宏程序在異形螺紋車(chē)削中的應(yīng)用
2020-4-9 來(lái)源： 中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 作者：劉 輝，熊文華
摘要: 隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)一些機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了更高的要求，異形螺紋的車(chē)削就是其中典型的代表。一般的螺紋切削指令 G32 和螺紋切削循環(huán) G92、G76 等加工指令適用于常用的螺紋加工，而不能滿足異形螺紋的車(chē)削。采用宏程序功能與螺紋加工指令相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)異形螺紋的車(chē)削加工，并重點(diǎn)介紹了有關(guān)異形圓柱螺紋的加工方法及宏程序在異形螺紋車(chē)削中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 數(shù)控編程; 宏程序; 刀具; 異形螺紋
1 、概述
螺紋在各種機(jī)器中應(yīng)用非常廣泛，常用的螺紋按其牙型不同可分為三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、矩形螺紋等，如果螺紋的牙型是圓弧、橢圓曲面、拋物線或雙曲線等規(guī)則曲線，由這些曲線組合而成的不規(guī)則形狀的螺紋，本文稱異形螺紋。這類(lèi)型的螺紋加工時(shí)，應(yīng)用傳統(tǒng)的螺紋指令編程是不能完成的，如果用 CAM 軟件編程也不能實(shí)現(xiàn)異形螺紋的車(chē)削加工。由于異形螺紋牙形形狀不定，無(wú)標(biāo)準(zhǔn)刀具，只能借助一般刀具來(lái)加工，這就給編程帶來(lái)不便，利用宏程序功能，建立合理的數(shù)學(xué)模型就能很好解決這一難題。本文重點(diǎn)簡(jiǎn)述螺紋牙型為橢圓曲面的異形螺紋車(chē)削方法和加工刀具的設(shè)計(jì)及加工程序的編制，零件圖如圖 1 所示。
圖 1 異形螺紋零件
2 、對(duì)異形螺紋的分析
在型號(hào)為 CK6140 數(shù)控車(chē)床上加工此類(lèi)異形螺紋件，由于螺紋的牙槽是一個(gè)橢圓形，同時(shí)經(jīng)過(guò)分析，橢圓的長(zhǎng)半軸尺寸為 4． 5 mm，短半軸尺寸為 3． 5 mm，牙底直徑 47 mm，螺紋外徑為 50 mm，螺距為 10 mm 等形狀特點(diǎn)，技術(shù)要求、數(shù)量多少和裝夾方法，對(duì)該異形螺紋進(jìn)行車(chē)削工藝分析，加工中存在的難點(diǎn)，表現(xiàn)以下幾個(gè)方面。
1) 該零件由外圓柱、普通螺紋、橢圓牙形螺紋和退刀槽組成。圖樣中的圓柱尺寸和粗糙度要求很高，同時(shí)，在異形螺紋外徑與外圓基準(zhǔn) 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路線，減少裝夾次數(shù)，采用三爪自定心卡盤(pán)夾持工件和鉆中心孔，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾。把加工順序及走刀路線集中分配，不僅利 于 車(chē)削加工、還保證了尺寸精度等技術(shù)要 的目的。
2) 該異形螺紋牙槽是一個(gè)橢圓形，對(duì)刀具的選擇不能忽視，任何一把刀具刀尖部分都是圓弧的，根據(jù)理論刀尖點(diǎn) A 來(lái)編程，如圖 2 所示，那么車(chē)削時(shí)，實(shí)際起作用的切削刃是圓弧各切點(diǎn)，這樣就會(huì)產(chǎn)生加工表面的形狀誤差，它對(duì)圓柱面和端面加工沒(méi)有影響，但在車(chē)削錐面、圓弧面、橢圓等曲面時(shí)，會(huì)造成過(guò)切現(xiàn)象，會(huì)造成異形螺紋的牙槽底部大于圖紙要求。
圖 2 刀尖圓弧和刀尖理論點(diǎn)
