變螺距螺紋數(shù)控車削技巧

◇商丘技師學(xué)院 段好運

變螺距螺紋應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，但變螺距螺紋結(jié)構(gòu)形狀比較特殊，技術(shù)要求高，在普通機械設(shè)備上加工變螺距螺紋難度很大，借助數(shù)控車床系統(tǒng)可以實現(xiàn)變螺距螺紋的便捷加工。本文以華中數(shù)控HNC-21T系統(tǒng)為例，應(yīng)用華中數(shù)控系統(tǒng)的宏程序功能和螺紋加工指令G32，對變螺距螺紋的加工策略進行了探討，分析了變螺距螺紋的成形原理、加工方法、程序設(shè)計，解決了變螺距螺紋加工的技術(shù)難題，為變螺距螺紋的數(shù)控車削加工提供思路。

變螺距螺紋在工作時變螺距螺紋的螺旋槽容腔變化均等，可以實現(xiàn)自動勻速地把被擠壓材料運送到相應(yīng)的模具型腔中，具有壓縮比大、壓縮均勻、吃料情況好、出料口物料連續(xù)性好、擠出性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點[1]。因此，變螺距螺紋在塑料工業(yè)、食品機械、輕紡工業(yè)、制藥機械、造紙行業(yè)、灌裝機械、橡膠行業(yè)等領(lǐng)域廣泛使用，在船舶上的變螺距螺旋槳、航空傳輸機械、高速離心泵上的變螺距誘導(dǎo)輪、汽車動力裝置等方面也得到很好的應(yīng)用[2]。但變螺距螺紋結(jié)構(gòu)形狀比較特殊，技術(shù)要求高，在普通機械設(shè)備上加工變螺距螺紋難度大，同時，在不具有變螺距螺紋切削指令的華中數(shù)控系統(tǒng)車床上加工也存在一些不利因素，如何實現(xiàn)在華中數(shù)控HNC-21T系統(tǒng)車床上便捷加工變螺距螺紋，是值得深入探討的課題。

1 變螺距螺紋的基本特點及成形原理分析

1.1 變螺距螺紋的基本特點

變螺距螺紋是螺距沿著螺旋線方向有規(guī)律的逐漸增大或減小的螺紋，其突出特點是螺距發(fā)生變化且具有規(guī)律性，牙型深、牙槽寬、螺距大等。變螺距螺紋有三種類型，分別是等槽寬變牙寬變螺距螺紋如圖1所示，等牙寬變槽寬變螺距螺紋如圖2所示，變槽寬變牙寬變螺距螺紋如圖3所示，其中前兩種變螺距螺紋較為常見。

圖1 等槽寬變牙寬變螺距螺紋

圖2 等牙寬變槽寬變螺距螺紋

圖3 變槽寬變牙寬變螺距螺紋

1.2 螺距變化規(guī)律

掌握變螺距螺紋的各節(jié)螺距間相互關(guān)系是加工變螺距螺紋的基礎(chǔ)。一般而言，變螺距螺紋的螺距變化是按等差數(shù)列規(guī)律排列的，如圖4所示，第n節(jié)螺紋的螺距長度Pn為 ：Pn=P1+（n-1）*△P，n節(jié)螺紋總長度Ln為 ：Ln=P1+P2+…+Pn=n*P1+n*（n-1）*△P/2；式中P1為第1節(jié)螺紋螺距；△P為螺距變化量；n為第n節(jié)螺紋數(shù)；Ln為 n節(jié)螺紋的總長度。

