基于宏程序自定義螺紋車削循環的應用

■航天科工集團第四研究院 （湖北孝感 432100）　孫武兵

基于宏程序自定義螺紋車削循環的應用

■航天科工集團第四研究院 （湖北孝感 432100）孫武兵

為了提高數控車削螺紋的加工精度、刀具壽命及編程效率。針對FANUC 0iT數控系統的螺紋切削功能進行二次開發，通過自定義G代碼，使用宏程序編寫出一個新的螺紋切削循環。它采用了改進式側向進刀方式、通過指定走刀次數進行恒切削量的加工方法，并且簡化了編程格式，擴展了數控系統的功能。

使用現代化的切削刀具加工螺紋是一種有效和可靠的加工工藝。當正確使用時，能加工出高質量的螺紋。刀片可以用不同的進給方式加工工件，所獲牙型都是相同的，但是以不同的方式加工，對切屑形狀、刀具磨損和螺紋質量具有不同的影響。在山特維克可樂滿、山高、肯納等刀具切削手冊中均提出采用改進式側向進刀的方法，進給角應控制在3°～5°之間小于螺紋角，是大多數螺紋切削的首選，易于斷屑和控制切屑，提高表面質量，延長刀具壽命。

1. 提出問題

我公司數控車床多為FANUC 0i系統，常采用G76螺紋切削循環進行螺紋加工。它沿齒側面進刀的進給角為0°，切削刃右側切削深度一直為0mm，單側刀刃切削工件，經常出現加工的螺紋面不直，刀尖角發生變化﹑刀具磨損較大等現象。G76編程格式較為復雜,需要計算多個參數，而且難以精確控制走刀次數和恒切削量進給。

2. 解決問題

在常見的加工問題及解決方案中均提出使用改進式側向進刀。本人根據實踐工作經驗，分析常規數控螺紋加工循環的優缺點，編制出改進式側向進刀的G176螺紋切削循環。創新方法：①采用改進側向進刀方式，特別是在內螺紋加工時采用反向側向進給方式。②指定走刀次數進行加工，恒切削量的方式。③自定義G代碼編寫出一個新的螺紋切削循環，由宏程序參數化編程的方法來實現。

（1）沿齒側面進刀是許多CNC機床最常且只能使用的方法，對于改進式側向進刀方式，需要用戶自編程。它包括了優化進給方式側向進刀角度為5?，走刀次數、進給量和編程格式簡單的特點。下面為兩種進刀方式的比較，如圖1、圖2所示。

沿齒側面進刀的優點：利用刀片側刃進給切削,使切屑容易排出切削區域,這就減少刀片后沿形成毛刺的問題。切削力小，不容易引起振動。

沿齒側面進刀缺點：刀片可能有拖曳或摩擦的現象而使刃口崩刃。右側后刀面磨損大。在切削軟而粘性的金屬，如低碳鋼、鋁和不銹鋼時，容易引起破損或表面質量較差。

圖1　沿齒側面進刀

圖2　改進式側向進刀

改進式側向進刀優點：刀片同時切削螺紋牙形兩側，可以抑制后刀面的磨損。雖然也會形成V形，但是由于切屑厚度不平均，有利于排屑。切削力小，不容易引起振動。這是比較好的進刀方法，尤其是使用有斷屑槽的刀片時。在切削內螺紋時宜采用反向側向進刀方式，它能改變切屑排出方向，使其向孔外方向排出，防止切屑堵塞內孔。如圖3所示。

圖3　兩種不同的側向進給

（2）走刀次數和進給量對于螺紋切削加工具有決定性的影響。走刀次數所示可作為初始值的推薦值，合適的走刀次數可通過試驗來決定(見附表)。

進給量的計算方法采用是恒定的切屑面積：該方法是現代數控機床上最常用的方法并且通常加工效率最高。根據螺紋牙型深度，切深起始值相對較大，之后逐漸減小并最終達到0.02～0.09mm。每次走刀切削刃都具有均勻負荷，這從刀具壽命來說是有益的。圖4所示為恒切削量。采用恒切削量方式時，每次走刀的進刀量的計算。

式中，Δapx為徑向進給；x為實際走刀順序數（從1到總的走刀次數）；ap為螺紋總深度；nap為軸向進給次數；φ為第1次走刀=0.3，第2 次走刀=1，第3 次走刀=x–1。

圖4　恒切削量的示意圖

（3）宏程序參數化編程以及自定義G代碼的方法：①使用用戶宏程序時，除了可直接指定數值外，還可以指定變量號。根據變量號，可以將變量分為局部變量、公共變量、系統變量，各類變量的用途和特性各不相同。②編寫的宏程序中使用了IF條件轉移語句和WHILE循環語句。在WHILE后指定條件表達式：當指定的條件表達式滿足時，執行從DO到END之間的程序；當指定的條件表達式不滿足時，進入END后面的程序段。在IF后指定＜條件表達式＞：如果指定的＜條件表達式＞（真）滿足，則轉移到順序號為n的語句；如果條件表達式不滿足，程序執行下一程序段。IF[<條件表達式>]THEN：如果＜條件表達式＞成立（真），則執行指定在THEN之后的宏語句。③用G代碼調用宏程序，在FANUC系統中參數No.6050～No.6059中設置。

用這種方式調用宏程序的優點是，即使編程經驗很少的程序員也能使用一些預定義的宏程序，而不用知道宏程序知識。新的G代碼可以像標準G代碼一樣使用，甚至不用知道它所調用的宏程序號。