分析異形螺紋加工刀具，決定將異形螺紋車(chē)刀刀頭形狀設(shè)計(jì)成圓頭形，優(yōu)點(diǎn)是: 一是具有較好的強(qiáng)度和耐磨性; 二是能更好的起到異形曲面的光滑過(guò)渡，有效提高螺紋表面粗糙度。刀頭圓弧太小的確定，要考慮異形螺紋面最小曲率半徑，螺紋車(chē)刀刀頭圓弧半徑因小于所加工螺紋面最小曲率半徑。在刀具角度的選擇及安裝時(shí)，都應(yīng)合理，反之，則會(huì)直接影響螺紋的加工精度。
3) 由于異形螺紋面為橢圓面，一般的螺紋切削指令不能滿足異形螺紋的車(chē)削，所以編制異形螺紋加工程序是關(guān)鍵。分析考慮，只能借助于宏程序功能，設(shè)橢圓曲線、所包絡(luò)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完成螺紋面加工，再與 G32 指令巧妙結(jié)合，最終完成異形螺紋的順利加工。
3 、用戶宏程序與一般螺紋加工指令的優(yōu)勢(shì)
用戶宏程序其實(shí)質(zhì)與子程序相似，它是把一組實(shí)現(xiàn)某種功能的指令，以子程序的形式事先存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，并通過(guò)主程序中的宏程序調(diào)用并執(zhí)行這組程序。
宏程序與普通程序相比較，一般程序的程序字為常量，一個(gè)程序只能描述一個(gè)幾何形狀，所以缺乏靈活性。而用戶宏程序主體中可以使用變量進(jìn)行編程，還可以用宏指令對(duì)這些變量進(jìn)行賦值和變量之間的運(yùn)算等處理，從而可以使用宏程序執(zhí)行一些有規(guī)律變化的動(dòng)作。
以 FANUC 0i MATE － TD 系統(tǒng)數(shù)控車(chē)床為例，用來(lái)加工螺紋的基本指令有 G32( 單行程螺紋切削指令) 、G92( 螺紋切削循環(huán)指令) 、G76( 螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令) 三種。G92 為直進(jìn)式進(jìn)刀如圖 3( a) 所示，而 G76 為斜插式進(jìn)刀如圖 3( b) 所示。其進(jìn)刀方式不一樣，加工的效果也不一樣，人們?cè)诩庸ぢ菥剌^小的螺紋時(shí)往往用 G92 指令進(jìn)行編程，較大螺矩的螺紋時(shí)用G76 指令編程。然而在沒(méi)有異形曲面成型刀的情況下，使用上述哪種螺紋加工指令都無(wú)法滿足如圖 1 所示的異形螺紋車(chē)削。
通常我們可以使用螺紋固定循環(huán)指令進(jìn)行普通螺紋程序的編制，對(duì)于橢圓面部分，可以使用逐點(diǎn)計(jì)算法計(jì)算出其曲面上的點(diǎn)，然后再進(jìn)行程序編輯，但其計(jì)算量和程序的編輯都非常費(fèi)時(shí)、費(fèi)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(jié)合使用，就能實(shí)現(xiàn)如圖 3( c) 所示，沿異形曲面斜插式進(jìn)刀。不僅可以完成對(duì)異形螺紋加工，而且計(jì)算量較小，程序編輯相對(duì)簡(jiǎn)單。
圖 3 螺紋切削進(jìn)刀方式
4、 異形螺紋零件圖分析及加工路線的確定
4． 1 異形螺紋零件分析
如圖 1 所示，該零件表面由外圓柱、普通螺紋、橢圓牙形螺紋和退刀槽組成。其中圓柱尺寸和粗糙度要求較高，另外異形螺紋面與基準(zhǔn) A 有同軸度要求。其余長(zhǎng)度方向和退刀槽并沒(méi)有較嚴(yán)格的尺寸精度和表面粗糙度要求，尺寸標(biāo)注完整，輪廓描述清楚，零件材料為 45#鋼，無(wú)熱處理和硬度要求。
4． 2 加工路線的確定
1) 采用三爪自定心卡盤(pán)夾持工件的左端，工件伸出長(zhǎng)度60 mm 左右，校正夾緊。
2) 車(chē)端面，車(chē)一小段外圓長(zhǎng) 20 mm 左右( 車(chē)圓即可) ，鉆中心孔。
