基于螺紋銑削數控宏程序的優化設計

楊 輝，萬海鑫，張宣升，韓 江

（1.阜陽職業技術學院，阜陽 236031；2.合肥工業大學，合肥 230009）

0 引言

隨著數控機床被廣泛應用，CAD／CAM軟件編程越來越廣泛，手工編程僅局限于簡單的零件。在數控機床螺紋的銑削加工時，采用自動編程是無法完成，但利用“宏程序”手工編程有其獨特的效果。如果采用G84剛性攻絲是遠遠不能滿足高精度、大公稱直徑的螺紋的要求，且手工編程有利于精度的調整。數控機床具有的宏程序功能，遠遠沒有被用戶掌握和使用。如果能熟練掌握數控加工和系統原理，對用戶宏程序進行優化，不僅數控加工程序簡單，加工時間短，且精度更易控制，數控技術人員更應該熟練掌握和應用好“宏程序”。

1 數控用戶宏程序原理

1.1 螺紋的加工方法

1）螺紋的車削加工

在數控車床上加工螺紋，在位置控制、速度控制和精度控制能得到很好的保證，但是只用于回轉體和易裝夾、易找正的工件。其他箱體等難以裝夾，難以找正的不規則工件，就不能保證螺紋加工的有效性。

2）剛性攻絲

在數控銑床上采用的剛性攻絲，只能對一些公稱直徑較小的螺紋，精度要求不高的螺紋，且是標準螺紋。其精度等級受到絲錐或板牙的限制，且尺寸也有一定的局限性，否則機床的力矩和刀具裝夾都不能滿足要求。

3）螺紋的銑削加工

螺紋的銑削加工具有的優點：

（1）大型零件上的螺紋加工,在加工好螺紋底孔后不用搬移的零件；

（2）非回轉體且難裝夾和找正的零件上的螺紋；

（3）非標準的螺紋加工，沒有相對應的絲錐或板牙，螺紋銑刀都可以刃磨和修正；

（4）新產品試制時沒有相應的絲錐或板牙，并且在試制過程中需要不斷的更改，螺紋銑削能滿足更改的要求；

（5）高精度螺紋只能應用銑削的方法，通過各種補償，能滿足高精度要求。

1.2 數控銑削螺紋實現原理

1）螺紋牙型

無論是英制螺紋，還是公制螺紋，單刃螺紋銑刀加工內螺紋的螺紋牙型，如圖1所示。

2）螺紋的一個螺距銑削編程

圖1 螺紋牙型形成圖

圖2 圓弧刀位點軌跡

按照數控銑床加工圓弧的原理，其插補指令用G17 G02 X_ Y_I_J_Z_F_；走刀軌跡如圖2所示。

螺紋的單個螺距銑削編程采用單個圓弧走刀程序G17 G02 X_Y_I_J_Z_F_；走刀軌跡如圖3所示。

圖3 單個螺距刀位點軌跡

3）螺紋的多個螺距銑削編程

多個螺距銑削螺紋編程時，可以把完整的單個螺紋，每加工一個螺紋作為一次循環，在加工中只需判斷銑削螺距的深度是否達到要求。通過改變螺紋螺距的數量，按螺距個數設置為變量。

G17 G02 I_ J_ ZB2 F_；

G17 G02 I_ J_ ZB1 F_；

G17 G02 I_ J_ ZBn F_；走刀軌跡如圖4所示。

圖4 多個螺距刀位點軌跡

4）程序流程圖，如圖5所示。

采用宏程序編程時，按其加工工藝路線確定其流程圖，根據流程圖實施程序的編制。

圖5 螺紋程序流程圖

1.3 用參數化編制編程

1）多個螺距的參數模型

根據螺紋的加工原理，實現多個螺距的螺紋加工，其參數模型如圖6所示。

圖6 多螺距螺紋模型分析圖

2）循環語句程序

程序 變量含義…WHILE [#8 GT #2] DO1；#2為螺紋終點Z坐標，判斷螺紋銑削深度是否到位，即條件不滿足則退出循環體；#8 = #8 - #11； #11為加工螺紋的螺距H，計算螺距的個數，確定螺紋深度；G17 G02 I_ J_ Z#8 F_； #8螺紋加工Z坐標，螺旋銑削螺紋。END 1；…

3）多螺距的參數化編程

程序 注釋…#3為刀具回轉半徑#5=#1 - #3；G00 X#5；Z[#8+1.0]；G01 Z#8 F_；WHILE [#8 GT #2] D1；#8 = #8 - #11；G17 G02 I-#5 Z#8 F_；END 1；GO1 X[#5-3.0]；GOO Z30.0；…

1.4 銑削螺紋的粗、精加工

1）螺紋零件的加工工藝要求：粗加工和精加工。參數與工藝如圖7所示。

圖7 銑削螺紋的粗、精加工

2）螺紋零件的加工粗加工、精加工程序

2 數控用戶宏程序螺紋銑削加工

加工如圖8所示內螺紋,毛坯初孔:Φ39，毛坯為110mm×110mm×18mm合金鋁材,底孔(小徑)為 Φ40.3760+0.3，加工設備是KVC-1050A加工中心，采用平口鉗裝夾。

