基于宏程序的變距螺桿車削加工技術研究*

蓋立武，劉 斌，顧 星，郭彩芬

(1.蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104; 2.江蘇省吳中中等專業學校 電氣工程系，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

變距螺紋是相鄰螺距不等的螺紋，常用的變距螺紋分為等槽寬變齒寬變距螺紋、等齒寬變槽寬變距螺紋、變槽寬變齒寬變距螺紋三種情況。其共同點是螺距按一定規律逐漸變化，然后再相應地進行齒寬或槽寬的變化就會得到不同種類的變距螺紋。

變距螺桿是食品包裝機、注塑機、冷凍機、壓縮機等設備的關鍵零件，廣泛應用于工業生產的各個領域，變距螺桿加工質量的好壞直接決定著這些設備的性能。但變距螺桿編程和加工都較困難，制約了其應用[1-3]。

目前螺桿加工的編程方法主要有手工編程和自動編程。常用手工編程的數控指令代碼主要針對的是定螺距的螺桿，不能實現對復雜變距螺桿的編程。高端的 CAD/CAM 自動編程軟件雖然能完成采用銑削的方法對變距螺桿的自動編程，但是不能完成采用成型刀具通過車削方法的自動編程，而車削加工螺桿不僅效率高，螺桿的表面質量也較采用銑削加工的螺桿好，因此在實際生產中很多型號的變距螺桿是采用車削的加工方法完成的。本文以等齒寬變槽寬變距螺桿為例，采用數控機床的宏程序功能對變距螺桿進行通用宏程序設計，然后在普通數控車床上進行加工，可以經濟、高質量地加工出變距螺桿。

1 車削工藝方案設計

1.1 工藝分析

某等齒寬變槽寬變距螺桿的零件圖如圖1所示，牙型角為30°的梯形，材質為45鋼，零件的大徑為Φ38 mm，小徑為Φ32 mm，起始螺距為6 mm，螺紋的每轉增量ΔP為1 mm，螺桿總長為300 mm。從零件圖上可以看出其長徑比比較大，屬于細長軸的加工，為了減少螺桿的變形采用一夾一頂的裝夾方式；螺紋的牙型深度較大，且槽寬是逐漸變化的，走刀路線復雜，采用通用數控指令進行編程較為困難。

圖1 等齒寬變槽寬變距螺桿零件圖

1.2 刀具選擇

變距螺桿的表面質量要求較高，加工余量也較多，因此，粗加工選擇刀具時主要考慮刀具的耐用度和減少切削力的因素，精加工選擇刀具時主要考慮保證螺桿的牙型精度和工件的表面質量。為此粗加工刀具的材質選擇YT15硬質合金，刀尖角選擇28°～29°，前角選擇10°～12°，主后角選擇5°～6°，副后角選擇6°～8°，刀尖寬度為1/3螺距，如圖2(a)所示。精加工刀具的材質選擇W18Gr4V高速鋼，刀尖角選擇30°，前角選擇0°，主后角選擇15°～16°，副后角選擇6°～8°，刀尖寬度比第一個槽寬小0.5 mm即可，如圖2(b)所示。

圖2 螺紋刀幾何角度

1.3 走刀路線設計

螺桿的車削方法主要有直進法、斜進法和左右進給法三種，如圖3所示。從刀具所受切削力的大小考慮，直進法加工中刀具所受切削力較大，因此只適合加工螺紋深度較小的螺桿;左右進給法和斜進法在螺桿車削加工中切削力較小，可以應用于變距螺桿的車削加工，但加工變距螺桿的走刀路線復雜，每一段螺距是有規律增減的，如采用左右進給法，程序設計將變得非常復雜，給編程工作造成較大的困難，綜合考慮采用斜進法和分層切削的工藝方法對圖1所示的變距螺桿進行加工[4]。

圖3 螺桿車削的走刀路線

1.4 切削用量選取

變距螺桿車削加工中切削力較大，刀具磨損嚴重，為了提高螺桿的加工質量和效率，選取切削深度ap、切削寬度ae、主軸轉速n建立3因素3水平的正交試驗表，粗加工以刀具耐用度作為評定標準，精加工以表面粗糙度作為評定標準，通過正交試驗得出變距螺桿粗加工時的最優方案為ap=0.25 mm、ae=0.21 mm、n=300 r/min；變距螺桿精加工時的最優方案為ap=0.15 mm、ae=0.1 mm、n=150 r/min。

