第一屆全國技能大賽數控車項目賽題中變螺距螺紋的編程和加工

周維泉

(北京南口斯凱孚鐵路軸承有限公司，北京 102202)

在塑料、橡膠和食品等行業所使用的生產設備中，用各種類型的擠出螺桿，擠出螺桿外圓上有等牙寬變螺距螺紋。使用這種結構的螺桿具有壓縮比大、壓縮均勻、出料連續性好等優點，所以被廣泛采用。在這次第一屆全國技能大賽數控車項目賽題中引入了這個要素，筆者認為這是競賽題目與生產實際結合的好主意。

變螺距螺紋的編程和加工是數控車編程和加工的難點。在等槽寬變螺距螺紋和等牙寬變螺距螺紋這兩種變螺距螺紋中, 后一種難度更大。據筆者所知，迄今為止，用國內、外自動編程軟件尚編不出車這類螺紋的精確程序。這類車加工程序只能用手工編。所以在這次賽題中,這個要素也是整道題中的難點。圖1是真題中變螺距螺紋部分的簡圖。

1 第一屆全國技能大賽數控車項目賽題中的等牙寬變螺距螺紋

圖2是樣題中變螺距螺紋部分的簡圖。

樣題與真題比較，樣題的難度要大些: 一是樣題中左端槽寬很窄(只有3 mm), 二是樣題中左端槽寬與牙寬的比例很小(只有1 mm), 這些都加大編程難度。此外樣題中的螺旋升角比真樣題中的大，這加大了加工難度。難度大的涵蓋難度小的, 所以筆者選擇討論樣題。

2 車樣題中等牙寬變螺距螺紋的準備

先介紹變螺距螺紋的公式：

(1)

式中：F2代表B截面的即面螺距，F1代表A截面的即面螺距，L代表A、B面之間的距離，K代表主軸旋轉一圈螺距的增加值(負是減少值)。沿走刀方向，A面在刀先到位置，B面在刀后到位置。這個公式是解變螺距螺紋題的基礎。

2.1 畫牙形截面圖

畫和延長變螺距螺紋的牙形截面圖，加標尺寸，如圖3。

畫此圖是解此題的關鍵。圖中的尺寸都是把已知條件代入式(1)后得出的。例如圖3中的F7是轉一圈后的螺距、6.5是從7的平方減去6的平方再除以2得到的。右端面的F12.329是用L=58、F1=6、K=1代入式(1)后得到的。

2.2 選刀

在2、2.5、3 mm寬的標準切槽刀中選用3 mm寬的，因為寬刀強度高，用寬刀加工效率高。在軸向吃刀逐步加寬槽和徑向吃刀逐步加深槽這兩種方法中，選用后一種方法，因為標準可轉位切槽刀的切削刃是端頭平刃。允許刀寬在磨后角時磨到不小于2.8 mm。注意不要用端頭刃口有角度的切斷刀。

走刀方向有從右往左走刀和從左往右走刀兩個方案，現在先討論第一個方案。

3 從右往左走刀方案的實施

3.1 確定第一排刀從第幾槽起刀

右端面在第6槽內，所以首排應從第8或第9牙處起刀。筆者選從第8牙處起刀。圖3中的80中是用F2=6、F1=14、K=-1代入式(1)后得到的。這樣就有首排刀(按FANUC系統)程序內G34中的F14、K-1、Z-10(此終止值可斟取) ；也就有G34的起始Z值即G34上段中的Z80。

3.2 確定第二排刀的起始位

確定第二排刀的起始位在Z=74(首排刀的80-牙寬3-刀寬3) 。第二排刀位置有兩個備選方案: 一是圖中“21”位置，這是分四排刀逐排刀往右吃刀；二是圖中“22”位置(此位置位于一方案的第四排刀位)，注意圖中“22”位與“2”位的加工結果是一樣的。作者選用從“2”位起始。得到“2”位的最好方法是把第一排刀的“1”位左移牙寬再左移刀寬。用這種平移編程和加工的方法可以保證車出的每扣牙寬等于平移值減去實際刀寬。選此位和用此法有兩大優點：一是編程方便，因為程序段中的F值和K值都不用變(與第一排刀的值一樣) ；二是修牙寬方便。例如刀磨后角時磨成2.9 mm寬了, 仍用左移6 mm(74) 的程序車，試車后若測得牙寬3.08 mm，那么只要把刀補Z值加0.08 mm后修車第二排刀就可以了。這樣就有第二排刀程序內G34中的F14、K-1、Z-10(此終止值可斟取) ；也就有G34的起始Z值即G34上段中的Z74。圖4是用此方案車完第二排刀后的殘留量。

