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基於宏程序車削變槽寬變（biàn）導（dǎo）程複雜（zá）螺紋的研究

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

摘要: 變導程螺紋雖然應用廣泛，但（dàn）其加工效率和加工質量一直是個共性難（nán）題，尤其是變槽寬變導程螺紋的加工更是難之又難。文中（zhōng）在對（duì）變導程螺紋的螺旋線進行數學建模的基礎上（shàng），結（jié）合 FANUC 係統數控車床操作具體實例，巧妙利用宏程序優越功（gōng）能準確快速地車削完成變槽寬（kuān）變（biàn）導程（chéng）螺紋，最終高質量高（gāo）效率事半功倍地完成複雜變導程螺紋的加（jiā）工

關鍵詞: 數學建模; 宏程序; 車削; 變（biàn）導程螺紋

0 前言

變導程螺（luó）紋在機械、煤礦、冶（yě）金、航空工業中應（yīng）用普遍，在航空傳輸機械、飲料擠壓機械、飼料機（jī）械、船舶上的變導程螺（luó）旋槳、高速離心泵上的變（biàn）導程誘導輪、變導程螺旋槳動力裝置以及前轉向懸掛上的變導程彈簧減震器等方麵都有關鍵的應用。

變導程螺紋雖然應用廣泛，但其加工一直是個難（nán）題。以前的加工方式通常是在普通車床裝夾一套輔助裝置 ( 凸輪變速機構（gòu）) 實現（xiàn）變速加工，雖然能保證精度，但要（yào）求操作（zuò）工人（rén）技術（shù）嫻熟，設計成本較高，調速（sù）增量較麻煩，出現加工質量和（hé）效率低的狀況，尤其是變槽寬變導程螺紋的加工更是（shì）難之又難，幾乎普通車床無法加工。

在國內對（duì）變導程螺紋螺（luó）旋副的研究隻是剛剛起步（bù），國外已經有（yǒu）學者對變導（dǎo）程螺旋傳（chuán）動機構進行了（le）相關研究。Ming J TSAI 等對變導程螺（luó）旋傳動機構的傳動效（xiào）率進行了評價分析，CHIO］對（duì）變導程螺旋傳動的動態特性從理論上進行了（le）分析。文中主要（yào）針對變槽寬變導程螺紋螺旋線進行數學建模（mó），同時利用FANUC 係（xì）統數（shù）控車床（chuáng）宏（hóng）程序的獨特優勢對變槽寬變導程（chéng）螺紋車削進行了研究。

1 、變導（dǎo）程螺紋（wén）螺旋線的建模（mó）

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程螺（luó）旋線，在數控機床加工（gōng）此類複雜螺旋線（xiàn）的螺紋時，編製其數控（kòng）加工程（chéng）序必須得到螺旋線的數（shù）學模型，否（fǒu）則無法編製其加工（gōng）程序。

1. 1 螺旋線的數（shù）學模型

如圖 1 所示（shì），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（sù）直線運動（dòng），測動點（diǎn）的軌跡為變（biàn）導（dǎo）程圓柱螺旋（xuán）線。

圖 1 螺旋線（xiàn）數學模型（xíng）

1. 2 圓周方（fāng）向展開後的螺旋線

變導程螺紋的表麵是一個螺旋（xuán）麵，加工時螺紋車刀切削刃（rèn）上任（rèn）意一（yī）點的軌跡是（shì）一條螺旋線，沿圓周（zhōu）展開為一直線（xiàn），見（jiàn）圖 2。圖（tú） 2 中橫（héng）坐標為圓周長，縱坐標為導程 ( 螺（luó）距) ，由於是變導程（chéng）螺旋線，相（xiàng）鄰圓周直線段的斜率不同，每一直線段的升角增量為 Δα，其數值經螺旋線的數學模型公式推導為:

圖 2 圓周方向展開後的（de）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，為了保證兩相鄰（lín）螺旋（xuán）線間平滑過渡，可以采取近似圓弧 ( 精度高) 或直線連接 ( 精度不（bú）高) ，見圖 2 中的 M處放大圖中線（xiàn） 1。

因此，可看出整個變螺距螺紋螺（luó）旋（xuán）線（xiàn）是由兩組相（xiàng）交（jiāo）曲線組成。因此對（duì）於變槽寬變導程螺旋線螺紋加工，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、自動檢測及精密機械等高（gāo）新（xīn）技術的產物，是技術密集度及（jí）自動化程度（dù）很（hěn）高的典型機電一體化兩軸加工設（shè）備。數控車床具有加工零件精度高、產品質量（liàng）穩定、自動化程度高、減輕（qīng）操作工人的體力勞動強度、大大提高（gāo）生產效率、能（néng）完成普通車床（chuáng）難以加（jiā）工或根本無法加工的複雜輪廓等特點。

