圓弧螺紋精加工程序靜態刀路分析

劉文寬，閆濤，阮玉瑭，楊禮朝

（浙江大豐實業股份有限公司，浙江 寧波 315400）

0 引言

數控車床加工大螺距圓弧螺紋的程序一般采取宏程序或是編程軟件進行編制，宏程序編制時將螺紋所有尺寸及計算中所涉及到的邏輯關系設置成變量，若尺寸參數發生變化，只需將參數的數值直接修改進行應用，操作簡單、安全可靠。軟件編程時根據不同類型的軟件有著不同的操作方式和編程刀路，以Mastercam2021 及Caxacam2020兩類編程軟件為例，對圓弧螺紋編程操作都很簡單，特別是Mastercam2021可以自定義螺紋參數化輸入，極為便捷。但兩種編程軟件的刀路策略完全不同，文中以舞臺工程（北京國際戲院）主舞臺升降部位的卷筒組件為案例零件，分別以宏程序、Mastercam2021、Caxacam2020對其進行圓弧螺紋精加工程序編制及執行程序的靜態刀路分析。

圖1 卷筒組件

零件圓弧螺紋的基本參數如圖1所示，R1部位使用成型倒角車刀加工非常方便，所以文中僅對R12圓弧螺紋部分進行精加工編程，設置的參數盡可能相同或是接近，由于案例零件的圓弧螺紋的牙型寬度和螺距較大，車削圓弧螺紋時切削余量和切削抗力均比較大，為了盡量避免車削熱和車削阻力給加工帶來誤差，以及切削過程中刀具刃口損傷，因此應采用低速車削方式。

數控車床加工螺紋有3種進刀方式：側向式進刀、徑向式進刀、交替式進刀。

側向進刀的切屑更厚，但僅在刀片的一側產生，傳遞給刀片的熱量少，因此需要較少的走刀，并可用于2個螺紋面(反向、側向)以沿最佳方向引導切屑，用于消除振動問題；徑向進刀時刀具2個后刀面磨損均勻，適用于小螺距螺紋，且刀片的刀尖暴露于高溫中，限制了可能的進刀深度，大螺距工況下存在振動風險且切屑控制差；交替式進刀是加工較大螺紋牙型的首選，工作時切屑被雙向引導，從而使切屑控制變得困難，在加工非常粗的螺紋時可確保均勻的刀片磨損和最長的刀具壽命，交替式進刀可適用任何槽型[1]。案例零件的3種編程方法在進刀方式上存有較大差異。

1 宏程序圓弧螺紋編程

宏程序編程的基本思路是考慮在圓柱面上加工圓弧螺紋時會形成多個加工基準點，相對每個基準點在循環時螺紋軌跡上的位置是不發生變化的，改變的只是基準點偏移后形成軌跡的變化，各基準點之間的距離為加工所需要的螺距，圍繞基準點偏移后所運行的圓弧軌跡就是所需加工的螺旋線的弧面軌跡，即牙型，也可理解為圍繞基準點進行X、Z向的偏移。使用R4的圓形車刀，那么刀片圓心的軌跡必在與R12同圓心R8的圓周之上，所以對于此類零件編程的較好方法是使用參數方程，以角度作為自變量[2]，計算出齒形的起始角度和終止角度，角度變量相同則每次的切削量也是相同的，如圖2 所示按照角度自變量每次 2° 計算，那么R12 圓弧的截面每2°會出現一個波峰，最大輪廓高度Ry=0.004 mm，此程序經過多年生產驗證，安全可靠，并可以此為模板修改相應參數，進行類似結構不同尺寸圓弧螺紋的加工[3]。按照如圖1尺寸以零件右端螺紋起點中心截面作為編程坐標系原點[4]，FANUC Series Oi Mate-TD數控系統為例，側向式進刀精加工程序如下：

圖2 宏程序刀路

2 Mastercam2021軟件圓弧螺紋編程

Mastercam2021軟件編程此零件圓弧螺紋部分是極為簡單的。如圖3所示，需畫出一個圓弧截面，使用自定義螺紋命令設置參數，其中步進可以理解為相鄰切削刀路刀片圓心或刀尖的距離，如圖4中的CD兩點間的距離，在其軟件設置中有3個切削方向供選擇，如果步進設置成0.279 mm，切削方向選擇負向編程，選取程序中任意相鄰兩刀路，例取（Z-7.406，X646.901）、（Z-7.638，X646.588）兩程序點位進行捕獲刀片圓心C、D繪制刀路圖4，步進（刀片圓心距）CD=0.279 mm與圖2中宏程序2°為自變量的圓心距AB=0.279 mm數值完全吻合。所以如使用軟件進行圓弧螺紋編程，步進可參考角度變量進行設置，此軟件還可以對部分自定義螺紋進行參數化編程（如圖5）。

圖3 Mastercam2021 編程設置

圖4 Mastercam2021 程序刀路

3 Caxacam2020軟件圓弧螺紋編程

圖5 Mastercam2021 自定義螺紋

Caxacam2020軟件編程將以宏程序和Mastercam2021的參數設置為參照，前兩者對R12圓弧螺紋精加工程序執行車削（180°-16°×2）/2°=74次，Caxacam2020軟件編程模塊中有異型螺紋選項（如圖6），與Mastercam2021部分類似的操作，也是畫出一個圓弧截面，但其進給數據是按照徑向方向等距設置[5]，R12圓弧刀片R4，則精加工進刀徑向位移5.667 mm（如圖7），計算徑向進給5.667 ÷74×2=0.153 mm，取0.16 mm，在程序中相鄰刀路的刀片圓心距離，從圓弧螺紋上邊緣到其底部由緩到急發生變化，接近圓弧底徑時變化為最大，區間0.179～1.000 mm，相應導致的結果為接刀痕跡逐漸增大，兩刀路間未去除材料的輪廓高度最大值在圓弧底部Ry=0.052 mm，按此設置加工的零件是不合格的，所以需要進行徑向參數調整設置為0.10 mm，要特別注意此版本軟件暫不支持最后刀路徑向進給自動調整，必要時需要將圓弧截面進行X向位移以確定最終加工尺寸。因為是類比刀路分析，按0.16 mm徑向進給選取程序中依次運行三點刀路（Z-4.449，X644.338）、（Z-18.507，X644.338）、（Z-4.539，X644.018）捕獲刀片圓心E、F、G繪制刀路（如圖8），從圖中可辨別徑向進給0.16 mm，默認交替式進刀，且不可選。

圖6 Caxacam2020 編程設置

圖7 Caxacam2020 編程刀位設置

圖8 Caxacam2020 程序刀路

4 結語

Mastercam2021及Caxacam2020軟件進行案例零件圓弧螺紋精加工工序編程時，發現程序初始內容有部分無效的刀路，為提升生產效率應當去除，通過以上3種圓弧螺紋精加工的編程及靜態刀路分析，可為圓弧螺紋加工提供宏程序參照模板，同時為不同規格和精度要求的圓弧螺紋自變量角度設置、軟件編程步進等相關參數設置提供思路和依據，并且對于其它異型螺紋使用宏程序編程困難時，對選取編程軟件及其使用提供參考。