圖6是用此方案車完第二排刀后的照片。圖中箭頭指的凸起不是牙，而是有待后兩排刀車去的殘留量。

車完第二排刀后左段己無殘留，右段殘留逐漸增加到3.329 mm寬(12.329-3-6) ，可見去殘留還得車兩排刀。殘留量零位在Z22.5處，此值是用F2=6、F1=9、K=-1代入式(1)后得到的。去殘留的兩排刀有兩類編程、走刀方法。一類是這兩排刀都在己車出的槽內走出左端面，此法的編程原理是讓這兩排刀走到左端面處的F等于6。此法可行，但要算編程序中起點的Z值，并用公式計算K值和起點處的F值，略顯麻煩。所以盡管已用作者編出的程序試車出成品，但不做詳細介紹，也不推薦使用。去殘留的兩排刀的另一類編程、走刀還是用平移法為好。

3.3 用平移法確定總體第三排刀的走刀和程序(段)

這一排刀在上一排刀基礎上向左平移后不能走出左端面，否則移多少會把左頭的牙去薄多少。只能在中途抬刀。

那么，在什么位置抬？由于車床一般會用參數設置一定的螺紋退尾，所以不能在按零退尾量的Z22.5處抬刀，應比此值略小。另外，不同的車床有不同的設置，作者在2臺車上試車過。一臺用Z18就車平底面，而另一臺要到Z16處才車平底面。為通用考慮，應選在Z16處抬刀。

那么，用什么方式(指令) 抬刀？用G00指令抬刀有牙左壁被帶壞的可能，因為抬刀開始點離牙左壁較近(為這刀的平移值) ，而且G34與G00轉換過程中編碼器需要反應時間。作者用G00抬刀試過，確實把牙左壁帶壞了一些，所以應使用G34或G32按車端面螺紋抬刀。這相當于車連續螺紋，而車連續螺紋中間的轉換會很快。

再討論此排刀應向左平移多少。移少了抬刀始點離牙左壁太近，不好；而移3 mm底面可能不平，因為刀刃左右有圓角。以移2.5到2.8 mm為宜，不取殘留量最寬處的一半即1.6 mm。作者取2.5。至此，此排刀的編程數據就有了：G34段中Z16、F仍用14、K仍用-1，G34上段中的Z用71.5(74-2.5)。圖7是車總體第三排刀的示意圖。

圖8是車完總體第三排刀后的照片，圖中箭頭指的凸起是有待最后一排刀車去的殘留量。

3.4 確定第四排刀即最后一排刀的起始位

最后一排刀再向左平移1～1.5 mm。作者取1.5 mm。用式(1)算出的抬刀理論值為Z48.125 。由于前面講過的原因，作者取Z42.5 。己分別在兩后臺車床上試車過，槽底都可車平。此排刀的編程數據：G34段中Z42.5，F仍用14。K仍用-1，G34上段中的Z用70(71.5-1.5)。圖9是車最后一排刀的示意圖。

圖10是車完最后一排刀后即成品的照片。

3.5 從右往左走刀連續車四排刀的程序

O1411是適用于FANUC系統的程序。轉速S≤機床工進限速/0.015。假如工進限速4.5 m/min,則S≤300 r/min。用3～2.8寬的刀。用左刃對刀和編程。

O1411

N01 #2=40; (#2代表徑向分刀數)

N02 G54 S300 M03;

N03 T0101;

N04 G00 X200 Z200;

N101 #10=50; (#10代表這刀的X指令值)

N102 G00 Z80; (開始車第一排刀)

N103 X#10;

N104 G34 Z-5 F14 K-1;

N105 G00 X100;

N106 #10=#10-8/#2;

N107 IF[#10 GE 42]GOTO 102;

N201 #10=50; (#10代表這刀的X指令值)

N202 G00 Z74; (開始車第二排刀)

N203 X#10;

N204 G34 Z-5 F14 K-1;

