大螺距圓弧螺紋的擬合法加工

嚴(yán)帥，王伶俐

(1.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南通 226010；2.南通福樂達(dá)汽車配件有限公司，江蘇 南通 226300)

0 前言

在螺旋傳動機(jī)構(gòu)中，常采用大螺距的圓弧螺紋來傳遞運(yùn)動，選擇一種高效的圓弧螺紋加工方法很有必要。目前螺紋加工方法有多種，其中螺紋數(shù)控車削加工是一種自動化程度較高的螺紋加工方法，在現(xiàn)代制造業(yè)中廣泛使用，在數(shù)控車削系統(tǒng)中有規(guī)則螺紋的切削指令，這些指令對應(yīng)的切削方式和編程方法雖有所不同，但都屬于仿形法加工，這些指令較適合加工螺距較小、牙深較淺的螺紋，大螺距圓弧螺紋由于深度大，利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的標(biāo)準(zhǔn)螺紋切削指令進(jìn)行仿形加工時，易產(chǎn)生扎刀現(xiàn)象，從而會影響圓弧螺紋的加工品質(zhì)[3]。為此，在加工大螺距圓弧螺紋時可采用擬合法加工，擬合法是建立在宏程序的基礎(chǔ)上，依靠編程來解決螺紋加工中切削力過大的問題，采用擬合法數(shù)控車削加工大螺距圓弧螺紋，可減輕刀具制造難度，降低勞動強(qiáng)度，提高加工效率和螺紋加工精度。

1 圓弧螺紋擬合加工基礎(chǔ)

1.1 擬合加工原理

擬合加工是通過不斷改變刀具起點(diǎn)位置對螺紋進(jìn)行趕刀加工，逐點(diǎn)逼近實(shí)際螺紋輪廓的一種加工方法[1]。

圖1 分層切削示意圖

切削每層圓弧時采用擬合法，通過不斷改變刀具起點(diǎn)位置對螺紋進(jìn)行趕刀加工，逐點(diǎn)逼近實(shí)際螺紋輪廓，如圖2所示。

圖2 分層擬合示意圖

1.2 刀具選擇

a) 刀具選擇原則[2]

擬合加工中，刀具的選擇不受螺紋牙型的限制，因此，大螺距圓弧螺紋擬合加工中刀具選擇的原則是：

1) 確保刀具具有足夠的強(qiáng)度；

2) 刀具不與螺紋牙型發(fā)生干涉。

b) 刀具形狀

根據(jù)刀具選擇原則，在采用擬合法加工半圓及大于半圓的圓弧螺紋時，常選用圓弧形車刀，車刀圓弧半徑要小于等于螺紋的圓弧半徑，以避免發(fā)生干涉，同時，為保證足夠的強(qiáng)度，車刀圓弧半徑不宜過小。

c) 刀具材料

圓弧螺紋擬合加工中，常選用硬質(zhì)合金刀具或涂層刀具，以適應(yīng)高速擬合切削，提高加工效率。

1.3 刀具中心軌跡數(shù)學(xué)模型

圖3 刀具中心軌跡坐標(biāo)系

在直角坐標(biāo)系xoz中，刀具中心軌跡為圓，半徑為R-r,若設(shè)刀具中心的方位角為θ，則刀具中心的軌跡方程為：

(1)

數(shù)控車削加工中，為了編程方便常取工件右端面中心o1為編程原點(diǎn)，在編程坐標(biāo)系x1o1z1中，刀具中心起始坐標(biāo)為(x為直徑編程，z向考慮空行程導(dǎo)入量)：

(2)

x=(R-r)sinθm=R-hm-r

設(shè)終止角為θm'，由圖3可知θm'=π-θm。

2 圓弧螺紋擬合加工程序編制

2.1 擬合加工程序流程圖

擬合法是建立在宏程序的基礎(chǔ)上，圖4是圓弧螺紋加工的宏程序流程圖。

圖4 宏程序流程圖

從圖4中可知，圓弧螺紋擬合加工由兩重循環(huán)組成：第一重循環(huán)實(shí)現(xiàn)同層圓弧螺紋加工，刀具從初始角θm開始，通過改變方位角，按方程組(1)所示的軌跡運(yùn)動不斷改變刀具起始位置，實(shí)現(xiàn)同層圓弧螺旋槽的加工，加工中，每刀方位角與終止角進(jìn)行比較，當(dāng)方位角大于終止角，開始第二重循環(huán)；第二重循環(huán)實(shí)現(xiàn)x向的分層切削，完成圓弧螺紋的粗加工，保留精加工余量。

2.2 擬合加工程序變量

為了便于編程，對宏程序中的變量進(jìn)行如下定義：

#1：層切削深度h；

#2：螺紋圓弧半徑R；

#3：刀具半徑r；

#4：初始角θm；

#5：終止角θm'；

#6：方位角θ；

#7：刀具中心x坐標(biāo)；

#8：刀具中心z坐標(biāo)；

#9：精加工余量 。

2.3 加工程序

編制圖5所示零件的圓弧螺紋加工程序，已知螺紋的螺距為10mm，圓弧半徑為3.5mm，公稱直徑為80mm。

圖5 圓弧螺紋

圖5所示零件擬合加工宏程序如下：

T0101；

M3 S300；

F0.2；

G00x85z20；

#1=0.4； 第一次進(jìn)刀深度h

#2=3.5； 圓弧半徑

#3=2； 刀具半徑

#9=0.2； 精加工余量

WHILE [#1 LT [#2-#9]] DO1 ；

#4=arcsin(#2-#3-#1)/(#2-#3)；

#5=π-#4；

#6=#4；

G00 X85；

WHILE [#6LT#5] DO2；

#7=80+2*(#2-#1+(#2-#3)*sin(#6))； 起刀點(diǎn)x向坐標(biāo)

#8=(#2-#3)*cos (#6)+20 ； 起刀點(diǎn)z向坐標(biāo)

G01x#7z#8 ；

G32 Z-70 F10；

G01x82；

G00z20；

#6=#6+1；

END 2；

#1=#1+0.4；

END 1；

G00 X85；

#1=3.5；

WHILE [#6LT#5] DO3；

#7=80+2*(#2-#1+(#2-#3)*sin(#6))；

#8=(#2-#3)*cos (#6)+20；

G01x#7z#8；

G32z-70 F10；

G01x82；

G00z20；

#6=#6+1；

END 3；

M30；

3 結(jié)語

以上介紹了圓弧螺紋的擬合加工方法，建立了擬合加工中圓弧刀具中心的數(shù)學(xué)模型，并利用宏程序進(jìn)行了擬合加工程序的編制，采用擬合法數(shù)控車削加工大螺距圓弧螺紋，減輕了刀具制造難度，降低勞動強(qiáng)度，提高加工效率和螺紋加工精度。

[1] 郝繼紅、甄雪松，等.數(shù)控車削加工技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：252-254；.

[2] 嚴(yán)帥.數(shù)控車加工技術(shù)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2011：12-14；.

[3] 夏靜文，穆麗沙.數(shù)控車床上圓弧螺紋的宏程序編制與加工[J]，機(jī)械工程與自動化，2012，172(3)：68-70.