宏程序在異形螺紋（wén）車削中的應（yīng）用
2020-4-9 來源（yuán）： 中車株洲電力（lì）機車有（yǒu）限公司 作者：劉 輝，熊（xióng）文華
摘要: 隨（suí）著科學技術和社會（huì）生產的（de）不（bú）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（de）代表。一般的螺紋切削指令 G32 和螺紋切削循環 G92、G76 等加工（gōng）指令適用於常用的螺紋（wén）加工，而不能滿足異形螺（luó）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（de）車削加工，並（bìng）重點介紹了有（yǒu）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（cí）: 數控編程; 宏程序; 刀（dāo）具; 異形（xíng）螺紋（wén）
1 、概述
螺紋在各（gè）種機器中應用非（fēi）常（cháng）廣泛（fàn），常用的螺紋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，如果螺紋的（de）牙型是圓（yuán）弧、橢圓曲麵、拋物線或雙（shuāng）曲線等規則曲線，由這些曲線組合而成的不規則形狀的螺（luó）紋，本文稱異形螺紋。這類（lèi）型的螺紋加工時，應用傳統的螺紋指令編程是不能完成的（de），如果用 CAM 軟件編程也不能實現異形螺（luó）紋的車削加（jiā）工。由於異形螺紋牙形形狀不定，無標準刀具，隻能借助一般刀具來（lái）加工，這就給編程帶來不便，利用宏程序功（gōng）能，建立合理的數（shù）學模型就能（néng）很好解決這一難題。本文重點簡述螺紋牙（yá）型為橢圓曲麵的（de）異形螺紋車削方法和加工刀具（jù）的設計（jì）及加工程序的編製，零件（jiàn）圖如圖 1 所示。
圖 1 異形螺紋（wén）零件
2 、對異形螺紋的分析
在型號為 CK6140 數（shù）控車床上加（jiā）工（gōng）此類異形螺紋件，由（yóu）於螺紋的牙槽是（shì）一個橢圓形，同時經（jīng）過分（fèn）析，橢圓的長半軸尺寸為 4． 5 mm，短半軸尺寸為 3． 5 mm，牙底（dǐ）直（zhí）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（jìn）行車削工藝分析，加工中存在的難（nán）點，表現以下幾個方麵。
1) 該（gāi）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（chǐ）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。
分析以上因素，決定擬定一條合理的工藝加工（gōng）路線（xiàn），減（jiǎn）少裝夾次數，采用三爪自定心卡盤夾持工件和鑽中心孔，用後頂尖頂住工件成一夾（jiá）一頂裝（zhuāng）夾（jiá）。把加工順序及走刀路線集中分（fèn）配，不僅（jǐn）利 於 車削加工、還保證了（le）尺寸精度等技術要 的（de）目的。
2) 該異形螺（luó）紋牙槽是（shì）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（de），根據理論刀尖點 A 來編（biān）程，如圖 2 所示，那（nà）麽車削時，實（shí）際起作用的切削刃是圓（yuán）弧各切（qiē）點，這樣就會產生加（jiā）工表麵的形狀誤差（chà），它對圓柱麵（miàn）和端麵（miàn）加工沒有影響，但在車削錐麵、圓（yuán）弧麵、橢圓等曲麵時（shí），會造成過切現象，會造成異形螺（luó）紋的牙槽底部大於圖紙要求。
圖 2 刀（dāo）尖圓弧和刀尖理論點
分析異形螺紋加工刀具，決定（dìng）將異形螺紋車刀刀頭形狀（zhuàng）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（xíng）曲麵的光滑過渡，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，螺紋車刀刀頭圓弧半徑因小於（yú）所加工螺紋麵最小曲率半徑。在刀具角度的選擇及安裝時，都應合理，反之，則（zé）會直接影響螺紋的加工精度。
3) 由於異形螺紋（wén）麵為橢圓麵，一般的螺紋切削指令不能滿足異（yì）形螺紋的車削，所以編製異形螺紋加工程序是關鍵。分析（xī）考慮，隻能借助於宏程序功能，設橢圓曲線、所包絡的角度為變量，X，Z 值為自變量，用直線段逼近輪廓曲線的方法（fǎ）完成螺紋麵（miàn）加工，再與 G32 指令巧妙結合，最終完成異（yì）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（chéng）序其實質與子程序相似，它是把一（yī）組實（shí）現某（mǒu）種（zhǒng）功能的指令，以子程序的形式事先存儲在係（xì）統存儲器中，並通過主程序（xù）中的宏程序調用並執行這（zhè）組程（chéng）序。
