螺紋切削復合循環指令的應用比較與改進設想

張立君 張樹軍 劉春城 劉 悅 張國斌

(東北大學工程訓練中心，遼寧 沈陽 110004)

目前，在實際應用的數控系統中，均提供幾種螺紋切削指令供編程人員使用。對于螺紋切削復合循環指令，各系統指令的格式以及字母的含義差別較大，確定的切削方式不盡相同。下面以常用的FANUC、DASEN-3i、華中世紀星、SI MENS 數控系統為例，說明螺紋切削復合循環指令在圖1 所示螺紋的編程過程中，指令格式與應用上的差別。

1 FANUC 系統

FANUC 系統，以螺紋切削復合循環指令的不同劃分，主要有0T/16T/18T 和10T/11T/15T 兩種。

1.1 前一種指令的格式

G76P(m)(r)(a)Q(Δdmin)R(d);

G76X(U)_Z(W)_R(i)P(k)Q(Δd)F_;

各參數意義如下:

m:精加工重復次數(取值01～99);

圖1 螺紋尺寸

r:螺紋倒角量(取值00～99);

a:牙型角(可以選取80°，60°，55°，30°，29°，0°中的一種);

dmin:最小進給深度，該值用不帶小數點的半徑量表示;

d:精加工余量;

X(U)、Z(W):螺紋終點的坐標值;

i:錐螺紋的起點與終點的半徑差;

k:螺紋牙型高度(半徑值)，該值用不帶小數點的半徑量表示;

Δd:第一次切削深度，該值用不帶小數點的半徑量表示;

F:螺紋導程(螺距)。

車削圖1 螺紋時使用G76 復合循環螺紋指令，在需要刀具以直進方式切削時，將其輸入為“0”;將其輸入為:80、60、55、40、30、29 后，刀尖以牙型角角度斜進方式進刀，使刀具負載小，排屑容易，并能使背吃刀量逐次遞減，保持恒定的切削面積，使刀具每次切削時的受力一致，能夠顯著提高刀具的使用壽命。并能夠進行雙刃同時微量精車，保證螺紋牙型正確。但粗車時，只能單刃切削，造成一側切削刃磨損嚴重。其中(a)為螺紋牙型角度變量參數，涵蓋了常用螺紋的牙型角，但沒有公制蝸桿齒形角“40”這一數值。

加工圖1 螺紋的程序如下:

1.2 后一種指令的格式

G76X(U)_Z(W)_I_K_D_ F_A_ P_;

各參數意義如下:

X(U)、Z(W):螺紋終點的坐標值;

I:螺紋部分的斜度(半徑差);

K:螺紋牙高(用半徑值指定)，該值用不帶小數點的半徑量表示;

D:第一次切入量，該值用不帶小數點的半徑量表示;

F:螺紋導程(螺距);

A:刀尖的角度(螺紋牙的角度)指定，指令單位1°，省略時默認為0°;

P:螺紋的進刀方式，P1 為斜向進給，恒定切除截面積;P2 為左右交替進給，恒定切除截面積;P3 為斜向進給，恒定背吃刀量;P4 為左右交替進給，恒定背吃刀量。

在這個指令中增加了“P”螺紋進刀方式這項參數，使得刀具能夠實現斜向和左右交替兩種進刀方法，與前一種指令相比更具靈活性，但是沒有精加工參數，在車削精度較高的螺紋時，還需要另外編寫“G32”或“G92”螺紋指令進行精車。

加工圖1 螺紋的程序如下:

2 DASEN 系統

在DASEN 系統中常用的主要有DASEN -3i 和DASEN-3i-L，其螺紋切削復合循環指令的格式也不相同。

2.1 DASEN-3i 的指令格式

G76P(m)(r)(a)R(d);

G76X(U)_Z(W)_R(i)P(k)Q(Δd)F(f);

該指令的各項參數與FANUC 系統第一種格式相似，進刀方式基本相同。不同的是:在第一段格式里，沒有了精車余量這一參數，所有數值均可以帶有小數點。在牙型角參數中，可以輸入0°～90°范圍內的任意數值。也能夠實現雙刃精車。

加工圖1 螺紋的程序如下:

2.2 DASEN-3i-L 的指令格式

G76X(U)_Z(W)_I _K_D_F_A_;

該指令與FANUC 系統第二種格式相似，牙型角參數“A”可以輸入0°～90°范圍內的任意數值，能實現斜向恒定切除截面積方式進刀，仍然沒有精車參數，螺紋牙型精度高時，還需編寫精車指令。

車削圖1 螺紋的程序如下:

3 華中系統HTC-18xpT/19xpT 系列

其螺紋切削復合循環指令的格式如下:

