基于宏程序的進瓶螺桿加工工藝優化研究＊

羅 軍 禹恩帥 周蘭菊

（①廣東省輕工業技師學院，廣東 廣州 510315；②廣州達意隆包裝機械股份有限公司，廣東 廣州 510700；③天津電子信息職業技術學院，天津 300350）

分瓶裝置是一種用于將緊靠在一起的容器瓶按規律分隔開的設備，常用于灌裝機或貼標機中。其工作原理是通過傳輸軌道將容器瓶逐個輸送到進瓶螺桿處，然后容器瓶會被卡入進瓶螺桿上的螺旋槽中，并隨著螺桿的旋轉而向前移動。這樣相鄰的容器瓶會被螺旋等距分開，逐個送入貼標機、灌裝機等設備的星盤中，具有分瓶和定位的雙重作用[1]（圖1）。這類設備中均有此裝置，其核心部件是進瓶螺桿。

圖1 分瓶理瓶裝置

進瓶螺桿是一種典型的異形變螺距長螺桿類零件，其特點在于螺距由等螺距→變螺距→等螺距的“三段式”螺桿[2]，使得進瓶過程能夠實現緩慢勻速進瓶，然后快速加速至所需速度，最后以勻速等距方式輸出瓶子，所以螺旋上有變導程弧形螺旋面，這是零件的加工難點[1]。不同瓶型對應的進瓶螺桿設計各不相同，通常采用數控車床以宏程序編程的方式進行加工[3]。對于進瓶螺距范圍超過120 mm的情況，進給速度F=f×n（f表示螺距，n表示主軸轉速），其中n取100 r/min。根據計算，可得F≥12 000 mm/min。然而，大部分數控車床的車削速度限制在 6 000～10 000 mm/min，遠達不到加工所需。此時，線速度Vc=πDN/1000=3.14×78×100/1000=24.5 m/min，相對于一般數控車床而言較低。進一步降低轉速將導致線速度更小，無法進行有效的車削；另有郎永兵等作者探討四軸數控銑床實現供送螺桿的加工[4]，在精加工中，由于球頭銑刀頂部的線速度為零，使用球頭銑刀X軸與Z軸聯動切削會導致部分被切削螺旋面的粗糙度無法達到要求等。因此，數控機床在加工此類異形變螺距長螺桿時面臨較大的工藝難題，往往難以有效加工。

采用小龍門四軸加工中心進行加工則能夠有效解決此類問題，但該方法的單件加工費高達3 500～9 000 元，價格較為昂貴，同時生產效率較低，加工進度和工期也難以保證。因此，為了解決異形變螺距長螺桿類零件在數控機床加工中的問題，降低加工成本并提高生產效率，應當開展基于Fanuc 宏程序的工藝優化[5]。本文從工藝流程、機床、工裝、刀具以及宏程序等5 個方面對其進行優化。通過優化工藝，加工成本降低了85%以上，生產效率提升300%。

1 產品加工特性分析與工藝條件改造

以特定的進瓶螺桿為例（圖2），該產品的左右端內孔公差要求為0.1 mm，同軸度要求為0.08 mm。左端內孔用于連接電機的軸，右端內孔用于安裝?35 mm 的軸承。螺旋部分的粗糙度要求為Ra1.6 μm。關鍵尺寸包括兩端內孔的尺寸以及螺旋的螺距，左旋或右旋皆可，加工棒料為500 萬分子量聚乙烯。

圖2 進瓶螺桿

由于塑料瓶在灌裝液體或可流動產品后會膨脹擴大一定尺寸，因此螺旋的瓶型直徑處的公差通常會增大0.2～0.3 mm，以避免瓶子被卡住。此外，對于螺旋部分的粗糙度控制也非常重要，較差的粗糙度會導致瓶子表面粗糙度升高，影響生產產品的質量。