宏程序與普通程（chéng）序相比較，一般程（chéng）序的程序字（zì）為常量，一個程序（xù）隻能描述一個幾何形狀，所以缺乏靈活性。而用戶（hù）宏程序主體中可（kě）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（biàn）量之間的運算（suàn）等（děng）處理，從而可以使用宏程序執行一些有規（guī）律變化的動作。
以 FANUC 0i MATE － TD 係統（tǒng）數控車床為例，用來（lái）加工螺（luó）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（luó）紋（wén）切（qiē）削複合循環指令) 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（shì）。其進刀方式不一樣，加工的效果也不（bú）一樣，人們在加（jiā）工螺矩較小的螺紋時往往用 G92 指令進行（háng）編程，較大螺矩的螺紋時用G76 指令編程。然而在沒有異形曲麵成型（xíng）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（yì）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（xù）的編製，對於橢圓麵部（bù）分，可以使用逐點計算法計算出其曲麵上的點，然後再進行程序編輯，但其（qí）計（jì）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（shì），沿異形曲麵（miàn）斜插式進刀。不僅可以完（wán）成對異形螺紋加工（gōng），而且計算量（liàng）較（jiào）小，程序編輯相對簡單。
圖 3 螺（luó）紋切削進刀方式
4、 異形螺紋零件圖分析及（jí）加工路線的確定
4． 1 異形螺紋零件分析
如圖 1 所示，該零（líng）件表麵由外圓柱、普通螺紋、橢圓牙形螺紋和退刀槽組成（chéng）。其中圓柱尺（chǐ）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（qí）餘長度方向和退刀槽並（bìng）沒有較（jiào）嚴格的尺（chǐ）寸精度和表麵粗糙度要求，尺寸標注完整，輪廓描述清楚，零（líng）件材料為（wéi） 45#鋼，無熱處理和硬度（dù）要求。
4． 2 加工路線的確（què）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) 車端麵，車一（yī）小段外圓長 20 mm 左右( 車圓即可) ，鑽中心孔。
3) 調頭夾已（yǐ）車外圓，校（xiào）正夾緊。車端麵，保（bǎo）證總長 135 ±0． 1 mm，鑽中心孔，用後頂尖頂住工（gōng）件成一夾一頂裝夾。
4) 調用（yòng）外圓車刀，采用 G71 循環指令粗車（chē） 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精車餘量並倒角。
5) 調頭夾 31 mm 外圓，用後頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾。調用外圓車刀，采用 G71 循環（huán）指令粗車 20 0 ～ 0. 017 mm，30 0 ～ 0. 022 mm，留（liú） 1 mm 精（jīng）車餘（yú）量並倒（dǎo）角。
6) 調頭（tóu）夾 21 mm 外圓，用後頂尖頂住工件成一夾（jiá）一頂裝夾如 圖 4 所（suǒ） 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（wén）外徑 50 0 ～0. 025 mm 至尺（chǐ）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（jiǎo）螺紋（wén）車刀，用 G92 螺（luó）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（wén）至尺寸。
10) 調頭包銅皮夾 30 0 ～ 0． 022 mm 外圓，用後頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾，校正夾緊。調用外（wài）圓車刀，用（yòng） G70 指令精車 20 0 ～ 0. 017 mm，30 0 ～ 0. 022 mm 外圓至尺寸。
11) 檢（jiǎn）驗。
圖 4 工件裝夾示意圖
5 、異（yì）形螺紋車刀設計
5． 1 異（yì）形螺紋車刀刀頭形狀（zhuàng）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（wén）車刀具有更好的強度和耐磨性，因此可以承（chéng）受更大的切削力，在車削時可適當的加深背吃刀量，提高（gāo）加（jiā）工效率。另一方麵圓頭形螺紋車刀在加工異形螺紋時能更好地起到異形曲麵光滑過渡的（de）效（xiào）果。
