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基於宏程序車削變槽寬變導程複雜螺紋的研（yán）究

2018-11-26 來源（yuán）：河北師（shī）範大學職業技術學院作者：劉春利

摘要: 變導程螺紋雖然應用廣泛（fàn），但其加工效率和加工質量一直是個共性難題，尤其是變槽寬變導程螺（luó）紋的（de）加（jiā）工更是難之又難。文中（zhōng）在對（duì）變導程螺紋的螺旋線（xiàn）進（jìn）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（qiǎo）妙利（lì）用宏程序（xù）優越（yuè）功能準確快速地車（chē）削完成（chéng）變（biàn）槽寬變導程螺紋，最終高質量高效率事半功倍地完成複（fù）雜變（biàn）導程螺紋的加工

關鍵詞: 數學建模; 宏程序; 車削; 變導程螺紋

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（chuán）輸機械、飲料擠壓機械、飼料（liào）機械、船舶上的變導程（chéng）螺旋（xuán）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（zhèn）器等方麵都（dōu）有關鍵的應用（yòng）。

變導程（chéng）螺紋雖然應（yīng）用廣泛，但其加工一直是個（gè）難題。以前的加工方式通常（cháng）是在普通車（chē）床裝夾一（yī）套輔助裝（zhuāng）置 ( 凸輪變速機構) 實現變速加工，雖然能保證精度，但要求操作工人技（jì）術嫻熟，設計成本較高，調速增量較麻煩（fán），出現加工質量和效率低的狀況，尤其是（shì）變槽寬變導程螺紋的加工更（gèng）是難之又（yòu）難，幾（jǐ）乎普（pǔ）通車床無法加工。

在國內對變（biàn）導程螺紋螺旋副的（de）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（chuán）動（dòng）機構的傳動效率進行了評價分析，CHIO］對變（biàn）導程螺旋傳動的動態特性從理（lǐ）論上進行了分析（xī）。文中主要針對（duì）變槽寬變導程螺紋（wén）螺（luó）旋線進行數學建（jiàn）模，同（tóng）時利（lì）用（yòng）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究。

1 、變導程螺紋（wén）螺（luó）旋線的建模

航空航天火箭發動機內壁外表麵上的螺旋槽的中心線是變槽寬變導（dǎo）程螺旋線，在數（shù）控機（jī）床加工此類複雜螺（luó）旋（xuán）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（mó）型，否則無法編製其加工程（chéng）序。

1. 1 螺旋線的數學模型

如圖（tú） 1 所示，動點 M 位於動係的 x 軸上 ( Ｒ，0，0) ，動係 z 軸繞定係 Z 軸勻速旋轉，動係原點 O 沿 oz軸作變速直線（xiàn）運動，測動點的軌跡為變導程圓柱（zhù）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

變導（dǎo）程螺紋（wén）的表麵是一個螺旋麵（miàn），加工時螺（luó）紋車刀切（qiē）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，縱坐標為導程（chéng） ( 螺距) ，由於（yú）是變（biàn）導程螺旋線，相鄰圓周直（zhí）線段的斜率不同（tóng），每一直線段的升角增量為 Δα，其數值經螺旋線（xiàn）的數學模型（xíng）公式推導為:

圖 2 圓周方向展開後的螺旋線

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

因此，可看出整個變螺距螺紋螺旋（xuán）線是由兩組相（xiàng）交曲線（xiàn）組成。因此對於（yú）變槽寬變導程螺旋線（xiàn）螺紋（wén）加工（gōng），必須在過渡處修正。

