螺紋精度。
（2）走刀路線設計
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給切削至保留精加工余量；再從中間橫向下刀切削，如此反復直至牙底；最后對螺紋兩側面進行精加工。
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題；其次，由于槽寬勻變距增加，如何保證在加工過程中后一個螺紋牙槽寬比前一個螺紋牙槽寬增加 ΔP，是加工中必須突破的工藝難點。
因此為保證勻變距槽寬，實現進給迭代和加工循環，在分層進行左右進給車削，需同時改變 G34 指令中導程數值，由于螺紋起刀點從牙型中間向左分 N 次進給時，G34 指令中導程將逐次增加螺距，反之，向右分 N 次進給時，G34 指令中導程將逐次減少螺距，才能確保第二個牙槽寬比第一個牙槽寬增加勻變距量。
3.2 通用宏程序設計
3.2.1 螺紋加工輪廓計算
根據螺紋加工走刀路線，要實現進給迭代和加工循環，需要定義變量和進行牙型邊界的邏輯判斷，需要計算牙型輪廓的曲線方程。己知螺桿牙型基本參數為：公稱直徑 d，中徑略，底徑，牙深，牙頂寬，第一個牙槽寬，基本螺距 P，螺距勻變量 ΔP，根部圓角半徑，螺紋加工長度等，如圖 3 所示。
3.2.2 變量設置
本設計采用 FANUC 0TB 數控系統，有關勻變導程螺桿宏程序設計的尺寸變量賦值，如表 1 所示。
表 1 通用宏程序設計時變量賦值
3.2.3 螺桿加工程序設計流程
（1）粗加工程序設計思路。
采用分層切削、左右進給法，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給畏削至保留精加工余量；接著再從中間橫向下刀車削，如此反復直至牙底。程序設計流程，如圖7 所示。
（2）精加工程序設計流程。
刀具從螺紋牙底中間起刀，分別沿螺紋左右兩側面輪廓進行精加工，設計流程，如圖 8 所示。
（3）二級子程序設計流程。
螺紋加工時縱向、橫向進給采用二級子程序套用的方式編程。第一級子程序，主要控制刀具橫向和縱向進給的判斷和數值計算，橫向進給時，以刀具的下刀切削后的待切削深度作為判斷依據，每次橫向下刀量為增量；縱向進給時，以刀具縱向偏移量與當前層最大偏移量比較作為判斷依據，每次縱向進刀量為增量。二級子程序進行螺紋切削，以中線為基準，左右偏置進給切削。流程圖設計，如圖 9、圖 10所示。
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粗加工中刀具半徑補償值來控制。例如，實際刀尖圓角 R=0．2，刀具設置 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的方法形成的，循環進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，粗加工分層進給的步距可適當放大，但并非越大越好，步距太大，刀具的強度、壽命，工件的振動等問題突現。精加工循環進給的步距可適當放小，但并非越小越好，步距太小，刀具可能會在工件表面產生“爬行”現象，對工件不是刀削而是擠壓和切削并存，反而影響加工質量。
4 、結論
（1）方案設計的可適應性和通用性。與常規加工方法（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計加工宏程序，精加工采用標準牙型梯形螺紋車刀（市場上有大量成型梯形螺紋車刀）設計加工宏程序，可以提高粗車時生產效率，保證精加工兩側表面質量和牙型精度，因此在普通數控車床上采用一般刀具就可以完成變導程螺桿的加工。
（2）方案設計的可推廣性和參考性。通過加工驗證，通用宏程序能加工不同規格的大導程異形螺紋。推而廣之，利用宏程序的變量定義、邏輯判斷、循環指令調用等功能，用增量逼近包絡線成型的工藝方法加工常規編程難以加工的特殊機械零件。
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