宏編程在立車加工大型梯形螺紋中的應用

陳小波 許 凱 謝如平 陳 剛

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

隨著科技的發(fā)展，對設備制造也提出了更高的要求。某大型設備零部件采用大直徑大螺距梯形結構螺紋，該工件屬于大直徑非標梯形螺紋，結構尺寸大，公差要求高，加工難度大，其結構如圖1所示。目前車間內僅有幾臺大型數控立車，之前也無螺紋車削經驗，加工難度較大。

圖1 某大型梯形螺紋Figure 1 A heavy trapezoidal thread

1 梯形螺紋加工方案

車間現有的立車數控系統(tǒng)，分別為西門子802D和840D兩種型號，支持的螺紋切削指令有簡單螺紋切削G33指令和CYCLE97高級切削指令。區(qū)別如下：

(1)G33簡單指令只能使用恒定深度進給，一般可以加工螺距小于4 mm或精度要求不高的工件，但是加工梯形螺紋時，前面部分切削較淺時，刀具切削寬度尚可，隨著切削深度不斷加大，整個刀具切削寬度越來越大，切削阻力也越來越大，螺紋車刀的三個切削刃都將參與切削，導致加工排屑困難，切削力和切削熱陡增，刀頭磨損嚴重，容易產生“扎刀”和“崩刃”現象，因此這種方法不太適合加工大螺距螺紋。G33恒定深度進給加工圖如圖2所示。

圖2 G33恒定深度進給加工示意圖Figure 2 G33 constant depth feed machining

(2)CYCLE97高級指令可通過參數設定，實現每個切削層車刀沿螺紋一側進刀，或者分別沿左、右牙型交叉進刀，直至牙底。故CYCLE97高級指令非常適合加工梯形螺紋。CYCLE97加工螺紋的切削方式如圖3所示。

圖3 CYCLE97加工螺紋的切削方式示意圖Figure 3 Cutting manner of CYCLE97 machining thread

根據車間幾臺數控立車實際情況，鑒于5 m車銑加工中心精度較好，帶X、Z軸光柵尺，立車花盤帶高精度圓光柵尺，且只有該設備支持螺紋切削高級指令CYCLE97，故優(yōu)選5 m車銑加工中心試加工。

2 第一次加工試驗

準備好試驗件，在5 m車銑加工中心開展試加工。通過加工試驗發(fā)現，加工的梯形螺紋頂徑、底徑、螺距均正常，但是梯形螺紋的橫截面完全不正確，如圖4所示，試驗失敗。

圖4 5 m車銑加工中心加工后試驗件橫截面示意圖Figure 4 Cross section of specimen processed by 5 m turn-milling machining center

3 試驗失敗原因分析

經過多次分析CYCLE97加工程序，確認編程方法、程序中的切削參數均嚴格按照西門子840D編程手冊執(zhí)行，操作步驟也正確無誤，無法從程序和操作步驟中分析出失敗的原因。

技術人員從設備方向入手分析，并與設備組技術員反復研究，發(fā)現5 m數控車銑加工中心有圓光柵尺和旋轉編碼器兩套角度測量系統(tǒng)。設備在執(zhí)行車削功能時，選擇設備主電機上的旋轉編碼器進行旋轉定位，而在執(zhí)行銑削功能時，選擇花盤中心的圓光柵尺進行精準定位，如圖5所示。

圖5 5 m車銑加工中心結構示意Figure 5 Structure of 5 m turn-milling machining center

在執(zhí)行車削加工時，立車讀取主電機上的旋轉編碼器的角度值，根據公式傳動比i=從動輪齒數Z2÷主動輪齒數Z1，間接計算出花盤的角度數值。在此機床上，因齒輪箱是多級齒輪傳動，同時因數控系統(tǒng)中角度位置計算精度的誤差，造成系統(tǒng)計算花盤旋轉的角度值和實際旋轉角度值出現微小偏差。

經反復測量驗證，確認執(zhí)行車削功能時，系統(tǒng)讀取主電機上的旋轉編碼器數據計算的花盤旋轉角度值與花盤實際旋轉角度值存在微小偏差。即系統(tǒng)計算的角度數據和花盤實際旋轉角度并不匹配，存在較小偏差，造成每一次進給比上一次偏移一個小角度，最終車出了圖4所示橫截面完全不正解的梯形螺紋。

4 方案改進

對此情況，只能更換其他設備，但其余幾臺數控立車均不支持CYCLE97指令。技術人員仔細研究840D編程手冊后，通過循環(huán)指令，編制宏程序，利用簡單的G33指令實現每一層左右切削法加工梯形螺紋。

4.1 具體方案

設定參數變量R1～R11，根據判斷語句IF，判斷當前加工量，當加工余量大于0.8 mm時，執(zhí)行粗加工，當加工余量大于0.3 mm時，執(zhí)行半精加工，當加工余量等于0.1 mm時，執(zhí)行精加工，并空走一刀。每一層加工中，都分左右兩側分別進刀，公式為：

每層Z向左側起刀值=Z-進給深度×tanα，每層Z向右側起刀值=Z+進給深度×tanα。

通過公式計算，達到左右分別進刀的目的。通過以上函數宏程序，在普通數控機床上實現復雜數控指令CYCLE97，達到高效加工大直徑梯形螺紋的目的。

4.2 梯形螺紋加工的數控程序

梯形螺紋加工的數控程序如下：

;該程序為半徑編程

G54 G17 G40 G64 G90

DIAMOF ;半徑編程

F1000 S20 M03

;

R1=864.5 ;螺紋頂徑(半徑)

R2=8 ;螺紋深度

R3=23.8 ;螺距P

R4=R1 ;當前螺紋直徑(半徑)

R5=-500 ;螺紋加工長度

R6=870 ;X軸退刀安全直徑

R7=0.3 ;X軸粗加工進給

R8=0.2 ;X軸半精加工進給

R9=0.1 ;X軸精加工進給

R10=10 ;Z軸起刀點

R11 ;當前Z軸起刀點

;

G90 G01 X=R4 Z=R10

MARK1:

R4=R4-R7

R11=R10-(R1-R4)*tan29

G01 Z=R11

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

R11=R10+(R1-R4)*tan29

G01 Z=R11

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

IF R2-(R1-R4)>0.8 GOTOB MARK1

;

MARK2:

R4=R4-R8

R11=R10-(R1-R4)*tan29

G01 Z=R11

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

R11=R10+(R1-R4)*tan29

G01 Z=R11

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

IF R2-(R1-R4)>0.3 GOTOB MARK2

;

MARK3:

R4=R4-R9

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

IF R2-(R1-R4)>0.1 GOTOB MARK3

R4=R1-R2

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

M30

;end

通過更換機床后，按照以上宏程序，順利完成大型梯形螺紋加工，加工后經過尺寸測量，樣板檢驗，滿足設計要求。同時后續(xù)的試裝配也合格，加工試驗成功。

5 結語

詳細分析了5 m車銑加工中心加工螺紋試驗失敗的根本原因。通過對比分析西門子數控系統(tǒng)中G33指令和CYCLE97指令區(qū)別，提出了一種用簡單指令編制宏程序，實現高級螺紋切削的編程方法，解決了大型螺紋零件加工的難題，并完成了模擬件加工試驗和裝配，解決了大型梯形螺紋的加工難題，對大型螺紋數控編程和加工具有一定的指導意義。