宏程序編程在圓弧螺紋車削加工中的應用

盧紅

上海市大眾工業學校 上海 201899

1 序言

隨著數控技術的高速發展，數控機床加工不再局限于直線、圓弧等輪廓的加工，各種復雜非圓曲線、異形螺旋線等輪廓的加工日益增多。近年來，數控技能大賽以考核選手的計算機編程能力為主，選手要熟練運用CAD/CAM自動編程軟件完成零件程序的編制，隨著數控技能大賽的深入發展，競賽內容日漸豐富，經常出現CAD/CAM編程軟件難以單獨完成的題目，旨在考核選手手工編程的能力。例如異形螺紋加工，而圓弧螺紋在各類異形螺紋加工中最具有普遍性和代表性。圓弧螺紋是一種在輪廓表面形成圓弧螺旋線的非標螺紋，在數控車床上比較難加工，但只要制定合理的加工工藝、加工方法和加工程序，完全可以在數控車床上完成高精度、高性能的圓弧螺紋。

CAD/CAM自動編程省力，但生成的程序冗長，空刀行程比較多，且非圓曲面上的圓弧螺紋用CAD/CAM編程軟件根本不能實現。因此隨著工件復雜程度不斷增加，宏程序的手工編制能力顯得尤為重要。實踐證明，通過螺紋編程指令G32/G92和宏程序功能的有機結合，可以比較容易地實現圓弧螺紋的加工[1，2]。

2 圓弧螺紋的車削加工工藝分析

2.1 加工方法

螺紋的加工方法主要有直進法、斜進法、左右切削法、分層法和側向進刀法等。由于圓弧螺紋的牙型、螺距較大，因此，在螺紋車削過程中，背吃刀量大、走刀快且切削阻力大，導致圓弧螺紋車削難度加大，容易發生“爆刀”和“扎刀”現象。為防止此類現象出現，筆者認為采用宏程序編程進行“分層法”切削圓弧螺紋可以有效解決問題。

“分層法”加工圓弧螺紋，實際上就是將螺紋背吃刀量根據實際情況分成若干層，而且每層的背吃刀量很小，切削力也大大減小，從而有效降低了車削難度。在圓弧螺紋車削過程中，刀具始終保持只有一個側刃參與切削，切屑流出順暢，受力和受熱情況得到有效改善[3，4]。

2.2 刀具選擇

圓弧螺紋加工最好選用圓弧車刀。因為圓弧車刀圓弧較長，所以，加工時刀痕較均勻，工件表面質量較好。對于較大螺距螺紋加工，特別需要考慮機床和刀具的剛性，盡量避免選用與圓弧螺紋牙型半徑相等的圓弧車刀，否則容易在加工過程中出現“扎刀”現象。對于凹半圓的圓弧螺紋，刀具圓角半徑要小于圓弧螺紋牙型半徑，為考慮刀具的剛性，刀具圓角半徑也不宜過小。

3 外圓柱面上圓弧螺紋的加工

3.1 圖樣分析

如圖1所示，零件右端外圓柱面的圓弧螺紋分布在φ34mm的外圓柱面上，螺紋的牙型為R2.5mm的圓弧，導程為6mm，槽深為1.5mm，圓弧螺紋牙型的中心位于φ36mm的外圓上，將編程坐標系（即工件坐標系）原點定在零件右端面中心上，螺紋的加工起始位置為Z0mm，終止位置為Z-36mm。

圖1 外圓柱面上的圓弧螺紋

3.2 編程思路

本例中選用R1.5mm 的圓弧車刀，由于圓弧螺紋的半徑為2.5mm，而圓弧車刀的刀位點在圓心，數控機床的運動軌跡實際上就是刀具刀位點與工件坐標系的位置關系，因此本例中圓弧車刀的圓心軌跡其實就是半徑為1mm的圓弧AB，其圓心軌跡半徑值的大小為螺紋圓弧半徑與刀具圓角半徑的差值，如圖2所示。根據“分層法”和“左右切削法”螺紋加工方法，將圓弧螺紋背吃刀量1.5mm分成若干層進行切削，當切削第一層時，向左借刀時刀具的圓心位于B點，向右借刀時刀具的圓心位于A點，這就決定了圓弧車刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始角度30°和終止角度﹣90°。以角度為自變量，分別把圓心軌跡上每一個點的坐標依次求出來，每求出一個坐標（X，Z）就采用G92螺紋加工指令加工一遍，每一層完成左右切削，通過宏程序的判斷語句實現循環加工，從而完成分層加工，最后把完整的圓弧走完即可[5，6]。