典型進瓶螺桿采用四軸龍門加工中心加工時的一般工藝工序流程如圖3 所示。

圖3 原工藝流程

根據產品的技術要求進行工序分析如下：該工件為圓柱形零件，選用比工件外圓大2～5 mm 的棒料進行下料，總長留有4～5 mm 的余量。根據圖紙要求和公差，通過普通車床來加工，可以滿足圖紙要求。

該零件需要進行內孔端面的鉆攻螺紋孔，采用臥式加工，并使用打點裝夾校正，這個過程大約需要10～20 min。然而，實際加工時間只需幾分鐘，因此加工成本較高。為降低成本，可以采用鉆床鉆模的方法，通過鉆孔和攻絲的方式來加工4-M6 標準螺紋。

在組裝時，故采用“一夾一頂”的裝夾方式[6]，并采用四軸數控銑床進行螺旋等加工。根據以上分析，修改后的工序安排如圖4 所示。

圖4 改進工藝流程

1.1 四軸數控銑床的選擇與機床的改造

在加工過程中，先后使用過馬扎克車銑復合中心和馬扎克小龍門四軸加工中心。對于車銑復合裝夾，要求與主軸端面之間需要保留90 mm 以上的空間，以避免主軸與刀塔之間的干涉碰撞。然而，車銑復合中心本身的剛性較差，導致在粗加工過程中振刀現象非常嚴重。即使在精加工時，仍然存在振刀現象，從而導致了較差的表面粗糙度。由于剛性問題限制了切削量，加工時間超過10 h 后進行了兩次試驗切削，但最終被淘汰。

為了解決剛性問題和減少振刀現象，轉而采用馬扎克小龍門四軸立式加工中心進行加工（行程為2 240 mm×1 000 mm）。雖然這種加工中心在剛性方面有所改善，但加工時間仍然相對較長，大約需要8 h。而且，由于表面粗糙度未達到要求，還需要進行拋光處理。此外，使用這種加工中心的成本也比較高。

對一臺普通的銑床進行改裝，加裝四軸旋轉裝置和尾座，并通過連接適配FANUC 系統，將其改造為四軸數控銑床，以用于加工進瓶螺桿類零件。原有的普通銑床工作臺總長度僅為1 600 mm，X軸絲桿的行程為1 200 mm，而加裝的四軸轉臺和尾座占用了約800 mm 的空間，因此只剩下800 mm 可用。工裝和刀具避空需要占用一部分行程，將數銑移動工作臺兩端各加長230 mm，這樣工作臺總長度達到了2 060 mm，而X軸可加工行程可以達到1 100 mm，可以滿足最長1 000 mm 的螺桿加工行程要求，改造后的結構如圖5 所示，兩種加工機床數據對比見表1。

表1 兩種加工機床數據的對比

圖5 機床改造與工件裝夾

1.2 工裝的優化

原工裝采用和裝配零件類似的方法：螺釘鎖緊、脹套配合。根據六點定位分析[7]，螺釘鎖緊端回轉方向存在欠定位，故在工裝端部依據螺桿旋向增加M16 反向螺紋，再配合螺釘鎖緊，改裝后的傳動工裝如圖6 所示。脹套配合端加工時也存在扭動錯位，導致內孔超差嚴重，在螺桿端面增加4 個工藝螺絲孔，采用端面鎖緊的方法固定，改裝后的尾座工裝如圖7 所示。

圖6 傳動工裝

圖7 尾座工裝

1.3 刀具的優化

改善前加工采用?16 mm 或者?20 的平刀粗加工，R8 或者R10 的球刀精加工，前期改造數銑后仍用?20 或?50 者平刀加工，程序使用的是手編宏程序，加工方法是工件每轉0.5°或1°銑刀走一個圓弧，以此加工到圖紙要求的圓弧大小，可以看出設備成本降低不少，但加工時間沒有明顯的降低，粗糙度也沒明顯提高，主要原因在于刀具及加工方法上。