各參數意義如下:

c:精整次數(取值01～99);

r:螺紋Z 向退尾長度(00～99);

e:螺紋X 向退尾長度(00～99);

a:牙型角(取80°，60°，55°，30°，29°，0°);

X(U)、Z(W):螺紋終點的坐標值;

i:錐螺紋的起點與終點的半徑差;

k:螺紋牙型高度(半徑值);

d:精加工余量;

dmin:最小進給深度;

Δd:第一次切削深度(半徑值);

f:螺紋導程(螺距);

該指令在一段格式里，整合了所有參數，其它參數與FANUC 和DASEN 基本相同，能實現斜向恒定切除截面積方式進刀。

加工圖1 螺紋的程序如下:

4 SIEMENS 系統

4.1 SIEMENS—802C/S 系統的螺紋切削循環指令(LCYC97)

格式如下:

各參數如表1 所示。

表1 SIEMENS-802C/S 系統的螺紋切削循環指令(LCYC97)參數意義

編寫圖1 螺紋部分的程序，需要調出LCYC97 螺紋切削循環指令，并在相應的參數空格里填入相關數值，確認后生成程序。編程時，不需要記住相關參數的意義，但修改程序比較繁瑣。

加工圖1 螺紋的程序如下:(以下所有的程序坐標原點均在螺紋的右端)

使用該指令時，只能實現直向恒定背吃刀量的進刀方式，不能實現斜進和左右交替的方法，隨著牙型深度的增加，每次進刀的切削面積越來越大，切削力也越來越大，刀具易磨損并產生扎刀現象。所以使用該指令主要適合加工牙型較淺和螺距較小的螺紋，不適宜加工牙型較深或較大螺距的螺紋。

4.2 SIEMENS—802D 系統螺紋循環指令(CYCLE97)

格式如下:

各參數如表2 所示。

表2 SIEMENS-802D 系統的螺紋切削循環指令CYCLE97 參數意義

螺紋切入角:用參數IANG 表示，用于定義螺紋進刀的切入角度方向。該值為0 時，刀具以直進法進刀;如果該值不為0，則該參數的絕對值為螺紋牙型角的1/2。當該值為正值時，刀具始終沿牙型的一側(即斜向)進刀，當該值為負值時，刀具分別沿牙型兩側交錯進刀。

螺紋的加工類型:用參數VARI 定義，該參數不僅確定螺紋的加工類型，也確定切削螺紋的進刀方式。參數VARI 的值為1～4，其值的含義見表3 所示。

表3 SIEMENS 系統的的802D 系統規定的螺紋加工類型

編寫圖1 螺紋部分的程序時，與802C/S 一樣，需要調出CYCLE 97 螺紋循環指令，并在相應的參數空格里填入相關數值，確認后生成程序。編程時，同樣不需要記住相關參數的意義，修改程序同樣比較繁瑣。

加工圖1 的程序如下:

與802C/S 的LCYC97 相比，該指令增加了“IANG”刀具切入角和“VARI”螺紋加工類型兩項參數，其中輸入不同的刀具切入角時，不僅能夠實現切削不同牙型的螺紋，也能夠根據牙型深度，確定刀具的進刀方式是直進法、斜進法還是左右交替進刀法。在確定“VARI”螺紋加工類型后，能夠實現恒定切除截面積進刀方式，以保護刀具，提高螺紋加工質量。比較適宜加工牙型較深或較大螺距的三角形螺紋和較小導程的梯形螺紋等。加工大導程的梯形螺紋、蝸桿時，隨著吃刀深度的增加、接觸牙型面積逐漸增大，使得刀具易振動、磨損和扎刀。

5 對比的結果

在上述幾種螺紋復合切削指令中，FANUC 系統和DASEN-3i-L 系統的一段格式具有編寫和修改程序最簡單的特點;SIEMENS—802D 系統的指令具有加工范圍廣，進刀方式多樣，能夠延長刀具使用壽命、提高牙型精度的的特點。在加工螺紋范圍和指令編寫方面DASEN-3i 系統的兩段格式指令要好于FANUC 系統的兩段格式，次于FANUC 系統的一段格式。對于大導程、多線螺紋、異型螺紋和蝸桿等，使用上述螺紋切削復合循環指令編程后，有的加工效果不好、有的無法加工，鑒于此，設想了新型的指令，以適應所有螺紋加工的需要。

6 針對大導程、多線等螺紋的螺紋切削復合循環指令的設想

6.1 在普通車床切削大導程、多線螺紋

以車削梯形螺紋為例，刀具可以按以下幾種方式進刀(見圖2):

(a)直向進刀，恒定背吃刀量方式;

(b)直向進刀，恒定切除截面積方式;

(c)斜向進刀，恒定背吃刀量方式;

