基于宏程序編程的滾珠絲杠雙圓弧螺紋數控車削加工

沈羽，王西建

（河南質量工程職業學院，河南 平頂山 467000）

滾珠絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想產品。由于具有效率高、傳動靈活、精度保持性好、摩擦阻力小的特點，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業設備和精密儀器。滾珠絲杠上的螺紋區別于普通螺紋，牙型為圓弧形，屬于異型螺紋。數控車床自帶的螺紋加工指令只能加工圓柱面和圓錐面上形狀規則的螺紋，無法用常見的專門指令編程，也難用CAD/CAM自動編程。對于螺紋牙型不規則和異型螺紋則需要選擇成型刀或者其他的辦法來加工。本文以Funac 0i系統為例，采用宏程序，通過直線擬合逼近雙圓弧曲線的方法，剖析滾珠絲杠雙圓弧螺紋數控車削的加工方法和編程思路。

1 零件圖樣分析

圖1 滾珠絲杠圓弧螺紋

如圖1所示為滾珠絲杠，材料 GCr15鋼，外圓柱體上有圓弧螺紋，螺紋牙型輪廓為對稱圓弧，由R1和R3雙圓弧連接過渡組成。導程為5mm，牙深相對導程較淺（0.878），螺紋旋向為右旋。

2 螺紋切削的加工工藝分析

2.1 裝夾方式的選擇

在加工此零件的圓弧螺紋時，考慮到螺紋加工時設置的導入到出的距離，螺紋段兩端的圓柱部分太短，無法利用三爪卡盤裝夾，且該零件為薄壁類零件，切削過程中受力較大，利用外圓裝夾易變形，因此采用內孔穿芯軸來保證加工螺紋的精度。

2.2 刀具的選擇

普通螺紋的形狀可用仿形車刀加工而成，特殊螺紋的形狀由車刀形狀和刀路的擬合而成。圓弧螺紋的弧形較小時，為了避免加工干涉和考慮到可以采用圓弧形車刀車削，考慮到留有一定的調整和精車余量，圓弧車刀半徑必須小于圓弧螺紋牙型輪廓上的最小曲率半徑。對于牙型較深、寬度較大、導程較大的螺紋，車削時切削的余量和切削抗力都較大，用圓弧車刀會引起工件彎曲、變形，而且容易引起過切、干涉的現象。考慮到刀具與程序的通用性以及編程方便，在加工本例工件中的圓弧螺紋時，選擇30°尖刀或30°偏刀，刀尖圓弧的半徑為0.2。

2.3 切削用量選擇

在車削螺紋時，車床的主軸轉速受到螺紋螺距的大小、驅動電機的升降頻特性及螺紋插補運算速度等多種因素的影響，根據主軸轉速的推薦公式： N=1200/P-K 。（注：其中p是螺紋的螺距,k是保險系數，一般取為80）。本例中，主軸轉速n取200r/min。

采用普通螺紋數控車削分層切削的方法，利用宏程序進行X軸分層加工，背吃刀量由變量控制。

2.4 螺紋加工指令選擇

在Fanuc系統中，螺紋切削指令有：單行程螺紋切削指令G32、螺紋切削簡單循環指令G92、螺紋切削復合循環指令G76等，考慮到程序的簡潔，這里選擇G92并采用宏程序編程。

2.5 走刀路線的設計

為了避免在螺紋加工主軸升速、降速時螺距不一致的問題，螺紋切入，切出材料必須設置一段導入長度和切出長度。為了在一次循環中就完成螺紋的分層加工，在計算出X軸的分層進給量后，沿著整個輪廓進行Z向分段加工，直至將整個螺紋牙型輪廓擬合出為止。根據零件形狀的特點，首先選擇一個合適的循環起點，以G00 快速走刀至循環起點上，以G92 進行一次螺紋切削循環。為了實現X、Z方向遞進分層螺紋切削循環，螺紋切削循環的起刀點為一個動點。