5． 2 異形螺（luó）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（bàn）徑因小於所加工異形螺紋麵最小曲率半徑，否則大於最小曲率半徑將產生過切現象。在實際加工中（zhōng），車異形螺紋的螺紋車刀刀頭為圓弧形，加工時若車刀（dāo）圓頭半徑增大，其接觸麵積隨之增大，至使徑向切削力過大，車削時易（yì）出現紮刀現象，若圓頭半徑太小又將（jiāng）影響（xiǎng）刀具強度和刀具耐用度。通過多次試驗，總結出（chū）車該異形螺紋（wén）工件時車刀的刀頭圓弧半徑（jìng）取 Ｒ1． 5 mm ～ Ｒ2 mm 為比較適宜，采用的刀具幾何形（xíng）狀和角度如圖 5( b) 所示。
5． 3 異形螺紋車刀角度的選取
異（yì）形螺紋車刀角（jiǎo）度如圖 5( b) 所示（shì）。徑向前角取 5° ～ 10°，徑向後角取 6° ～ 8°，兩側後角進刀方向為( 10° ～ 12°) + ψ，背進刀方向為（wéi）( 6° ～ 8°) － ψ。
5． 4 螺紋車刀的安裝
異形螺紋車（chē）刀的安裝與普通三角螺紋車刀的（de）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（děng）高，然後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（yī）般為 20 ～ 25 mm 否則刀具剛性變（biàn）差。
圖 5 螺紋車刀
5． 5 異形螺紋車刀圓頭半徑對加工的影（yǐng）響
由於異（yì）形（xíng）螺紋車刀刀頭為圓弧形，所以切削異形螺（luó）紋曲（qǔ）麵時，會因工件與刀具圓弧切點（diǎn）的變化而產生零件的形狀誤差。故編程時（shí）必須使用刀具的半徑（jìng）補償，否則將影響加工精（jīng）度（dù）。從圖 6 中可以看出，理論上刀（dāo）具切削（xuē）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（qiē）削作用的（de）是刀尖圓弧的各切點，因此車出的工件實際表麵形狀是圖中的虛（xū）線形狀，這樣就產生了較（jiào）大（dà）的形狀誤差。為此（cǐ），在這種情況下就必須考（kǎo）慮刀尖圓弧半徑對異形螺紋曲麵形狀的影響。現（xiàn）以 FANUC 0i MATE － TD 為例刀具半徑（jìng）補（bǔ）償指為: G40 為取消刀具（jù）半徑補償指令（lìng），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（jiā）工時刀頭圓（yuán）弧的（de）影響
6 、程序設計思路
由於異形螺紋麵為（wéi）橢圓麵，考（kǎo）慮借助於宏程序（xù）功能，設橢圓曲線、所包絡的（de）角（jiǎo）度為變（biàn）量，X，Z 值為自變量（liàng），用直線（xiàn）段逼近（jìn）輪廓曲線的（de）方（fāng）法完成螺紋麵（miàn）加工，再與 G32 指令結合最終完成異形螺紋的加工。
6． 1 數學（xué）建模
圖 7 為被加工螺紋（wén）橢圓曲麵的（de）幾何（hé）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（gōng）異形螺紋流程（chéng），首先為螺紋參（cān）數初賦值，用 G32 作為螺（luó）紋加工（gōng）指令（lìng），設螺紋曲麵 Z 向長度作為條件判斷依據，橢圓（yuán） X 值計算，螺紋循環加工（gōng）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（jiā）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（gōng）程序編製及應用
使用 FANUC 0i MATE － TD 係統數（shù）控車床，隻加工橢圓（yuán）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後如圖 1 所示。程序中隻要改變X 方向的初始值（zhí），即可完成異形螺紋的粗精加工，本例為精加工程序（xù）。作為粗、精加工的參數設置，應根據工件的（de）材料（liào）、異形螺紋的表麵加工精度（dù）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（tōng）過了首件試製加工。
8、 結語
上述（shù）程序結構簡單（dān），具備循環加工的特點，適合用 G92、G76 指令（lìng）直接編（biān）程（chéng）比較困難和用 CAM 軟件（jiàn）編程也不能（néng）實現加工的異形螺紋，隻（zhī）要異形螺（luó）紋曲麵曲線能用數學表達式表達，均可利（lì）用宏程序（xù）對相關變量賦（fù）值，結合 G32 指令（lìng），可加工出（chū）所需要（yào）的異形螺紋，通用性、靈活性非常強。通過（guò）實際加工（gōng）生產，以上方法有效地解決（jué）了異形螺紋難於加工的（de）問（wèn）題，除保（bǎo）證了加工後（hòu）異形（xíng）螺紋質量（liàng）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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