3) 調(diào)頭夾已車(chē)外圓，校正夾緊。車(chē)端面，保證總長(zhǎng) 135 ±0． 1 mm，鉆中心孔，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾。
4) 調(diào)用外圓車(chē)刀，采用 G71 循環(huán)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(chē)余量并倒角。
5) 調(diào)頭夾 31 mm 外圓，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾。調(diào)用外圓車(chē)刀，采用 G71 循環(huán)指令粗車(chē) 20 0 ～ 0. 017 mm，30 0 ～ 0. 022 mm，留 1 mm 精車(chē)余量并倒角。
6) 調(diào)頭夾 21 mm 外圓，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾如 圖 4 所 示。調(diào) 用 外 圓 車(chē) 刀，用 G70 指 令 精 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 至尺寸。
7) 調(diào)用切槽刀，粗、精車(chē) 5 mm × 2 mm 螺紋退刀槽至尺寸。
8) 調(diào)用三角螺紋車(chē)刀，用 G92 螺紋循環(huán)指令粗、精車(chē) M42× 2 － 6 g 螺紋至尺寸。
9) 調(diào)用異形螺紋車(chē)刀，用宏程序粗、精車(chē)異形螺紋至尺寸。
10) 調(diào)頭包銅皮夾 30 0 ～ 0． 022 mm 外圓，用后頂尖頂住工件成一夾一頂裝夾，校正夾緊。調(diào)用外圓車(chē)刀，用 G70 指令精車(chē) 20 0 ～ 0. 017 mm，30 0 ～ 0. 022 mm 外圓至尺寸。
11) 檢驗(yàn)。
圖 4 工件裝夾示意圖
5 、異形螺紋車(chē)刀設(shè)計(jì)
5． 1 異形螺紋車(chē)刀刀頭形狀的確定
如圖 5( b) 所示，將異形螺紋車(chē)刀刀頭形狀設(shè)計(jì)成圓頭形。此種圓頭形異形螺紋車(chē)刀比圖 5( a) 所示三角形螺紋車(chē)刀具有更好的強(qiáng)度和耐磨性，因此可以承受更大的切削力，在車(chē)削時(shí)可適當(dāng)?shù)募由畋吵缘读浚岣呒庸ば?。另一方面圓頭形螺紋車(chē)刀在加工異形螺紋時(shí)能更好地起到異形曲面光滑過(guò)渡的效果。
5． 2 異形螺紋車(chē)刀刀頭圓弧大小的確定
理論上，異形螺紋車(chē)刀刀頭圓弧半徑因小于所加工異形螺紋面最小曲率半徑，否則大于最小曲率半徑將產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象。在實(shí)際加工中，車(chē)異形螺紋的螺紋車(chē)刀刀頭為圓弧形，加工時(shí)若車(chē)刀圓頭半徑增大，其接觸面積隨之增大，至使徑向切削力過(guò)大，車(chē)削時(shí)易出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象，若圓頭半徑太小又將影響刀具強(qiáng)度和刀具耐用度。通過(guò)多次試驗(yàn)，總結(jié)出車(chē)該異形螺紋工件時(shí)車(chē)刀的刀頭圓弧半徑取 Ｒ1． 5 mm ～ Ｒ2 mm 為比較適宜，采用的刀具幾何形狀和角度如圖 5( b) 所示。
5． 3 異形螺紋車(chē)刀角度的選取
異形螺紋車(chē)刀角度如圖 5( b) 所示。徑向前角取 5° ～ 10°，徑向后角取 6° ～ 8°，兩側(cè)后角進(jìn)刀方向?yàn)? 10° ～ 12°) + ψ，背進(jìn)刀方向?yàn)? 6° ～ 8°) － ψ。
5． 4 螺紋車(chē)刀的安裝
異形螺紋車(chē)刀的安裝與普通三角螺紋車(chē)刀的安裝相似，在裝夾異形螺紋車(chē)刀時(shí)，刀頭圓弧位置應(yīng)調(diào)整與工件回轉(zhuǎn)軸線等高，然后車(chē)刀刀尖角的對(duì)稱中心線與工件軸線垂直，另外刀頭伸出不要過(guò)長(zhǎng)，一般為 20 ～ 25 mm 否則刀具剛性變差。