2.6 用戶宏程序流程圖

應用宏程序編程的滾珠絲杠雙圓弧螺紋車削加工的流程圖如圖2所示。

圖2 滾珠絲杠雙圓弧螺紋車削加工流程圖

3 圓弧螺紋數學模型分析與數據處理

通過分析，該零件螺紋的形成輪廓為對稱圓弧，圓弧螺紋牙型由R1和R3的雙圓弧連接過渡組成。為了方便表達圓弧上點的坐標，采用參數方程。 圓的參數方程如下：

Y=R★SINα；

X=R★COSα；

轉換到數控車床坐標系的表達式：

X=R★SINα；

Z=R★COSα；

圖1中的工件坐標系原點為右端面與軸心線交點。通過計算機輔助軟件計算出R1和R3圓弧相切的點的坐標或切點和圓心的連線與Z軸夾角，通過圖紙分析，起刀點選在R1圓弧的頂點，首先R1圓弧的頂點從沿著R1圓弧輪廓加工，接著沿著R3圓弧輪廓加工，為了在一次循環中就完成螺紋的分層加工，在計算出X軸的分層進給量后，沿著整個輪廓進行Z向分段加工，直至將整個螺紋牙型輪廓擬合出為止。

4 程序編制

4.1 螺紋部分參考加工程序

參考程序（FANUC 0i ）：

O1234;//程序號

……..

T0303; //調用圓弧用車刀；

M03S200; //主軸低轉正轉；

G00X48.0Z10.0 M08 ; //到達起刀點，切削液開；

#1=90.0; //R1圓弧切深初始值；

WHILE[#1LE128.68]DO 1; //切深循環，R1圓弧總切深從90°到128.68°；

#2=1★SIN[#1] ; //螺紋R1圓弧上動點x坐標；

#3=1★COS[#1] ; //螺紋R1圓弧上動點Z坐標；

#4=10.0+#3; //R1圓弧軌跡自變量Z 初始值，升速進刀段；

#5=5-#3; //R1圓弧軌跡自變量Z終止值，降速退刀段；

WHILE[#4GE#5]DO 2; //循環條件判別，每層Z向切削是否到達終止值；

G00X48.0Z[#4]; //到達螺紋循環起刀點；

G92X[42.072+[2★#2]]Z-42.5F5.0; // 切 削 螺 紋R1段，導程5mm；

#4=#4-0.5; //Z向每次循環切削的增量值為0.5mm；

END 2; //循環2結束，一層切削結束；

#1=#1+5.0; //外層循環每層X向每次循環切深角度增量值為5°；

END 1; //外層循環結束，R1圓弧加工結束；

G00X48.0Z10. 0；// 到達起刀點；

#6=-51.32; //R3圓弧切深初始值；

WHILE[#1GE-90.0]DO 3 ; // 切深循環條件判別，R3圓弧總切深從90°到128.68°；

#7=3.0★SIN[#1]; 螺紋 R3 圓弧上動點 x 坐標；

#8=3.0★COS[#1]; 螺紋 R3圓弧上動點 Z 坐標；

#9=5+#8 ; //R3圓弧軌跡自變量Z 初始值，升速進刀段；

#10=-#8；//R1圓弧軌跡自變量終止值，降速退刀段；

WHILE[#9GE#10]DO 4; //循環條件判別，每層Z向切削是否到達終止值；

G00X48.0Z[#9]; //到達螺紋循環起刀點；

G92X[48.317+[2★#7]]Z-42.5F5.0; // 切 削 螺 紋R3段，導程5mm；

#9=#9-0.2; //Z向每次循環切削的增量值為0.5mm；

END 4; //循環4結束，一層切削結束；

#6=#6-5.0; //外層循環每層X向每次循環切深角度的增量值為5°；

END 3; //外層循環結束，R3圓弧加工結束；

G00X100.0Z100.0M09; 退刀，遠離工件，切削液關；

……..

M05; //主軸停；

M30;//程序結束。

4.2 數控仿真結果

通過宇龍數控加工仿真軟件，建立工件模型，輸入以上程序，數控車削的仿真結果見圖3所示。證明以上滾珠絲杠螺紋部分的加工程序正確可行。

圖3

5 結語

利用宏程序強大的變量設置、邏輯判斷和程序控制功能，通過擬合的方式，采用趕刀法來解決較復雜的滾珠絲杠圓弧螺紋的數控車削加工。避免了復雜的數學計算，減少了加工誤差，簡化了程序結構，提高了加工效率，保證了零件的加工質量。本文所舉的圓弧螺紋編程思路和方法，也適用于梯形螺紋、矩形螺紋、三角形螺紋等異形螺紋的加工。

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