宏程序（xù）是（shì）采用（yòng）變量組合方式而（ér）形成的加工程序，在數（shù）控車床提供（gòng）兩類（lèi）用戶宏程序，即 A 類宏程序和 B類宏程序。它可以通過靈（líng）活運用各種算（suàn）術和（hé）邏輯運算、轉移和循環等命令，實現對程序段流向的控製，隻要變更變量的不同賦值（zhí）即可完成不同零件的加工。用（yòng）戶宏程（chéng）序與普通程序（xù）的區別在於: 在普通程序中，隻能指定常量，常量之間不能運算，程序隻（zhī）能順序執行，不（bú）能跳轉，因此功能是固定的，不能變化。

而在用戶宏程序本體中，能使用變量，可以給變（biàn）量賦（fù）值，變量間可以（yǐ）運算，程序可以跳轉; 變導程螺紋的加工就是充分利（lì）用了宏程序這一特點來加工完成（chéng）的（de）。

3 、FANUC 係統數控（kòng）車床的加工螺紋指令

FANUC 係統數控車床具有變（biàn）導程螺紋車（chē）削（xuē）功（gōng）能（néng），切削指（zhǐ）令為（wéi） G34。指令格式: G34X( U) _Z( W) _F_K_其中（zhōng），X、Z 是絕對編程時，有（yǒu）效的螺紋終點在工件上的（de）坐標係中（zhōng）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（zēng）量; F 是螺紋起點（diǎn）的導程; K 是螺紋導程的變化量，其增 ( 減) 量的範圍（wéi），在係（xì）統參數中（zhōng）設定。采用普通方式編程編製加工變導程螺紋的程序非（fēi）常繁瑣，尤其是對於雙變複雜螺紋編製過程中常常出現諸多困難，此時，可以充分應用 FANUC 係統（tǒng）數控車床的宏程序功能。

4 、變槽寬變導程複雜螺紋加工實例

變（biàn）導程螺紋是指（zhǐ）槽寬或牙寬均勻性按等差數列變化的特殊型螺紋。根（gēn）據（jù）實際需要主要有 3 種形式: 第一種是（shì）指槽寬不變而牙寬均勻性變（biàn）化的變導程螺紋( 見圖 3) ，第二種是（shì）指牙寬不變槽（cáo）寬（kuān）均勻性變化的變導程螺紋 ( 見圖 4) ，第三種是指牙寬和槽寬（kuān）都均勻變（biàn）化的變導程複雜螺紋 ( 見圖 5) 。第一種和第二種（zhǒng）是比較常見的，關於這兩種的（de）加工相關論文較多，這裏（lǐ）不（bú）再（zài）贅述，我們重點研（yán）究第三種複雜螺紋的車削加工。

圖 3 等槽變（biàn）牙寬變導程螺紋

圖 4 等牙寬（kuān）變導程螺紋（wén）

圖 5 變槽寬（kuān）變牙寬變導程螺紋

下麵以 FANUC 係統數控車床加工圖 5 變槽寬變（biàn）牙寬為例進（jìn）行（háng）分析（xī）和程序舉例:分析: 對於圖 5 變槽寬變牙寬複（fù）雜螺紋的車削過程可（kě）以分解成 3 步，第一步將圖 5 加工成（chéng）圖 6 的等槽寬變導程螺（luó）紋 ( 類（lèi）似於圖 3) 。加工第一步後，等槽寬為 4mm，牙寬分別為 3、5、7、9、11、13，比圖 5牙寬分（fèn）別增加 0、1、2、3、4、5，恰好為槽寬應該增加的部分，因此我們進行的第（dì）二（èr）步是用螺紋刀將多餘牙寬為 0、1、2、3、4、5 切（qiē）削成槽寬即可，這一步為了簡化（huà）程序編寫（xiě），我們引用子程序。

第三步是調用帶（dài）有修正功能的精車刀修正前兩步粗車加工的變導（dǎo）程（chéng）螺紋，由於此時的螺紋（wén）刀要一步步（bù）進行（háng）對前兩步粗加工的修刃精加工，所以刀寬（kuān）與前兩步的刀寬小。在此（cǐ），經過分析，使用宏程序要引入 3 個變量，即除了一（yī）個 X 方向的進給量［#1］切削深（shēn）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（zhì）一個槽寬每次增加量［#3］為 1 mm。

圖 6 圖 5 第一步加工後的變導程（chéng）螺（luó）紋

5 、結束語

從上例編程實例可知，用數控（kòng）車床加（jiā）工（gōng）變槽寬變導程螺紋時，將宏程序的優越功能巧妙地運用到車（chē）削複雜的變導程螺（luó）紋時（shí），大大精（jīng）簡了操作者編製程序而（ér）且可讀性（xìng）強，易於檢查，同（tóng）時可隨時（shí）根據圖紙加（jiā）工尺（chǐ）寸改變宏程（chéng）序變（biàn）量，準確地完成複雜變導程螺紋的加工，能很迅速解決其加（jiā）工（gōng）效率和精度低的問題，保證加工質量。

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