利用數(shù)控車(chē)床進(jìn)行圓柱螺紋修復(fù)

李安國(guó) 馬曉波 曹文智 林劍峰

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司設(shè)計(jì)研究院實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110142)

螺紋是機(jī)械制造業(yè)中的一種常見(jiàn)形狀。從走向上它依照螺旋形;從運(yùn)動(dòng)合成角度看，它由圓周運(yùn)動(dòng)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，需要注意的是兩種運(yùn)動(dòng)要嚴(yán)格地遵守一定的關(guān)系。加工中，圓周運(yùn)動(dòng)由主軸回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)由刀具的縱向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)。加工螺紋時(shí)，主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)(工件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn))，刀具移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程的距離。生活中，螺紋常用作緊固性聯(lián)接，也可做傳動(dòng)用。螺紋修復(fù)對(duì)于一些特殊工件有可觀的實(shí)際意義。本文論述的螺紋修復(fù)針對(duì)于數(shù)控車(chē)床車(chē)削螺紋方式。

數(shù)控系統(tǒng)(以HNC－21T為例)通過(guò)脈沖編碼器獲取主軸的零位、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，但是不能實(shí)現(xiàn)主軸的定位。然而，通過(guò)主軸零位信號(hào)(編碼器的Z向脈沖)足以實(shí)現(xiàn)螺紋修復(fù)。

1 螺紋修復(fù)原理

1.1 螺紋加工原理

進(jìn)行螺紋加工，需要滿(mǎn)足下列條件:

(1)遵循螺紋形成原理，即主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具縱向進(jìn)給一個(gè)導(dǎo)程;

(2)進(jìn)行多次切削時(shí)，需保證每次進(jìn)刀和初始進(jìn)刀位置一致;

(3)切制多頭螺紋時(shí)，應(yīng)能正確分度。

那么如何保證主軸旋轉(zhuǎn)和刀具進(jìn)給之間的嚴(yán)格關(guān)系呢?可以通過(guò)顯式或隱式的方法解決。

1.1.1 顯式方法(機(jī)械式內(nèi)連接)

通過(guò)掛輪實(shí)現(xiàn)，這里不詳述。

1.1.2 隱式方法

運(yùn)動(dòng)間關(guān)系的保證沒(méi)有可見(jiàn)的物理聯(lián)接，而是采用系統(tǒng)控制的方式，顯然控制主體應(yīng)該是數(shù)控系統(tǒng)。加工螺紋時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)操作者的意圖，分別控制主軸伺服電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，保證兩者同步，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。具體的，需要在主軸尾部安裝一增量編碼器，加工螺紋時(shí)，編碼器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出與主軸轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)此信號(hào)控制刀具的進(jìn)給。編碼器的安裝同時(shí)也滿(mǎn)足了我們修復(fù)螺紋所需的關(guān)鍵條件。

主軸脈沖發(fā)生器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，數(shù)控系統(tǒng)可根據(jù)螺紋導(dǎo)程F和主軸脈沖信號(hào)，控制刀具在Z方向進(jìn)給，以確保主軸轉(zhuǎn)一圈，刀具在Z向進(jìn)給一個(gè)螺紋導(dǎo)程。其原理是將對(duì)應(yīng)主軸每轉(zhuǎn)的編碼器A相脈沖數(shù)N與對(duì)應(yīng)螺紋導(dǎo)程F所需的進(jìn)給脈沖當(dāng)量數(shù)L的比值N/L(由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算)作為計(jì)數(shù)常數(shù)，存入計(jì)數(shù)器中。車(chē)削螺紋時(shí)主軸旋轉(zhuǎn)，數(shù)控系統(tǒng)每接收到主軸編碼器送來(lái)的N/L值個(gè)A相脈沖，就發(fā)出一個(gè)進(jìn)給脈沖，使刀具沿Z方向進(jìn)給F/L，這樣就實(shí)現(xiàn)了主軸轉(zhuǎn)一圈，螺紋車(chē)刀精確地Z向進(jìn)給一個(gè)螺紋導(dǎo)程。

