基于宏程序編程的滾珠絲杠雙圓弧螺紋數(shù)控車(chē)削加工

沈羽，王西建

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山 467000）

滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想產(chǎn)品。由于具有效率高、傳動(dòng)靈活、精度保持性好、摩擦阻力小的特點(diǎn)，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠上的螺紋區(qū)別于普通螺紋，牙型為圓弧形，屬于異型螺紋。數(shù)控車(chē)床自帶的螺紋加工指令只能加工圓柱面和圓錐面上形狀規(guī)則的螺紋，無(wú)法用常見(jiàn)的專(zhuān)門(mén)指令編程，也難用CAD/CAM自動(dòng)編程。對(duì)于螺紋牙型不規(guī)則和異型螺紋則需要選擇成型刀或者其他的辦法來(lái)加工。本文以Funac 0i系統(tǒng)為例，采用宏程序，通過(guò)直線擬合逼近雙圓弧曲線的方法，剖析滾珠絲杠雙圓弧螺紋數(shù)控車(chē)削的加工方法和編程思路。

1 零件圖樣分析

圖1 滾珠絲杠圓弧螺紋

如圖1所示為滾珠絲杠，材料 GCr15鋼，外圓柱體上有圓弧螺紋，螺紋牙型輪廓為對(duì)稱(chēng)圓弧，由R1和R3雙圓弧連接過(guò)渡組成。導(dǎo)程為5mm，牙深相對(duì)導(dǎo)程較淺（0.878），螺紋旋向?yàn)橛倚?/p>

2 螺紋切削的加工工藝分析

2.1 裝夾方式的選擇

在加工此零件的圓弧螺紋時(shí)，考慮到螺紋加工時(shí)設(shè)置的導(dǎo)入到出的距離，螺紋段兩端的圓柱部分太短，無(wú)法利用三爪卡盤(pán)裝夾，且該零件為薄壁類(lèi)零件，切削過(guò)程中受力較大，利用外圓裝夾易變形，因此采用內(nèi)孔穿芯軸來(lái)保證加工螺紋的精度。

2.2 刀具的選擇

普通螺紋的形狀可用仿形車(chē)刀加工而成，特殊螺紋的形狀由車(chē)刀形狀和刀路的擬合而成。圓弧螺紋的弧形較小時(shí)，為了避免加工干涉和考慮到可以采用圓弧形車(chē)刀車(chē)削，考慮到留有一定的調(diào)整和精車(chē)余量，圓弧車(chē)刀半徑必須小于圓弧螺紋牙型輪廓上的最小曲率半徑。對(duì)于牙型較深、寬度較大、導(dǎo)程較大的螺紋，車(chē)削時(shí)切削的余量和切削抗力都較大，用圓弧車(chē)刀會(huì)引起工件彎曲、變形，而且容易引起過(guò)切、干涉的現(xiàn)象?？紤]到刀具與程序的通用性以及編程方便，在加工本例工件中的圓弧螺紋時(shí)，選擇30°尖刀或30°偏刀，刀尖圓弧的半徑為0.2。

2.3 切削用量選擇

在車(chē)削螺紋時(shí)，車(chē)床的主軸轉(zhuǎn)速受到螺紋螺距的大小、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的升降頻特性及螺紋插補(bǔ)運(yùn)算速度等多種因素的影響，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的推薦公式： N=1200/P-K 。（注：其中p是螺紋的螺距,k是保險(xiǎn)系數(shù)，一般取為80）。本例中，主軸轉(zhuǎn)速n取200r/min。

采用普通螺紋數(shù)控車(chē)削分層切削的方法，利用宏程序進(jìn)行X軸分層加工，背吃刀量由變量控制。

2.4 螺紋加工指令選擇

在Fanuc系統(tǒng)中，螺紋切削指令有：?jiǎn)涡谐搪菁y切削指令G32、螺紋切削簡(jiǎn)單循環(huán)指令G92、螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令G76等，考慮到程序的簡(jiǎn)潔，這里選擇G92并采用宏程序編程。

2.5 走刀路線的設(shè)計(jì)

為了避免在螺紋加工主軸升速、降速時(shí)螺距不一致的問(wèn)題，螺紋切入，切出材料必須設(shè)置一段導(dǎo)入長(zhǎng)度和切出長(zhǎng)度。為了在一次循環(huán)中就完成螺紋的分層加工，在計(jì)算出X軸的分層進(jìn)給量后，沿著整個(gè)輪廓進(jìn)行Z向分段加工，直至將整個(gè)螺紋牙型輪廓擬合出為止。根據(jù)零件形狀的特點(diǎn)，首先選擇一個(gè)合適的循環(huán)起點(diǎn)，以G00 快速走刀至循環(huán)起點(diǎn)上，以G92 進(jìn)行一次螺紋切削循環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)X、Z方向遞進(jìn)分層螺紋切削循環(huán)，螺紋切削循環(huán)的起刀點(diǎn)為一個(gè)動(dòng)點(diǎn)。

2.6 用戶(hù)宏程序流程圖

應(yīng)用宏程序編程的滾珠絲杠雙圓弧螺紋車(chē)削加工的流程圖如圖2所示。

圖2 滾珠絲杠雙圓弧螺紋車(chē)削加工流程圖

3 圓弧螺紋數(shù)學(xué)模型分析與數(shù)據(jù)處理

通過(guò)分析，該零件螺紋的形成輪廓為對(duì)稱(chēng)圓弧，圓弧螺紋牙型由R1和R3的雙圓弧連接過(guò)渡組成。為了方便表達(dá)圓弧上點(diǎn)的坐標(biāo)，采用參數(shù)方程。 圓的參數(shù)方程如下：