圖2 圓弧車刀及加工軌跡

3.3 數學計算

如圖3所示，圓弧上任意點A的坐標可以通過三角函數關系求得，AC=AD×sinθ（X方向），DC=AD×cosθ（Z方向）。角度θ作為自變量，變化范圍﹣90°～30°，用#1表示；圓弧螺紋X方向的變量用#2表示，即#2=1sin[#1]；圓弧螺紋Z方向的變量用#3表示，即#3=1cos[#1]；當前層X方向的螺紋直徑用#4表示，由于圓弧螺紋圓心位于φ36mm外圓直徑上，#2計算的是X方向單邊值，要換成直徑值，所以需要乘以2，即#4=36+2 [#2]。

圖3 圓心軌跡坐標計算

3.4 編程示例

采用R1.5mm的圓弧車刀加工圓弧螺紋，以圓弧車刀的圓心作為宏程序編程的刀位點。

00003;程序名

G99 G97 G40;程序初始化

T0202;選用R1.5mm的圓弧車刀

M04 S300;后置式刀架，主軸反轉，轉速300r/min

G00 X40.Z9.;刀具快速定位到定刀位置

#1=30; 切削第一層圓弧螺紋時牙型背吃刀量的起始角度30°

N1 #2=1*SIN[#1];圓弧螺紋X方向的變量（1為螺紋圓弧半徑減去刀具圓角半徑的值）

#3=1*COS[#1];圓弧螺紋Z方向的變量，即左右切削時的借刀量

#4=36+2*[#2];螺紋加工時的X坐標（#2計算的是X方向單邊值，要換成直徑值，所以需要乘以2）

G00 X40.Z[9-#3];螺紋刀向左借刀切削

G92 X#4 Z-44.F6.;螺紋加工

G00 X40.Z[9+#3];螺紋刀向右借刀切削

G92 X#4 Z-44.F6.;螺紋加工

#1=#1-5;牙型角度變量減小

IF [#1GE-90]GOTO1;判斷角度是否在范圍之內（﹣90°為背吃刀量終止角度）

G00 X100.;X向退刀

Z100.;Z向退刀

M05;主軸停止

M30; 程序結束

4 橢圓面上圓弧螺紋的加工

4.1 圖樣分析

如圖4所示，零件右端的圓弧螺紋分布在橢圓面上，橢圓的長半軸38mm，短半軸15.5mm，螺紋的牙型為R2.5mm的圓弧，導程為6mm，槽深為1mm，將編程坐標系（即工件坐標系）原點定在零件右端面中心上，螺紋的加工起始位置為Z0mm，終止位置為Z﹣30mm。

圖4 橢圓面上的圓弧螺紋

4.2 編程思路

選用R1.5mm 的圓弧車刀，加工橢圓面上的圓弧螺紋時，圓弧車刀既要按照圓弧螺紋R2.5mm圓弧軌跡運動，又要按照橢圓的規律車削螺紋。根據刀具刀位點與工件坐標系的關系，刀具圓心實際上走的是半徑為1mm的圓弧，并且刀具圓心是按照長半軸39.5mm、短半軸17mm的橢圓規律進行螺旋線運動。考慮到螺紋升降速的影響，分別在導入段和導出段延伸一個導程進行螺紋加工，故螺紋的加工起始位置變為Z6mm，終止位置變為Z﹣36mm。加工軌跡如圖5所示。

圖5 加工軌跡

根據“分層法”和“側向進刀法”螺紋加工方法，將圓弧螺紋背吃刀量1mm分成若干層進行切削。當進行圓弧螺紋切削時，刀具圓心在長半軸39.5mm、短半軸17mm的橢圓軌跡上變化，同時分別處于位置1、位置2、……位置8共8個位置。比較各圓的起始角度和終止角度，位置1、位置2、位置3及位置4各圓的起始角度為負值，終止角度也均為負值；而位置5、位置6、位置7及位置8各圓的起始角度為正值，而終止角度均為負值，其中位置8的起始角度最大，位置1的終止角度最小，即圓弧車刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始角度為14.31°，終止角度為﹣194.31°，如圖6所示。以角度為自變量，分別把圓心軌跡上每一個點的坐標依次求出來，每求出一個小圓坐標系下的坐標（X，Z），就換算到橢圓坐標系下的（X，Z），最后再換算到工件坐標系下的（X，Z），采用G32螺紋加工指令加工，完成當前層螺紋切削，通過宏程序的判斷語句實現循環加工，完成分層加工，最后把完整的圓弧走完即可。

