數控宏程序車削凹圓弧異形螺紋探索

張孟陶

（安徽阜陽技師學院機電工程系，安徽 阜陽 236000）

[摘 要] 數控車削中，異形螺紋的編程和加工有別于普通螺紋，在沒有成形刀具的情況下，單純使用固定指令手工編程或使用編程軟件自動編程都很難完成，而運用數學思想，建立數學模型，編寫具有邏輯運算功能的宏程序，使用常規刀具也能夠車削異形螺紋，這也是當前數控車削教學中的難點。通過具體試驗，可以找到車削凹圓弧異形螺紋幾種較為實用的編程方法，對數控教學及技能比賽有一定的幫助。

[關 鍵 詞] 數控；宏程序；車削；凹圓弧；異形螺紋

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）09-0117-03

一、引言

近年來，隨著我國對制造業發展的重視，數控加工作為先進制造技術的典型代表，逐漸被人們所熟知。許多高職和中職院校相繼開設了數控專業，為使用數控設備的企業培養數控人才，數控技能比賽也在全國各省市陸續舉辦。縱觀近幾年教育系統和人社系統舉辦的數控車工技能比賽，異形螺紋的車削，被作為難點項目考查參賽人員的編程和加工水平。

所謂異形螺紋是指螺紋的牙型和尺寸與普通螺紋不同的螺紋，而異形螺紋的編程和加工也有別于常見螺紋（如三角螺紋和梯形螺紋）的編程和加工。三角螺紋和梯形螺紋的加工方法通常是采用機夾成形螺紋刀，對螺紋進行直進法或斜進法加工，在FANUC數控系統下，手工編程指令一般使用單行程螺紋切削指令G32、螺紋切削單一循環指令G92、螺紋切削復合循環指令G76。另外也可以使用數控車編程軟件將螺紋的大徑和小徑畫出，通過設置軟件中的加工參數，自動生成螺紋加工程序，再將程序傳輸到數控車床中。相對于常見螺紋固定的編程指令和簡單的加工方式而言，異形螺紋的編程和加工較為復雜。無論使用哪種編程指令和編程方式，只有刀具的形狀符合螺紋的牙型，才能加工出合格的螺紋。異形螺紋作為考查難點，比賽題目會盡量避免參賽選手賽前準備成形刀具，編程時采用固定指令直進法車削，而使用數控車編程軟件也很難自動生成異形螺紋的加工程序，因此很多選手會感到束手無策，無從下手。本文依據試驗結果，結合實物，以凹圓弧異形螺紋為例，根據圖紙建立數學模型，運用高等數學中微積分的思想，使用常規刀具，在FANUC Series 0i Mate—TC數控系統下，采用宏程序的變量編程、邏輯運算和條件轉移，套用固定指令的方法，從多個角度編寫凹圓弧異形螺紋的加工程序。

二、試驗設備、工量刃具和材料

試驗使用的設備是沈陽第一機床廠生產的CAK4085di數控車床，配置的是FANUC Series 0i Mate—TC系統。工量刃具有：主偏角93°刀尖角35°的右偏外圓刀、主偏角72.5°刀尖角35°的中置外圓刀、游標卡尺、千分尺、卡盤扳手、刀架扳手、加力桿等。試驗材料是45#圓鋼，直徑50mm。

三、分層車削法加工凹圓弧螺紋

（一）加工圖紙

如圖1所示，零件的主要尺寸為：圓弧螺紋外徑40，長度40，圓弧半徑R2，牙深1，螺距P=6。

（二）構建數學模型

零件的外圓可以用右偏外圓刀車削，包括螺紋的外徑部分，可以直接控制到40，圓弧螺紋可以使用中置外圓刀車削，單獨取出一個螺紋牙進行分析，如圖2所示。要完成車削，只需使用刀尖將螺紋牙中的材料去除即可，也就是讓刀尖的軌跡布滿螺紋牙中的空隙，利用高等數學中微積分的思想，將空隙分為若干層，刀具在每層所占的點位連成一條直線，相鄰兩層之間的距離足夠小，這樣刀尖所占的所有點即是空隙中的材料。宏觀上再結合固定指令G92進行車削，即可完成凹圓弧螺紋的加工。