Y=R★SINα；

X=R★COSα；

轉(zhuǎn)換到數(shù)控車(chē)床坐標(biāo)系的表達(dá)式：

X=R★SINα；

Z=R★COSα；

圖1中的工件坐標(biāo)系原點(diǎn)為右端面與軸心線交點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助軟件計(jì)算出R1和R3圓弧相切的點(diǎn)的坐標(biāo)或切點(diǎn)和圓心的連線與Z軸夾角，通過(guò)圖紙分析，起刀點(diǎn)選在R1圓弧的頂點(diǎn)，首先R1圓弧的頂點(diǎn)從沿著R1圓弧輪廓加工，接著沿著R3圓弧輪廓加工，為了在一次循環(huán)中就完成螺紋的分層加工，在計(jì)算出X軸的分層進(jìn)給量后，沿著整個(gè)輪廓進(jìn)行Z向分段加工，直至將整個(gè)螺紋牙型輪廓擬合出為止。

4 程序編制

4.1 螺紋部分參考加工程序

參考程序（FANUC 0i ）：

O1234;//程序號(hào)

……..

T0303; //調(diào)用圓弧用車(chē)刀；

M03S200; //主軸低轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)；

G00X48.0Z10.0 M08 ; //到達(dá)起刀點(diǎn)，切削液開(kāi)；

#1=90.0; //R1圓弧切深初始值；

WHILE[#1LE128.68]DO 1; //切深循環(huán)，R1圓弧總切深從90°到128.68°；

#2=1★SIN[#1] ; //螺紋R1圓弧上動(dòng)點(diǎn)x坐標(biāo)；

#3=1★COS[#1] ; //螺紋R1圓弧上動(dòng)點(diǎn)Z坐標(biāo)；

#4=10.0+#3; //R1圓弧軌跡自變量Z 初始值，升速進(jìn)刀段；

#5=5-#3; //R1圓弧軌跡自變量Z終止值，降速退刀段；

WHILE[#4GE#5]DO 2; //循環(huán)條件判別，每層Z向切削是否到達(dá)終止值；

G00X48.0Z[#4]; //到達(dá)螺紋循環(huán)起刀點(diǎn)；

G92X[42.072+[2★#2]]Z-42.5F5.0; // 切 削 螺 紋R1段，導(dǎo)程5mm；

#4=#4-0.5; //Z向每次循環(huán)切削的增量值為0.5mm；

END 2; //循環(huán)2結(jié)束，一層切削結(jié)束；

#1=#1+5.0; //外層循環(huán)每層X(jué)向每次循環(huán)切深角度增量值為5°；

END 1; //外層循環(huán)結(jié)束，R1圓弧加工結(jié)束；

G00X48.0Z10. 0；// 到達(dá)起刀點(diǎn)；

#6=-51.32; //R3圓弧切深初始值；

WHILE[#1GE-90.0]DO 3 ; // 切深循環(huán)條件判別，R3圓弧總切深從90°到128.68°；

#7=3.0★SIN[#1]; 螺紋 R3 圓弧上動(dòng)點(diǎn) x 坐標(biāo)；

#8=3.0★COS[#1]; 螺紋 R3圓弧上動(dòng)點(diǎn) Z 坐標(biāo)；

#9=5+#8 ; //R3圓弧軌跡自變量Z 初始值，升速進(jìn)刀段；

#10=-#8；//R1圓弧軌跡自變量終止值，降速退刀段；

WHILE[#9GE#10]DO 4; //循環(huán)條件判別，每層Z向切削是否到達(dá)終止值；

G00X48.0Z[#9]; //到達(dá)螺紋循環(huán)起刀點(diǎn)；

G92X[48.317+[2★#7]]Z-42.5F5.0; // 切 削 螺 紋R3段，導(dǎo)程5mm；

#9=#9-0.2; //Z向每次循環(huán)切削的增量值為0.5mm；

END 4; //循環(huán)4結(jié)束，一層切削結(jié)束；

#6=#6-5.0; //外層循環(huán)每層X(jué)向每次循環(huán)切深角度的增量值為5°；

END 3; //外層循環(huán)結(jié)束，R3圓弧加工結(jié)束；

G00X100.0Z100.0M09; 退刀，遠(yuǎn)離工件，切削液關(guān)；

……..

M05; //主軸停；

M30;//程序結(jié)束。

4.2 數(shù)控仿真結(jié)果

通過(guò)宇龍數(shù)控加工仿真軟件，建立工件模型，輸入以上程序，數(shù)控車(chē)削的仿真結(jié)果見(jiàn)圖3所示。證明以上滾珠絲杠螺紋部分的加工程序正確可行。

圖3

5 結(jié)語(yǔ)

利用宏程序強(qiáng)大的變量設(shè)置、邏輯判斷和程序控制功能，通過(guò)擬合的方式，采用趕刀法來(lái)解決較復(fù)雜的滾珠絲杠圓弧螺紋的數(shù)控車(chē)削加工。避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，減少了加工誤差，簡(jiǎn)化了程序結(jié)構(gòu)，提高了加工效率，保證了零件的加工質(zhì)量。本文所舉的圓弧螺紋編程思路和方法，也適用于梯形螺紋、矩形螺紋、三角形螺紋等異形螺紋的加工。

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