(d)斜向進刀，恒定切除截面積方式;

(e)斜向進刀，左右交叉進刀，恒定切除截面積方式(或恒定背吃刀量式);

(f)等背吃刀量及面積，斜向進刀，分層同向切削，同層向右切削;

(g)等背吃刀量及面積，斜向進刀，分層左右交替切削，同層同向切削;

(h)背吃刀量及面積逐次遞減，斜向進刀，分層同向切削，同層向右切削;

(i)背吃刀量及面積逐次遞減，斜向進刀，分層左右交替切削，同層同向切削;

(j)背吃刀量及面積逐次遞減，斜向進刀，分層左右交替切削，同層左右交替切削;

(k)背吃刀量深及面積，中間直向進刀，分層直向切削，同層左右交替切削;

(l)背吃刀量及面積逐次遞減，中間直向進刀，分層直向切削，同層左右交替切削。

圖2 刀具進刀方式

數控車床使用上述數控系統的螺紋切削復合指令編程，功能較好的系統可以實現d 和e 切削效果較好的進刀方式，但隨著牙型深度的增加，仍然存在切削力大、易振動、刀具易磨損和扎刀等問題。在切削大導程的螺紋(蝸桿)時，比較理想的是能夠實現圖2f～l 這些分層切削的方式。但使用螺紋復合指令無法實現，如果使用宏程序，編程難度大，程序冗長，繁瑣且易出錯。隨著數控系統功能和計算機技術的不斷進步，系統廠家可以編制一個實現分層切削的指令，則能夠極大的擴展螺紋切削復合指令的使用范圍，明顯減少刀具破損、打刀的概率，提高刀具的使用壽命和牙型精度。在車削大導程螺紋時，不分層直進和斜進方法且以恒定背吃刀量切削對刀具和牙型不利，所以在編制新的指令時，應該編制分層切削的參數。

下面以圖2g 和i 兩種對刀具和牙型均有利的進刀方式為例，來設想新型螺紋切削復合指令。

6.2 基于FANUC 系統的新型兩段指令

其格式如下:

G76 X(U)_Z(W)_I_K_D_ F_A_P_;

G76 N_M_Q_R_ E_C_B_ L_;

各參數意義如下:

X(U)、Z(W):螺紋終點的坐標值;

I:螺紋部分的斜度(半徑差);

K:螺紋牙高(用半徑值指定);

D:第一次切入量，用半徑量表示(確定分層切削每層切除截面積恒定時，其值由“K”/“L”來確定);

F:螺紋導程;

A:牙型角度，指令單位1°，取0°～180°，刀具按指定的牙型輪廓進刀;

P:螺紋的旋向，1 為右旋，2 為左旋;

N:精加工余量;

M:精加工次數;

Q:螺紋線數，在分別粗車所有牙型并且每頭螺紋留有“N ”所指定的余量后，再分別精車;

R:螺紋進給方式:

R1:螺紋進給方式(分層切削，每層背吃刀量及切除截面積恒定，斜向進刀)，見圖2g;

R2:螺紋進給方式(分層切削，每層背吃刀量和切除截面積遞減，斜向進刀)，見圖2i，其切削層數由系統在指定由“K”和“D”后自動確定;

按此方式切削時，右旋螺紋第一層從右斜向進刀，第二層從左斜向進刀;左旋螺紋第一層從左斜向進刀，第二層從右斜向進刀，以后每層以此類推。

E:牙槽底寬(齒根底寬);

C:牙頂間寬(齒頂間寬);

B:第一層切削次數，以后每層的切削次數由“D”、“E”和“C”判定;

L:每層切除截面積恒定時的切削層數(取1～99)，輸入L0 時為背吃刀量及切除截面積遞減方式。

上述五項參數省略時系統默認切除截面積恒定且不分層左右交替切削，用于加工小導程螺紋。

6.3 基于SIEMENS 系統的新型指令

如表4～6 所示。

表4 基于SIEMENS 系統的參數含義

表5 類似SIEMENS802D 系統規定的螺紋加工類型

表6 類似SIEMENS 802D 系統規定的進刀位置及方式

7 結語

上述設想的兩種新型螺紋切削復合指令能夠切削所有的普通三角螺紋、梯形螺紋、異型螺紋和蝸桿，具有適用范圍更廣、應用更靈活、功能更強大的特點。在數控系統開發人員今后編制指令時，希望能夠起到一定的借鑒作用。

［1］沈劍鋒.數控車床編程與操作實訓［M］.北京:國防工業出版社，2005:173 -177.

［2］DASEN-3i 程式說明書［Z］.

［3］DASEN-3i-L 編程手冊［Z］.

［4］葉伯生、周向東等.華中數控系統編程與操作手冊手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010:107 -108.