刀尖所在深度不同，每層左右兩端的極限位置也就不同，可以構造直角三角形，利用三角函數算出極限位置的坐標。

（三）編寫螺紋程序

O3；（程序名）

G00 G40 G97 G99；（程序初始化）

M03 S400 T0303；（確認主軸轉速和刀位）

G00 X45.0 Z10.0；（定位循環起始點）

#1=1.0；（根據圖紙定義螺紋單邊牙深變量初始值）

N1 #1=#1-0.1；（每次分層切深0.1，即前面所說的相鄰兩層之間的距離）

#2=SQRT[2.0*2.0-[2.0-#1]*[2.0-#1]]；（根據構造的直角三角形，利用勾股定理計算出每層Z方向開始切削的極限位置）

#3=#2；（定義每層從極限位置開始切削）

N3 #3=#3-0.1；（每次Z方向進刀0.1，即同一層刀尖軌跡相鄰兩點之間的距離）

G00 X45.0 Z[#3+10.0]；（根據變量定位每一刀的切削循環起始點）

G92 X[38.0+2.0*#1] Z-40.0 F6.0；（螺紋底徑38，根據牙深變量計算每層X方向直徑值，利用G92循環指令車削螺紋）

IF [#3 GT -#2] GOTO 3；（建立邏輯判斷語句，完成一層的循環車削）

IF [#1 GT 0.1] GOTO 1；（建立邏輯判斷語句，完成所有層的循環車削）

G00 X100.0 Z100.0；（返回換刀點）

M30；（程序結束）

注：最后一層放棄不車，不能將程序寫成IF [#1 GT 0] GOTO 1；如果車，機床會報警“引數指定錯誤”，原因是#2與#3的邏輯關系會計算錯誤，當車削到最后一層時，根據勾股定理計算出#2=0，此時#3是不能存在于#2和-#2之間的，即當#2=0時，不能滿足-#2<#3<#2。

四、極坐標仿形車削法加工凹圓弧螺紋

（一）加工圖紙

圖紙同圖1加工圖紙

（二）構建數學模型

零件的整體加工思路與圖2大致相同，同樣用到高等數學中微積分的思想，都是讓刀尖的軌跡布滿螺紋牙中的空隙，只是在去除螺紋牙中的材料時，刀尖的軌跡組成的線路與圖2有所不同。圖2的是分層直線，而此方法是根據圓弧的形狀組成仿形線路，如圖所示。

刀尖在圓弧上任意一點的坐標可以通過在極坐標下構造直角三角形，利用三角函數表示。以最后車削的圓弧軌跡為例，以圓弧圓心為極坐標系原點，車削起始點的坐標可以用∠α表示，即起始角，終止點的坐標用∠β表示，即終止角（為編程方便∠α和∠β都是負值），也就是說刀尖軌跡組成的圓弧是從∠α到∠β，起始角和終止角之間的任意角可以用三角函數代入變量表示，而其他軌跡圓弧上的對應點可以在此基礎上加一個深度變量即可表示。

（三）編寫螺紋程序

O4；（程序名）

G00 G40 G97 G99；（程序初始化）

M03 S400 T0303；（確認主軸轉速和刀位）

G00 X45.0 Z10.0；（定位循環起始點）

#1=1.0；（根據圖紙定義螺紋單邊牙深變量初始值）

N1 #1=#1-0.2；（每次仿形進刀0.2，即相鄰兩條圓弧線之間的距離）

#2=-ASIN[1/2] ；（圓弧起點相對圓弧圓心的初始角，用負值表示，即圖中的∠α）

N2 #2=#2-1.0；（極坐標下每次角度變化量1°）

G00 X45.0 Z[2.0*COS[#2]+10.0]；（根據角度和圓弧半徑，計算定位每一刀Z方向的切削循環起始點）

G92 X[42.0-2.0*ABS[2.0*SIN[#2]]+2.0*#1] Z-40.0 F6.0；（圓弧圓心位置42，根據角度、圓弧半徑和牙深變量計算每條仿形軌跡X方向直徑值，利用G92循環指令車削螺紋）