%

O1234(加工M24螺紋程序)

T0202

G97M3S1000

G0X30Z5M8

G176 A8 X24 Z-20 F1.5

G0X200Z200

M30

%

%

O9010（G176調用的宏程序）

#30=#5041 （X軸當前值）

#31=#5042 （Z軸當前值）

#2=0.3（第一刀進刀常量）

#3=#9*0.65（外螺紋牙型高為螺距×0.65）

#4=#9*0.54（內螺紋牙型高為螺距×0.54）

#15=#9*0.06 （斜向退刀量）

#16=60/2-5（60°ISO螺紋側向進刀角度為5°）

IF[#1EQ1]THEN#1=2（A=#1走刀次數的設定）

IF[#17EQ#0]THEN#17=0（Q=#17螺紋切削開始角度設定）

IF[#30GT#24]GOTO100（如果為外螺紋跳轉到N100程序段）

IF[#30LT#24]GOTO200（如果為內螺紋跳轉到N200程序段）

螺紋車削走刀次數的建議表

N100#14=#3/SQRT[#1-1.]*SQRT[#2]（N100加工外螺紋）

#5=#14*TAN[#16]

IF[#31LT#26]THEN#5=-#5

IF[#31LT#26]THEN#15=-[ABS[#15]]

#10=#31+ABS[#26]-#5

#11=#10*TAN[#18]

G0Z[#31-#5]

X[#24-2*[#14+#11]]

G32X[#24-2*#14]Z[#26+#15] F#9Q#17

X#24Z#26

GOTO300

N200#14=#4/SQRT[#1-1]*SQRT[#2]（N200加工內螺紋）

#5=#14*TAN[#16]

IF[#31LT#26]THEN#5=-#5

IF[#31LT#26]THEN#15=-[ABS[#15]]

#10=#31+ABS[#26]-#5

#11=#10*TAN[#18]

G0Z[#31+#5]

X[#24-#9+2.*[#14+#11]]

G32X[#24-#9+2*#14]Z[#26+#15] F#9Q#17

X[#24-#9]Z#26

N300G0X#30（X軸退刀）

Z#31（Z軸退刀）

#7=2.（加工次數設定）

WHILE[#7LE#1]DO1（加工次數的循環）

IF[#30GT#24]GOTO400（如果為外螺紋跳轉到N400程序段）

IF[#30LT#24]GOTO500（如果為內螺紋跳轉到N500程序段）

N400#14=#3/SQRT[#1-1]*SQRT[#7-1.]

#5=#14*TAN[#16]

IF[#31LT#26]THEN#5=-#5

IF[#31LT#26]THEN#15=-[ABS[#15]]

#10=#31+ABS[#26]-#5

#11=#10*TAN[#18]

G0Z[#31-#5]

X[#24-2.*[#14+#11]]

G32X[#24-2*#14]Z[#26+#15] F#9Q#17

X#24Z#26

GOTO600

N500#14=#4/SQRT[#1-1.]*SQRT[#7-1.]

#5=#14*TAN[#16]

IF[#31LT#26]THEN#5=-#5

IF[#31LT#26]THEN#15=-[ABS[#15]]

#10=#31+ABS[#26]-#5

#11=#10*TAN[#18]

G0Z[#31+#5]

X[#24-#9+2*[#14+#11]]

G32X[#24-#9+2*#14]Z[#26+#15] F#9Q#17

X[#24-#9]Z#26

N600G0X#30（X軸退刀）

Z#31（Z軸退刀）

#7=#7+1.（走刀次數遞增）

END1

M99

%

程序算法流程：①讀取當前X軸Z軸的系統參數并儲存，作為螺紋循環加工起點。②根據螺距計算螺紋的切削深度。③設定沿齒側面進刀的角度，在實際加工中推薦值為5°。④通過當前儲存的X、Z軸坐標值與G176循環里的X、Z值相比較，來區分內外螺紋和螺紋旋向，選擇螺紋的切削深度。⑤根據G176循環里的A值指定的走刀次數進行恒切削量的計算。⑥通過各種條件判斷及循環運算來控制程序進行螺紋切削。⑦當設定條件滿足即螺紋切削完成，并返回主程序。

由于公司加工的螺紋多為ISO三角螺紋，所以本程序中的螺紋高度是根據ISO三角螺紋而設定的。在進行英制螺紋或梯形螺紋加工改變 #3 和#4牙型高這個參數即可。

（4）加工中的使用情況：①在加工材料為高溫合金的螺釘時，由于G76螺紋循環的沿齒側面進刀方式導致加工硬化現象嚴重，刀具磨損較快，特別是零切深的一側后刀面磨損尤為嚴重。采用G176螺紋循環后，加工硬化的現象有所減輕，刀具耐用度提高40%。②在加工材料為金屬鉬的零件M6螺紋時，由于材料可加工性差，原有的加工方式螺紋牙型崩缺現象較嚴重，導致螺紋不能使用。采用G176螺紋循環后，螺紋牙型完整沒有崩缺現象，表面粗糙度值達到Ra=1.6μm以上。

3. 結語

通過實踐證明G176改進式螺紋循環，不僅行之有效，而且方便快捷，簡化了G代碼格式，使編程最簡單化，降低了由編程產生錯誤的可能性，提高了刀具壽命和生產效率。這種方法和思路同樣可以應用在其他數控功能的開發。

[1] 彼得·斯密德.FANUC數控系統用戶宏程序與編程技巧[M]. 北京：化學工業出版社，2010.

20150512）