經多次實驗，粗、精加工采用自制刀具如圖8所示，粗加工刀桿割出四方槽，裝上磨好的高速鋼刀條；精加工刀具采用自制的刀桿和刀片，刀片采用磨床磨出40°后角與排屑槽。粗、精加工刀片裝到刀桿上，用量具調出螺旋面的回轉半徑后鎖緊，加工時粗加工刀具刀尖、精加工刀具刀刃中心與工件回轉中心Z向等高（圖9），刀具沿Y軸分層銑削（圖10），因刀具刀刃處切削線速度高，所以精加工螺旋面的粗糙度達到圖紙要求，無需后續拋光處理。

圖8 粗、精加工刀具

圖9 刀具安裝

圖10 刀具分層進給

2 宏程序的設計與優化

根據工件螺距變化的特點，我們采用多個參數來替代特定的變化特征，并使用函數公式讓機床自動計算所需的值。通過進瓶螺桿段數學分析，采用用戶宏指令編程，程序簡潔[6]（加工程序流程圖[4]，詳見圖11），將原先需要修改多道程序并進行空運行試加工，現在只需根據圖紙修改3～5 個變量即可，如在程序中將總切削深度及每層切削深度設置成為變量值，能夠在一個程序內實現零件的分層銑削[8]。這樣做能夠實現機床自動計算和替代，大大縮減編程時間，并減少計算和替換等操作中出錯的概率，同時只需要修改變量和裝夾對刀方法，就可以實現粗、精加工使用同一道程序，降低了操作加工的難度；通過測試多種刀路和方法，選擇橫向移動法，也能完成標準方瓶螺桿的加工。進瓶螺桿段數學分析[9]：

圖11 進瓶螺桿宏程序流程圖

（1）等螺距首段

圖2 所示首段螺距為P1，考慮引入段計 0.5P1，該段角度為 θ1=720，X1=(P1/360)×θ(0 ＜θ ≤θ1)。

（2）變螺距中段

圖2 所示中段為P1～P2的變螺距，螺桿長L，則加速段距離為s=L-1.5P1-P2，加速度為a=該段角度為 θ2=720+360×2s/(P1+P2)，X2=2P1+(P1/360)×(θ-720)+(a/3602)×(θ-720)2/2(θ1＜θ ≤θ2)。

（3）等螺距末段

圖2 所示末段螺距為P2，考慮引出段距 0.5P1，該段角度為 θ3=θ2+360×(P2+P1/2)/P2，X3=L+P1/2-P2+(P2/360)×(θ-θ2) (θ2＜θ ≤θ3)。

3 整體優化總結對比

通過改進優化，成功地將原來需要1 個工時才能加工的產品提高到1 個工時可以加工3～4 件，這意味著生產效率提高300%。同時，也成功降低了實際成本，每件產品（圖12）的成本從3 500 元下降到510 元，降低了85%以上。此外，需強調的是成功地實現了粗糙度直接達到使用要求，無需進行拋光處理，而且加工精度誤差也得到控制[10]。

圖12 進瓶螺桿成品

2019 年，某企業應用了這種方法來加工貼標進瓶螺桿共計79 件，以及灌裝螺桿共計93 件，合計達到172 件（數據來源于該企業的SAP 訂單系統）。根據對比數據和成本分析，可以預計每年生產成本能夠節約超過50 萬元，見表2。

表2 整體改善前后對比及成本分析

4 結語

針對進瓶螺桿類零件進行基于宏程序的工藝優化，通過編制通用宏程序，顯著縮短編程時間，提高加工效率。在實際的企業加工應用中，從工藝流程、工裝、機床、刀具和宏程序等5 個方面進行工藝優化，驗證了該方法的有效性，經過優化后，產品的質量和成本都有了很大的改善、效果顯著，優化措施使得生產效率提高300%以上，加工成本降低了85%以上，帶來顯著的經濟效益和社會效益。