2.1 加工工藝分析

1）零件圖分析

如圖8所示，要在一工件材質為合金鋁，

毛坯尺寸為110mm×110mm×18mm上加工圖示的螺紋，

精度等級為6H，螺距為1.5mm。

圖8 內螺紋零件圖

圖9 坐標系與基準選擇

2）編程思路

此零件加工的內容為內螺紋，可以將銑螺紋分為多個螺距銑螺紋的組合。每加工一個螺距作為一次循環，在加工中只需判斷螺距的深度是否達到要求。如圖4所示，為刀具刀位點運動的軌跡， 根據精度要求分成幾個點，當刀具到達A點后，進行X-Y面的整圓加工，再到下一點后，再進行整圓加工，直到B點完成整圓加工即可，如果精度達不到要求，可以再細分。坐標設計與基準設計如圖9所示。

（1）參數設定說明

#1 42.0 螺紋公稱直徑；

#8 1.0 螺紋起點Z坐標值；

#2 -20.0 螺紋終點Z坐標值；

#3 13.5 刀具回轉半徑。

（2）刀具的選擇

選擇鏜孔刀、倒角刀和螺紋刀具，

刀具編號如為：

T15— 45°倒角刀；

T16—鏜刀；

T17—單刃螺紋銑刀，回轉半徑13.5mm，螺紋刀的刀具系統如圖10 所示。

圖10 螺紋刀具系統圖

（3) 加工工藝步驟

按照數控加工工藝安排加工路線，采用倒45°角—T15號刀；

毛坯初孔加工到Φ39，鏜孔小徑為Φ40.3760+0.3—T16號刀；

銑削螺紋—T17號刀(分三次加工：粗加工、半精加工、精加工)。

（4）加工工藝參數

單邊加工余量=(42-40.376)/2=0.812，按三次加工分配加工余量，具體余量的分配為：第一次加工余量為0.512，粗加工；第二次加工余量為0.20，半精加工；第三次加工余量為0.10，精加工。

2.2 螺紋銑削加工程序的優化

1）螺紋零件的加工主程序：（FANUC系統）O0001; （主程序號）

N2 G17 G21 G40 G49 G80; （取消各種補償）

N4 T15 M06; （換45°倒角刀）

N6 MO1;

N8 G00 G90 G54 G43 Z100.0 H15 ；（設 置 長度補償）

N10 X0 Y0 M03 S300；

N12 G98 G81 X0 Y0 Z-1.5 R5.0 F60; （倒45°角）

N14 G00 G80 Z100.0;

N16 M05;

N18 M01;

:

N20 T16 M06; （換鏜刀）

N22 M01;

N24 G00 G90 G54 G43 Z100.0 H16;

N26 X0 Y0 M03 S600;

N28 G98 G76 X0 Y0 Z-20.0 Q0.3 R5.0 F60; （鏜孔）

N30 G00 G80 Z100.0;

N32 M05;

N34 M01;

:

N36 T17 M06; （換螺紋銑刀T17）

N38 M01; （選擇暫停，調整刀尖方向）

N40 M03 S1600; （主軸旋轉）

N42 G00 G54 G90 G43 Z100.0 H17; （選擇長度補償，銑刀到安全平面）

N44 X0 Y0; （刀位點運動到螺孔中心）

N46 Z30.0; （刀位點定位于安全高度）

N48 G65 P2012 A20.7 B-20.0 C13.5 E1.0 H1.5;(調用宏程序，粗加工)

N50 G65 P2012 A20.9 B-20.0 C13.5 E1.0 H1.5;(調用宏程序，半精加工)

N52 G65 P2012 A21.0 B-20.0 C13.5 E1.0 H1.5;(調用宏程序，精加工)

N54 M30; （程序結束）

%

2）螺紋零件的加工宏程序

O2012；（宏程序號）

N2 #5= #1-#3；（設置吃刀深度）

N4 G00 X#5；（刀位點運動到螺紋加工位置）

N6 Z[#8+1.0]；（快速下刀至螺紋起始點上方1mm）

N8 G01 Z#8 F200；（切削進給到螺紋起始點）

N10 WHILE [#8 GT #2] DO1；（執行循環語句）

N12 #8=#8-#11； （增加螺距）

N14 G02 I-#5 Z#8 F400；（螺紋加工）

N16 END 1； （循環結束）

N18 G01 X[#5-3.0]；（刀具回退，防止刮傷已加工螺紋）

N20 G00 Z30.0 ；（抬刀）

N22 M99；（子程序結束，返回主程序）

%

2.3 螺紋零件加工參數與效果

按加工余量設置參數的變量，完成粗加工、半精加工和精加工。參數與效果圖如圖11～圖13所示。

3 結論

圖11 粗加工效果圖

圖12 半精加工效果圖圖

圖13 螺紋精加工效果圖

依據數控加工原理，對原有程序進行參數化優化設計，即可通過不同的賦值加工形狀相同而尺寸不同的螺紋，也可在此基礎上作相應更改，加工外螺紋、內外圓角銑削等。宏程序編程中最為關鍵的問題是變量的選擇，變量間的相互關系。找出加工對象結構的規律性，恰當選擇變量，選擇合理參數，可以很方便的通過函數、表達式對刀具軌跡進行描述，實現循環進給，即對宏程序的合理優化。

[1] 謝騏鄧, 奕彭浩, 舸螺. 紋數控加工方法及技巧[J]. 工具技術, 2006, 7.

[2] 藺小軍, 單晨偉, 史耀耀. 螺紋數控銑削加工技術研究[J].制造業自動化. 2010, 1.

[3] 梁海, 黃華劍. 螺紋銑刀在數控加工中心上的應用[J]. 現代制造工程, 2006, 10.