N205 G00 X100;

N206 #10=#10-8/#2;

N207 IF[#10 GE 42]GOTO 202;

N301 #10=50; (#10代表這刀的X指令值)

N302 G00 Z71.5; (開始車第三排刀)

N303 X#10;

N304 G34 Z16 F14 K-1;

N305 G32 X100 F15;

N306 #10=#10-8/#2;

N307 IF[#10 GE 42]GOTO 302;

N401 #10=50; (#10代表這刀的X指令值)

N402 G00Z70; (開始車第四排刀)

N403 X#10;

N404 G34 Z42.5 F14 K-1;

N405 G32 X100 F15;

N406 #10=#10-8/#2;

N407 IF[#10 GE 42]GOTO 402;

N51 G00 X200 Z200 M05;

N52 M30;

此程序執行一遍就把四排刀都車完。若要修窄牙寬，用減Z向刀補值后車第一排刀的方法不符合圖樣要求，應該用加Z向刀補值后車第四排刀。所以用此程序修車牙寬不方便。下面的O1412是車一排刀改4個數據的程序，用它的加工結果與用O1411程序是相同的，只是用O1412程序修車牙寬較方便。

O1412

#1=a;(#1代表這刀起始Z值,四刀依次分別代入80、74、71.5和70)

#2=b;(#2代表這刀終止Z值,四刀依次分別代入-5、-5、 16和42.5)

#3=c;(#3代表這刀X向分刀數,四刀依次分別代入40、40、40和20)

N01 G54 S300 M03;

N02 T0101;

N03 G00 X200 Z200;

N04 #10=50;

N05 G00 Z#1;

N06 X#10;

N07 G34 Z#2 F14 K-1;

N08 G32 X100 F15;

N09 #10=#10-8/#3;

N10 IF[#10 GE 42]GOTO 05;

N11 G00 X200 Z200 M05;

N12 M30;

建議在比賽和生產加工首件時用O1412程序，而正式生產加工時用O1411程序。其實在比賽中，第三排刀的左移值和終止Z值第三排刀的左移值和終止Z值可通過實測圖6照片中殘留長度和右端寬度來粗略得到；第四排刀的左移值和終止Z值可通過實測圖8照片中殘留長度和右端寬度來粗略得到。此外，比賽和生產加工首件時應把牙車得略寬，再根據實測值通過改Z向刀補值后重車第二排刀來達到要求。

上述后三排刀都用平移來從右向左車的方法具有編程簡單和修車牙寬方便的優點。

下面討論從左往右車的方案。

4 從左往右走刀方案的實施

4.1 編此方案程序前的準備

由于與與左段的寬槽一樣，所以后三排刀都用平移的方法不行了。但第二排刀用平移來車槽右壁還可以用。第三、四排刀去留量只能在已車出的槽內走。不能把左端的牙去窄了。可以用車兩段連續螺紋的原理來編程和加工。把轉兩圈的升速段作為左段、車實體段作為右段。左段在Z-10處起始，起始F用4。K用-1。這樣走到Z0處F正好為6。右段從Z0開始。開始處可以變F，也可以變K。這兩種程序都作者編了，都試切可行。這里介紹從Z0改變F值的方法圖11是獲取第三排刀編程數據用圖。注釋第7槽(也可注釋第6槽或第8槽)。

圖11中A、B面是槽壁。B、C之間是車前兩排刀后的殘留。寬4.5 mm(13.5-3-6)。用于計算的終面取Z69，即在第一排刀終面之右2.5 mm。K=1不變。用公式計算此排刀后段起始面的F值。2×69=(F+7×1)2-F2，解得F=6.357。圖11中畫出了刀走到各整圈時的位置。圖12是獲取第四排刀編程數據用圖。

此排刀用于計算的終面取Z71.5，即在第三排刀終面的基礎上再右移2.5 mm。K1不變。計算此排刀后段起始面的F值。2×71.5=(F+7×1)2-F2，解得F=6.714。圖12中畫出了刀走到各整圈時的位置。

4.2 從左往右走刀連續車四排刀的程序

可以把第三、四排刀后段提示起始的F6.357和F6.714分別圓整成6.36和F6.72。下面的O1443從左往右車適用于FANUC系統的程序。仍用左刀刃對刀和編程。