圖6 圓弧車刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始角度和終止角度

4.3 數學計算

如圖6c所示，圓弧上任意點D的坐標可以通過三角函數關系求得，CD=OD×sinθ（X方向），OC=OD×cosθ（Z方向）。角度θ作為自變量，用#1表示，變化范圍從﹣194.31°～14.31°，圓弧螺紋X方向的變量用#2表示，即#2=1×sin[#1]，圓弧螺紋Z方向的變量用#3表示，即#3=1×cos[#1]。將小圓整體平移到橢圓坐標系下，圓弧螺紋加工起始位置用#4表示，其變動范圍為﹣21～21，通過橢圓方程Z2/39.52+X2/172=1計算橢圓坐標系下位置1小圓中心的X值，用#6表示，即#6=17SQRT[1－#4×#4/1560.25]。然后，將小圓整體平移到工件坐標系下，變量#7表示工件坐標系下小圓上任意點的X坐標，由于#2和#6計算的是X方向單邊值，要換成直徑值，所以需要乘以2，即#7=2 [#2+#6]，變量#8表示工件坐標系下小圓上任意點的Z坐標，即#8=#4+#3－15。

4.4 編程示例

采用R1.5mm的圓弧車刀加工圓弧螺紋，以圓弧車刀的圓心作為宏程序編程的刀位點。

00004;程序名

G99 G97 G40;程序初始化

T0303;選用R1.5mm的圓弧車刀

M04 S300;后置式刀架，主軸反轉，轉速300r/min

G00 X40.Z15.;刀具快速定位到定刀位置

#1=14.31; 切削第一層圓弧螺紋牙型時背吃刀量的起始角度為14.31°

N10 #2=1*SIN[#1];φ2mm小圓坐標系下刀具圓心的X坐標（1為螺紋圓弧半徑減去刀具圓角半徑的值）

#3=1*COS[#1];φ2mm小圓坐標系下刀具圓心的Z坐標，即（#2，#3）為φ2mm小圓坐標系下的刀具圓心坐標

#4=21;橢圓坐標系下位置1小圓中心Z值

N20 #5=#4*#4;

#6=17*SQRT[1-#5/1560.25];橢圓坐標系下位置1小圓中心X值

#7=2*[#6+#2];工件坐標系下小圓上任意點的X坐標（#2和#6計算的是X方向單邊值，要換成直徑值，所以需要乘以2）

#8=#4+#3-15;工件坐標系下小圓上任意點的Z坐標，即（#7，#8）為工件坐標系下小圓上任意點的坐標

G32 X#7 Z#8 F6.;螺紋加工（按橢圓規律車削圓弧螺紋）

#4=#4-6;Z向步距一個螺紋導程

IF [#4GE-21]GOTO 20;判斷螺紋加工是否到終止位置（橢圓坐標系下位置8小圓中心Z值）

G01 X40.;X向退刀

G00 Z15.;快速回到螺紋定刀位置

#1=#1-5;牙型角度變量減小

IF [#1GE-194.31]GOTO 10;判斷角度是否在范圍之內（﹣194.31°為背吃刀量終止角度）

G00 X100.;X向退刀

Z100.;Z向退刀

M05;主軸停止

M30;程序結束

5 結束語

宏程序編程是使用變量并利用變量的賦值和表達式判斷來對程序進行編輯，最終達到循環執行功能的一種程序編制方法，因此宏程序表達簡潔、精練且準確。利用宏程序進行圓弧螺紋編程時，需要編程人員具備較高的數學邏輯運算能力、程序編寫能力，并對螺紋加工方法有詳細地了解與掌握。本文以FANUC系統數控車床后置式刀架為例，若變成前置式刀架，起始角度、終止角度及參數的計算都會有所變化，希望編程人員能夠觸類旁通，靈活變化。