圖 5 螺紋車(chē)刀
5． 5 異形螺紋車(chē)刀圓頭半徑對(duì)加工的影響
由于異形螺紋車(chē)刀刀頭為圓弧形，所以切削異形螺紋曲面時(shí)，會(huì)因工件與刀具圓弧切點(diǎn)的變化而產(chǎn)生零件的形狀誤差。故編程時(shí)必須使用刀具的半徑補(bǔ)償，否則將影響加工精度。從圖 6 中可以看出，理論上刀具切削時(shí)刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡是刀尖 A 的軌跡 ( 圖中 P1→A2—A3…→P2) 。但是，車(chē)削時(shí)實(shí)際起切削作用的是刀尖圓弧的各切點(diǎn)，因此車(chē)出的工件實(shí)際表面形狀是圖中的虛線形狀，這樣就產(chǎn)生了較大的形狀誤差。為此，在這種情況下就必須考慮刀尖圓弧半徑對(duì)異形螺紋曲面形狀的影響?，F(xiàn)以 FANUC 0i MATE － TD 為例刀具半徑補(bǔ)償指為: G40 為取消刀具半徑補(bǔ)償指令，G41 為刀具半徑左補(bǔ)償指令，G42 為刀具半徑右補(bǔ)償指令。
圖 6 異形螺紋加工時(shí)刀頭圓弧的影響
6 、程序設(shè)計(jì)思路
由于異形螺紋面為橢圓面，考慮借助于宏程序功能，設(shè)橢圓曲線、所包絡(luò)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完成螺紋面加工，再與 G32 指令結(jié)合最終完成異形螺紋的加工。
6． 1 數(shù)學(xué)建模
圖 7 為被加工螺紋橢圓曲面的幾何圖形，其加工長(zhǎng)度為7. 4 mm。a = 3． 5 mm，b = 4． 5 mm。
6． 2 程序設(shè)計(jì)
如圖 8 所示宏程序加工異形螺紋流程，首先為螺紋參數(shù)初賦值，用 G32 作為螺紋加工指令，設(shè)螺紋曲面 Z 向長(zhǎng)度作為條件判斷依據(jù)，橢圓 X 值計(jì)算，螺紋循環(huán)加工一次，變量 Z 重新賦值，計(jì)算橢圓 X 值，進(jìn)行螺紋車(chē)削，如此比較判斷、計(jì)算、螺紋循環(huán)加工，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 、加工程序編制及應(yīng)用
使用 FANUC 0i MATE － TD 系統(tǒng)數(shù)控車(chē)床，只加工橢圓異形螺紋部分，程序如表 1。
表 1 主程序: O0001
加工異形螺紋零件成型后如圖 1 所示。程序中只要改變X 方向的初始值，即可完成異形螺紋的粗精加工，本例為精加工程序。作為粗、精加工的參數(shù)設(shè)置，應(yīng)根據(jù)工件的材料、異形螺紋的表面加工精度及刀具的具體工藝狀況進(jìn)行設(shè)置。上述程序已上機(jī)調(diào)試完畢，且通過(guò)了首件試制加工。
8、 結(jié)語(yǔ)
上述程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具備循環(huán)加工的特點(diǎn)，適合用 G92、G76 指令直接編程比較困難和用 CAM 軟件編程也不能實(shí)現(xiàn)加工的異形螺紋，只要異形螺紋曲面曲線能用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)，均可利用宏程序?qū)ο嚓P(guān)變量賦值，結(jié)合 G32 指令，可加工出所需要的異形螺紋，通用性、靈活性非常強(qiáng)。通過(guò)實(shí)際加工生產(chǎn)，以上方法有效地解決了異形螺紋難于加工的問(wèn)題，除保證了加工后異形螺紋質(zhì)量符合圖樣要求外，還大幅減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。
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