2 基于宏程序的變螺距加工編程

在普通的數控程序中只能指定常量，常量之間不能進行運算，且代碼的功能是固定的，在一些復雜零件的數控編程中采用普通的數控代碼進行編程比較困難，甚至實現不了。宏程序是采用變量組合方式形成的加工程序，類似于計算機高級編程語言，可以給變量賦值，變量之間可以靈活地進行算術和邏輯運算、轉移和循環等控制，變導程螺桿就是利用了宏程序的這種特點來進行編程的[5-7]。

變距螺桿具有牙型深度大、螺紋軌跡復雜等特點,在實際編程時使用宏程序能對切削深度和軸向移動量進行變量賦值，使刀具沿著設計的走刀路線逐步調整徑向和軸向的進給深度，實現分層切削和復雜走刀路線，最終加工出等齒寬變槽寬的變距螺桿[8-11]。

3 變距螺桿車削宏程序設計

3.1 宏程序流程

實際加工中，由于螺紋刀的寬度不會發生變化，要加工出如圖1所示的等齒寬變槽寬變距螺桿，先采用斜進法加工出和圖1所對應的等槽寬變齒寬變距螺桿，然后改變螺桿加工的起始螺距將多余的材料切除掉，即可加工出等齒寬變槽寬變距螺桿。變距螺桿加工程序設計流程如圖4所示。

圖4 變距螺桿加工程序設計流程

3.2 程序設計

以 FANUC 0i-TD 系統為例，利用宏程序功能編制的加工如圖1所示變距螺桿的數控程序如下所示:

o0123;

T0101 M08;

G97 G99 S300 M03;

#101=6.0;(零件上螺紋的起始螺距)

#102=1.0;(螺距每轉增量)

#103=#101-#102;(程序中螺紋的起始螺距)

#104=38.0;(車削直徑，初值為螺紋大徑)

#105=32.0;(螺紋小徑)

#106=160;(Z向移動刀具對螺紋進行車削加工的總次數)

N100 #104=#104-0.2;(車削直徑依次遞減0.2)

IF[#104LT#105]GOTO 200;(如果車削直徑小于螺紋小徑，結束循環)

#107=[#104/2-#105/2]*TAN[15];(計算刀具加工起點相對位移量)

G00 Z[#103+#107];(Z向定位)

G00 X#104;(X向進刀)

G34 Z-225.0 F#103 K#102;(車削變距螺紋)

G00 X45.0;(X向退刀)

GOTO 100;(跳轉到程序段100)

N200 #102=#102+1.0/#106;(計算螺距每轉增量)

IF[#102 GT2.0]GOTO 300;(如果程序中螺距每轉增量大于2.0，結束循環)

G00 Z#103;(Z向定位)

G00 X#105;(X向進刀)

G34 Z-225.0 F#103 K#102;(車削變距螺紋)

G00 X45.0;(X向退刀)

GOTO 200;(跳轉到程序段200)

N300 G28 U0 W0;(返回參考點)

M05;(主軸停轉)

M09;(冷卻液關)

M30;(程序結束，光標返回程序起點)

4 實驗及結論

采用上述的工藝方案及宏程序對圖1所示的變距螺桿在沈陽第一機床廠生產的Viva Turn 2C/500數控車床上進行了加工，如圖5所示。加工后的螺桿實物如圖6所示。經檢測變距螺桿的螺旋面誤差小于0.04 mm,其精度完全滿足實際使用要求。

圖5 變距螺桿在機床上加工

圖6 變距螺桿加工后的實物

本文對等齒寬變槽寬變距螺桿運用宏程序功能編制的加工程序，實現了分層切削和復雜走刀路線的工藝設計，有效地減少了車削加工中的切削力，提高了螺桿的加工質量。通過修改宏程序模板中螺紋參數的變量值，可以適應不同尺寸規格變距螺桿的柔性加工。