IF [#2 GT [ASIN[1/2]-180.0]]GOTO 2；（建立邏輯判斷語句，完成一條仿形軌跡的循環車削，用反三角函數表示圓弧終點相對圓弧圓心的終止角，即∠β）

IF[#1 GT 0]GOTO 1；（建立邏輯判斷語句，完成所有仿形軌跡的循環車削）

G00 X100.0 Z100.0；（返回換刀點）

M30；（程序結束）

注：因為角度變量是在負值范圍內變化，而所有的長度都是正值，所以根據角度利用三角函數計算出的長度，如果是負值，之前應該加絕對值符號“ABS”，如程序中的G92一段指令。

五、直角坐標仿形車削法加工凹圓弧螺紋

（一）加工圖紙

圖紙同圖1加工圖紙

（二）構建數學模型

零件的整體加工思路與圖3相同，唯一不同的是刀尖軌跡組成的仿形線路不再用極坐標下的角度變量表示，而用直角坐標下的長度變量表示，計算方法不再用三角函數，而用勾股定理，如圖所示。

以最后車削的圓弧軌跡為例，以圓弧圓心為直角坐標系原點，構造直角三角形，車削起始點的坐標可以用SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]表示，終止點的坐標用-SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]表示，起始點和終止點之間的任意一點的坐標可以利用勾股定理代入變量表示，其他軌跡圓弧上的對應點可以在此基礎上加一個深度變量即可表示。

（三）編寫螺紋程序

O5；（程序名）

G00 G40 G97 G99；（程序初始化）

M03 S400 T0303；（確認主軸轉速和刀位）

G00 X45.0 Z10.0；（定位循環起始點）

#1=1.0；（根據圖紙定義螺紋單邊牙深變量初始值）

N1 #1=#1-0.2；（每次仿形進刀0.2，即相鄰兩條圓弧線之間的距離）

#2=SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]；（車削起始點Z方向初始值）

N2 #2=#2-0.1；（直角坐標下每次Z方向長度變化量0.1）

#3=SQRT[2.0*2.0-#2*#2]；（代入變量，利用勾股定理表示任意一點X方向的長度）

G00 X45.0 Z[#2+10.0]；（根據變量定位每一刀的切削循環起始點）

G92 X[42.0-2.0*#3+2.0*#1]Z-40.0 F6.0；（圓弧圓心位置42，根據牙深變量計算每條仿形軌跡X方向直徑值，利用G92循環指令車削螺紋）

IF [#2 GT -SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]]GOTO 2；（建立邏輯判斷語句，完成一條仿形軌跡的循環車削，利用勾股定理表示終止點Z方向坐標）

IF [#1 GT 0]GOTO 1；（建立邏輯判斷語句，完成所有仿形軌跡的循環車削）

G00 X100.0 Z100.0；（返回換刀點）

M30；（程序結束）

六、結束語

本文探索出三種車削凹圓弧異形螺紋的宏程序編程方法，在4.3和5.3的程序中的深度變量也可在操作機床時，通過改變刀補來替代，分層車削的變化量一定要能整除牙深量。在實際加工時，可根據機床性能、刀具強度、工件剛性等適當調整切削參數，以減少空行程，提高切削效率。利用宏程序車削異形螺紋，是通過點的密集構成螺紋的輪廓線，此方法車削的螺紋表面粗糙度較差，如何提高表面質量，還有待于今后進一步試驗和研究。

參考文獻：

[1]沈春根，徐曉翔，劉義.數控車宏程序編程實例精講[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]張運強，穆瑞.FANUC數控系統宏程序編程方法、技巧與實例[M].北京：機械工業出版社，2011.