O1443

N01#4=40;(#4代表徑向分刀數)

N02 G54 S300 M03;

N03 T0101;

N04 G00 X200 Z200;

N101 #10=50;

N102 G00 Z-10;

N103 X#10;

N104 G34 Z65 F4 K1;

N105 G00 X100;

N106 #10=#10-8/#4;

N107 IF[#10 GE 42]GOTO 102;

N201 #10=50;

N202 G00 Z-16;

N203 X#10;

N204 G34 Z65 F4 K1;

N205 G00 X100;

N206 #10=#10-8/#4;

N207 IF[#10 GE 42]GOTO 202;

N301 #10=50;

N302 G00 Z-10;

N303 X#10;

G34 Z0 F4 K1;

N304 G34 Z65 F6.36 K1;

N305 G00 X100;

N306 #10=#10-8/#4;

N307 IF[#10 GE 42]GOTO 302;

N401 #10=50;

N402 G00 Z-10;

N403 X#10;

G34 Z0 F4 K1;

N404 G34 Z65 F6.72 K1;

N405 G00 X100;

N406 #10=#10-8/#4;

N407 IF[#10 GE 42]GOTO 402;

N51 G00 X200 Z200 M05;

N52 M30;

此程序執行一遍就把四排刀都車完。若要修窄牙寬，用減Z向刀補值后車第一排刀的方法不符合圖樣要求，應該用加Z向刀補值后車第四排刀。所以用此程序修車牙寬不方便。下面的O1444是車一排刀改4個數據的程序，用它的加工結果與用O1443程序是相同的，只是用O1444程序修車牙寬較方便。

O1444

#1=a;(#1代表這刀前段的起始Z值,四刀分別依次代入-10、-16、-10和-10)

#2=b;(#2代表這刀前段的終止Z值,四刀分別依次代入0、-10、0和0)

#3=c;(#3代表這刀后段的F值,四刀分別依次代入6、6、6.36和6.72)

#4=i;(#4代表這刀X向分刀數,四刀分別依次代入40、40、30和30)

N01 G54 S300 M03;

N02 T0101;

N03 G00 X200 Z200;

N04 #10=50;

N05 G00 Z#1;

N06 X#10;

G34 Z#2 F4 K1

N07 G34 Z65 F#3 K1;

N08 G00 X100;

N09 #10=#10-8/#4;

N10 IF[#10 GE 42]GOTO 05;

N11 G00 X200 Z200 M05;

N12 M30;

車完第二排刀后的結果與從右往左車完第二排刀后的結果一樣。車完第三排刀后的結果與從右往左車完第三排刀后的結果(圖8照片)略有區別照﹕殘留比此照片上的略寬。把上述程序“翻譯”成適用于西門子系統的程序很方便。“翻譯”過程中注意兩者車變螺距螺紋指令的區別。不管是增螺距還是減螺距，發那科系統都用G34，每轉的螺距增量有正負之分；而西門子系統增螺距用G34，減螺距用G35，每轉的螺距增量都用正值。下面是把O1444程序“翻譯”成適用于西門子系統的程序PP1444.MPF(前3個程序不再列出)。

PP1444.MPF

R1=a;R1代表這刀前段的起始Z值,四刀分別依次代入-10、-16、-10和-10

R2=b;R2代表這刀前段的終止Z值,四刀分別依次代入0、-10、0和0

R3=c;R3代表這刀后段的K值,四刀分別依次代入6、6、6.36和6.72

R4=i;R4代表這刀X向分刀數,四刀分別依次代入40、40、30和30

N01 G54 S300 M03

N02 T1 D1

N03 G00 X200 Z200

N04 R10=50

N05MA1:G00 Z=R1

N06 X=R10

G34 Z=R2 K4 F1

N07 G34 Z65 K6=R3 F1

N08 G00 X100

N09 R10=R10-8/R4

N10 IF R10﹥=42 GOTOB MA1

N11 G00 X200 Z200 M05

N12 M02

5 結語

等牙寬變螺距螺紋在具體零件上有的只能從右往左車, 而有的只能從左往右車。文章對這兩種走刀方法都作了介紹，并提供了經過驗證了的加工程序。文章中的分析思路和解決方案以及對應的程序，可供車其他參數的等牙寬變螺距螺紋時借鑒。