1.2 螺紋修復(fù)原理

加工螺紋時(shí)，原始工件上是沒(méi)有螺紋的，于是不需要準(zhǔn)確確定第一次加工螺紋進(jìn)刀點(diǎn)的位置，如果需要多次走刀的話(huà)，只需保證后續(xù)加工的進(jìn)刀位置與第一次加工進(jìn)刀位置相一致，而這是很容易辦到的［2］。

如圖1所示，機(jī)床主軸裝有編碼器，刀具位于螺紋加工起始點(diǎn)A。A點(diǎn)的位置需保證刀具有足夠的加速段。第一次進(jìn)刀時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)在檢測(cè)到主軸零位信號(hào)后立即啟動(dòng)刀具運(yùn)動(dòng)，一次走刀完成后，再把刀具移動(dòng)到第一次螺紋加工的起始點(diǎn)A，刀具仍在數(shù)控系統(tǒng)檢測(cè)到主軸零位信號(hào)后啟動(dòng)，這樣就能保證進(jìn)刀位置的一致性。

但是修復(fù)螺紋時(shí)，螺紋已經(jīng)存在了，這樣就必須保證修復(fù)螺紋時(shí)初始進(jìn)刀位置與原有螺紋的進(jìn)刀位置相一致，這可以通過(guò)對(duì)刀來(lái)保證。螺紋修復(fù)對(duì)刀是修復(fù)螺紋最關(guān)鍵的步驟。

1.3 螺紋修復(fù)對(duì)刀

如圖2，布局由主視圖和側(cè)視圖構(gòu)成。圖中:A(Xs，Zs)為螺紋修復(fù)起始點(diǎn);C(Xm，Zm)為螺紋測(cè)量點(diǎn);D為螺紋起始點(diǎn)。

對(duì)刀時(shí)，先將工件夾緊固定，移動(dòng)刀具使刀具刀尖對(duì)準(zhǔn)螺紋螺旋線(xiàn)上的C點(diǎn)(螺紋溝槽的底部，稱(chēng)為“螺紋測(cè)量點(diǎn)”)，然后沿Z軸正向移動(dòng)螺紋導(dǎo)程整數(shù)n倍的距離nF到達(dá)B點(diǎn)，B點(diǎn)的位置要保證螺紋加工有足夠的升速段，然而B(niǎo)點(diǎn)還不滿(mǎn)足螺紋修復(fù)的條件。由于螺紋起始點(diǎn)D的位置相對(duì)于螺紋測(cè)量點(diǎn)C偏移了角度K(0°≤K＜360°)，因此，需要補(bǔ)償這個(gè)角度偏移。我們可以通過(guò)沿Z軸移動(dòng)刀具位移Δ來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償(軸向補(bǔ)償方式)，此時(shí)刀具到達(dá)A點(diǎn)——螺紋修復(fù)起始點(diǎn)，即對(duì)刀點(diǎn)。

式中:主軸正轉(zhuǎn)，取“+”;主軸反轉(zhuǎn)，取“－”。

于是

式中:F為螺紋導(dǎo)程;K為螺紋起始點(diǎn)D的位置相對(duì)于螺紋測(cè)量點(diǎn)C的角位移;n為取自然數(shù)，保證刀具有足夠的加速段;Zs、Zm為分別為螺紋修復(fù)起始點(diǎn)A與螺紋測(cè)量點(diǎn)C的Z坐標(biāo)。

通過(guò)式(1)，可以確定螺紋修復(fù)起始點(diǎn)A的Zs坐標(biāo)。而Xs的取值可以根據(jù)每次螺紋加工的背吃刀量自定義或者由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算。

由于自動(dòng)加減速，切削螺紋時(shí)會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)程不正確的段δ1、δ2，如圖3，為此需留有足夠的加減速段。下面我們給出n的近似確定方法:

δ1由螺紋切削速度V、伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)T和螺紋精度a決定。

螺紋切削開(kāi)始部分的導(dǎo)程會(huì)與設(shè)定導(dǎo)程F不一致，允許有導(dǎo)程誤差ΔF，于是

a值確定后，代入式(3)可得t，然后再根據(jù)式(2)即可求出δ1。

δ2由螺紋切削速度V和伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)T決定。

其中，V由螺紋導(dǎo)程F和主軸轉(zhuǎn)速R決定。

伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)可以查閱配套廠(chǎng)商的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。

注意事項(xiàng):

(1)K的測(cè)量方式:右手大拇指指向主軸Z負(fù)向，則其余四指彎曲的方向?yàn)榻俏灰芀的測(cè)量方向，0°≤K ＜360°。

(2)對(duì)刀時(shí)，要求螺紋起點(diǎn)與主軸零位相一致或者主軸處在零位。

2 螺紋修復(fù)程序示例

以HNC－21T世紀(jì)星為例［3］，采用螺紋加工指令G32。指令格式:

G32X(U)__Z(W)__R__E__P__F__

例:如圖4，螺紋導(dǎo)程為1.5 mm，每次吃刀量(直徑值)分別為0.8 mm、0.6 mm 、0.4 mm、0.16 mm。

首先按照前面講述的方法進(jìn)行螺紋修復(fù)對(duì)刀，記錄螺紋測(cè)量點(diǎn)(Xm，Zm)及角位移K的值，進(jìn)而計(jì)算出螺紋加工起始點(diǎn)(Xs，Zs)。程序如下:

上述程序中，［Zs］只是一個(gè)符號(hào)標(biāo)識(shí)，不符合實(shí)際的編程格式要求。

關(guān)于程序段“N3 G00 X29.2 Z［Zs］”，快進(jìn)到螺紋加工起始點(diǎn)A，A點(diǎn)的Z向坐標(biāo)是符合要求的，X向坐標(biāo)隨著切削的循環(huán)而變化，其它類(lèi)同。

關(guān)于程序段“N4 G32 Z19 F1.5”切削螺紋終點(diǎn)B，B點(diǎn)是理論螺紋終點(diǎn)，切削到此時(shí)，需要多走一段以便退刀。圖示工件留有螺紋退刀槽。其它類(lèi)同。

注意事項(xiàng):

(1)實(shí)際編程中，用具體的Zs的數(shù)值替代程序中的［Zs］。

(2)若修復(fù)多頭螺紋，只要給G32指令的P地址字賦合適的值即可。(P為螺紋起始點(diǎn)相對(duì)于主軸基準(zhǔn)脈沖的角位移)。

(3)以圓柱螺紋為例，這里講的螺紋修復(fù)適用于輕度受損螺紋，修復(fù)后螺紋的公稱(chēng)直徑不變。損傷嚴(yán)重的螺紋按照原公稱(chēng)直徑修復(fù)是不夠的，需要做深度修復(fù)，這樣修復(fù)后螺紋的公稱(chēng)直徑會(huì)變小，與原有螺母不匹配。這種修復(fù)后獲得的螺紋一般是非標(biāo)準(zhǔn)的。

G32方式下，刀具走刀一次，刀具的進(jìn)入與返回需要自行編程指定。若要多次走刀，需多次使用G32指令。我們也可以采用螺紋切削循環(huán)指令進(jìn)行螺紋修復(fù)，對(duì)刀方法是一樣的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從理論上對(duì)螺紋修復(fù)方案作了說(shuō)明。特別對(duì)于一些特殊行業(yè)，螺紋修復(fù)有很大的實(shí)用價(jià)值，如石油行業(yè)中大量使用的鉆桿等。當(dāng)螺紋件損壞時(shí)，如果更換新的，一般價(jià)格比較昂貴，此時(shí)采用螺紋修復(fù)的方法是個(gè)行之有效的方案。

［1］王可，唐宗軍，趙文珍.管螺紋數(shù)控加工中的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題［J］.石油機(jī)械，1998，26(11):42 －43.

［2］蔡善樂(lè)，馬志宏.數(shù)控車(chē)床手工螺紋對(duì)刀［J］.機(jī)床與液壓，2004(9):177－178.

［3］世紀(jì)星車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)HNC－21/22T編程說(shuō)明書(shū)［Z］，2001.