2 、數控車床及宏程序指令

數控車床是綜合應用計算機、自動控製、自（zì）動檢測及精密機械（xiè）等高新（xīn）技術的產（chǎn）物，是（shì）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（zì）動化程度高、減輕操（cāo）作工人的體力勞動強度、大大提高生產效率、能完成普通車床難以加工（gōng）或根（gēn）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而形成的加工程序，在數控車床提供兩類用戶宏程序，即 A 類宏程（chéng）序和 B類宏程序。它可（kě）以通過靈活運用各種算術和邏輯（jí）運（yùn）算、轉移和循環（huán）等命令（lìng），實現對程序段流（liú）向的控（kòng）製，隻要變更變量的不（bú）同賦值即可完成不同零件的加工。用戶宏程（chéng）序與普通程序的區（qū）別在於（yú）: 在普通程序中，隻能指定常量，常量之（zhī）間不能運算，程序隻能順序執行，不能（néng）跳轉，因此功能是固定（dìng）的，不能（néng）變化。

而在用戶宏程序本體（tǐ）中，能使用變量，可以給變量賦值，變量間可以運算，程序可以跳轉; 變導程螺（luó）紋的加工就是充分利用了宏程序這一特點來加工完成的。

3 、FANUC 係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（qiē）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（shí），有（yǒu）效的螺紋終點在工件上的坐標係中的坐標值; U、W 是增量編程時，有效螺紋終點相對於螺紋起點的增量; F 是螺紋起點的導程; K 是螺紋導程的變化量，其增（zēng） ( 減（jiǎn）) 量的範圍，在係統（tǒng）參數中設定。采用普通方式編程（chéng）編製加工變（biàn）導程螺（luó）紋的程序非常繁瑣（suǒ），尤其是對於雙變（biàn）複雜螺紋編製過程中常常出現諸多困難，此時，可以充分（fèn）應用 FANUC 係統數控車（chē）床的宏程序功能。

4 、變槽寬變導程複雜螺紋加工實（shí）例

變導程螺紋（wén）是（shì）指槽寬或牙（yá）寬均勻（yún）性按等差數列變化的特殊型螺紋（wén）。根據實際需要主要有 3 種形式（shì）: 第一種是指槽寬不變而牙寬均勻性變（biàn）化的變導程螺紋( 見圖 3) ，第（dì）二種是指牙寬不變槽（cáo）寬均勻性變化的變導程螺（luó）紋（wén） ( 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（bǐ）較常見的，關於這兩種的加工相關論文較多，這裏不再贅述，我們重點研究第三種複雜螺紋的車削加工。

圖 3 等槽變牙寬變導程螺紋

圖 4 等牙寬變導程螺紋

圖 5 變槽寬變牙寬變（biàn）導（dǎo）程（chéng）螺紋

下麵以 FANUC 係統數控車床加（jiā）工圖 5 變槽寬變（biàn）牙寬為（wéi）例（lì）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) 。加工第一（yī）步後，等槽寬為 4mm，牙寬分別為 3、5、7、9、11、13，比圖 5牙寬分別增加 0、1、2、3、4、5，恰好（hǎo）為槽寬應該（gāi）增加的部分，因（yīn）此我們進行的第二步是（shì）用螺紋刀將多餘牙寬為 0、1、2、3、4、5 切削成槽寬（kuān）即（jí）可，這（zhè）一（yī）步為了簡化（huà）程序編寫，我們（men）引用子程序。

第三步（bù）是調（diào）用帶有修（xiū）正功能的精車刀修正前兩步粗車加工的（de）變導程螺紋，由於此時的螺紋刀（dāo）要一步步進行對前兩步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（fèn）析，使用宏程序要引入 3 個變（biàn）量，即除了一個 X 方向的進給量［#1］切削深度為 0. 15 mm，一個 Z 向的導程步進增加量［#2］為 0. 2 mm，還需設置一（yī）個槽寬每次（cì）增加量［#3］為 1 mm。

圖 6 圖（tú） 5 第一（yī）步加工後的（de）變導程螺紋

5 、結束語

從上例編程實例可知，用數控車床加工（gōng）變槽寬變（biàn）導程螺紋時，將宏程（chéng）序的（de）優越功能巧妙地運用到車削複雜的變導程（chéng）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，同時可隨時根據圖紙加工尺（chǐ）寸改變（biàn）宏程序變量，準確地完成複雜（zá）變導程螺紋的加工，能很迅速解決其加工效率和精度低的問題，保證加工質量。

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