數控車曲面螺紋的加工方法

【摘要】數控車技能競賽日趨激烈，異形螺紋是大賽新的考點和難點，本文以橢圓面上車圓弧螺紋為例探討非圓曲面和螺紋的編程，加工和比賽是的技巧，通過FANUC系統數控機床加工，驗證和分析程序的可行性，解決生產加工難題。

【關鍵詞】宏程序；非圓曲線；橢圓；圓弧螺紋；步距；坐標系

1.前言

非圓曲面（如橢圓，雙曲線，拋物線等）螺紋工件可用于緊固工件或裝飾工藝品，現有數控系統沒有現成曲面螺紋循環指令，這時可用宏程序手工編程方式實現，簡單高效，可擴大機床的加工范圍。

本文以如圖1所示工件為例，介紹FANUC系統宏程序的編程，探討非圓曲面螺紋的加工方法。已知橢圓的長半軸a=50，短半軸b=20，方程式：小圓直徑為5，深度為1，槽底直徑24，寬10，螺距6。

2.編程思路

非圓曲線的加工很容易，關鍵是螺紋。曲面螺紋的加工是刀具沿著曲面路徑加工而成。當刀具的切削起點有規律的變化，每次還沿著曲線的軌跡車螺紋，就形成了曲面異形螺紋。本例橢圓曲面圓弧螺紋的切削起點有規律的變化（沿著R2.5小圓的圓周作等步距的變化），每次螺紋還都走橢圓曲線，最終形成橢圓面上圓弧螺紋，所以編程的關鍵是小圓的圓心坐標系與橢圓坐標系疊加起來找到與工件坐標系的關系，再計算出小圓圓心角的變化范圍和橢圓曲線的變化范圍，問題就迎刃而解了。

3.圓弧螺紋的切削加工

3.1 刀具的選擇

該螺紋如果使用Φ5的圓弧刀，圓弧刀要磨出一定的螺旋升角，防止刀具的后刀面與工件發生干涉。螺紋到達底部時切削刃與工件接觸過多，容易引起振動，切削高強度材料時容易崩刀。若使用93o尖刀，排屑比較容易，加工牙型表面質量比較好，但螺紋曲面要平緩，牙型深度不宜過深.防止刀具與工件發生干涉。

3.2 螺紋切削用量的選擇

螺紋切削時，在考慮刀具的壽命的同時要保證螺紋質量和最佳切削速度，合理的走刀次數和進刀量對螺紋的質量有決定性的影響，圓弧刀轉速取200r/min（轉速公式N≦1200/P-K），尖刀轉速可以高一些300r/min，切削深度不宜過大，進給速度為一個螺距F=6，當然轉速和吃刀量還要根據機床的剛性，刀具的強度和切削材料的強度等具體情況而定。

3.3 螺紋的切削指令選擇

FANUC系統螺紋的加工指令有G32，G92，G76，G35/G36，但對于非圓曲面螺紋的加工，數控車系統沒有現成的螺紋加工指令，只有利用G32指令結合非圓曲線輪廓宏程序加工。G32螺紋切削指令格式為：

G32X（U）_Z（W）_F_X（U），Z（W）為螺紋切削的終點坐標值，F為導程

3.4 編程加工方法

方法一，使用尖刀加工圓弧螺紋。

（1）螺紋行程的確定

在數控加工螺紋時，由于車床伺服系統本身有滯后性，在螺紋的起始段和停止段發生螺距不規則現象，也就是車螺紋時起始時有一個加速過程，結束時有一個減速過程，所以車螺紋時設置導入量和到處量。如上圖將螺紋進，退刀點偏移工件一個螺距。

（2）小圓圓心角和橢圓起始，終止角的變化范圍

通過繪圖軟件CAD可以方便標出小圓1圓心坐標O2（24.0，19.02），小圓1到9起始和終止角度的變化范圍在[25，155]之間，（比賽的時候不需要標出小圓的起始和終止角，直接取[0，180]）.橢圓曲線的起始角α和終止角β為：α=arccos（24/51.5）=62.2°β=180-α=117.7°

（3）坐標系的疊加

工件坐標系，橢圓坐標系和小圓坐標系的坐標原點分別為O，O1和O2（如圖2所示）任意切削點A的確定，在小圓坐標系下圓的參數方程和在橢圓坐標系下橢圓的方程分別為：

以上程序陰影部分橢圓曲線的程序也可以用橢圓的標準方程編寫，值得注意的是橢圓的標準方程和參數方程編程時，由于逼近橢圓曲線的方式不同的，為了減少螺紋的誤差，橢圓曲線和螺紋的編程方法要統一。橢圓曲線加工精度與步距有關，步距越小，橢圓的精度越高。

方法二，使用成型刀加工圓弧螺紋。

（1）宏程序的調用

功能：當指定G65時，調用以地址P指定的用戶宏程序，數據（自變量）能傳遞到用戶宏程序中。

格式：G65P（p）L（I） （自變量賦值）

（p）要調用的程序號

（I）重復次數（省略時默認為1）

（自變量賦值）：傳遞到宏程序的數據

（2）吃刀量和刀具軌跡

由于使用圓弧刀車螺紋時，越靠近底部吃刀刃越寬，切削力越大，也容易振動，根據機床，刀具的具體情況分配吃刀量，第一刀量可以多一點，最后一刀量少點，刀具的軌跡如圖4所示（O1為螺紋切削起點，圓弧刀對刀時Z方向必須是圓弧刀的中心）。

上面程序也可使用單一循環修改刀補值的方法來實現，在機床的摩號中修改每一刀切削深度值，其程序省略。

4.加工方法比較和分析

從以上的加工方法看，使用尖刀編程繁瑣，但加工表面質量更好，必須注意的是牙型深度不宜過大否則刀具與工件發生干涉。使用直徑為5MM的成型刀使用單一循環修改刀補值的方法編程非常簡單，在技能比賽中非常實用，但有一定的局限性，有時沒有牙型形狀的刀子。當牙型深度過大甚至大于于小圓半徑時，必須選擇小于小圓半徑的圓弧刀，采用尖刀的編程方法，將上述方法結合起來就可以了。

5.結束語

筆者巧用非圓曲線輪廓宏程序結合G32螺紋切削指令的方法，解決了曲面螺紋編程問題，只要改變變量賦值，曲線方程或成型刀的形狀，就能適應同類零件非圓曲面螺紋的編程與加工，在生產中有著實際意義。

參考文獻

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作者簡介：閆申（1985—），男，數控車技師，主要從事機車齒輪數控車床編程調試。