圖4 變螺距螺紋螺距變化規(guī)律

1.3 變螺距螺紋成型原理

等螺距螺紋加工是由主軸帶動工件做勻速旋轉(zhuǎn)運動和刀具作軸向勻速直線車削運動共同完成的，相對而言比較容易實現(xiàn)。變螺距螺紋的加工則比較復(fù)雜，難點在于變螺距螺紋的螺距值不是定值而是變化的數(shù)值，一方面需要主軸帶動工件做勻速旋轉(zhuǎn)運動，另一方面刀具作軸向勻加速或勻減速直線移動，才能形成變螺距螺旋線，即主軸每轉(zhuǎn)動一周刀具沿軸向移動一個導(dǎo)程，并且主軸每旋轉(zhuǎn)一周，刀具軸向移動的螺距是不斷增加或減少一個給定的數(shù)值，在工件表面形成一條變螺距的螺旋槽，從而實現(xiàn)變螺距螺紋的加工[3]。

2 變螺距螺紋的數(shù)控車削加工方法

2.1 用戶宏程序加工變螺距螺紋的技術(shù)基礎(chǔ)

傳統(tǒng)變螺距螺紋加工方法通常有兩種，一是銑切法，在銑床上采用靠模方式通過手工完成，銑刀繞自身的軸線旋轉(zhuǎn)，工件做變螺旋運動，該方法勞動強度大、加工效率低、產(chǎn)品精度低、廢品率較高。另一種是采用凸輪補償法，在臥式車床進給系統(tǒng)上添加一套凸輪變速機構(gòu)輔助裝置，實現(xiàn)變速加工，該方法加工質(zhì)量相對穩(wěn)定、可以保證加工精度，但技術(shù)難度大，設(shè)計成本高，變距增量調(diào)整復(fù)雜，不利于推廣應(yīng)用。當前數(shù)控機床在制造行業(yè)中的應(yīng)用日益普及，一些數(shù)控系統(tǒng)如發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)、西門子數(shù)控系統(tǒng)等提供了變螺距螺紋切削指令，可以便捷實現(xiàn)變螺距螺紋的加工。但目前還存在有一些數(shù)控系統(tǒng)如華中數(shù)控HNC-21T系統(tǒng)沒有通過變螺距螺紋切削指令，在這些數(shù)控車床上不能直接加工變螺距螺紋，需要利用華中數(shù)控系統(tǒng)的宏程序功能，通過宏程序的變量設(shè)置、邏輯判斷和程序控制功能，與固定螺距螺紋加工指令G32一起，可以實現(xiàn)變螺距螺紋的加工，拓寬此類數(shù)控車床的應(yīng)用能力、提高使用性能。本文以華中數(shù)控HNC-21T系統(tǒng)數(shù)控車床為例探討變螺距螺紋的加工方法和技巧。

2.2 變螺距螺紋的數(shù)控車削加工方法

根據(jù)變螺距螺紋類型不同，在數(shù)控車床上加工變螺距螺紋方法有所區(qū)別，首先進行等槽寬變牙寬變螺距螺紋的加工，其次進行等牙寬變槽寬變螺距螺紋的加工，等槽寬變牙寬變螺距螺紋的加工是前提。車削變螺距螺紋時，隨著車削深度的增加，螺紋車刀與螺紋牙型兩側(cè)接觸面積逐漸增大，刀具受力也會越來越大，往往會產(chǎn)生顫動、縮短刀具的使用壽命，甚至出現(xiàn)扎刀、崩刃、刀具損壞、工件報廢等情況。為解決可能出現(xiàn)的加工問題，采取分層車削和每層左右切削的方法，每次切削需要適時改變螺距和相應(yīng)起刀點的位置，將螺紋的牙型按照一定深度和寬度分成若干層，逐層進行切削，使每層切削力基本相同；每一層加工時，使用寬度較窄的螺紋車刀，先沿著X向進刀車削螺紋至一定深度，然后再單向或左右兩邊Z向進給車削至精加工余量尺寸，有效降低加工難度，保證變螺距螺紋的順利進行。如此反復(fù)，依次類推，直至車至牙槽底部[4]。

2.3 加工指令選用

（1）宏程序的控制指令。宏程序是一種具有計算能力和決策能力的數(shù)控程序，用戶可以使用變量進行數(shù)學(xué)運算、邏輯運算和函數(shù)的混合運算，利用循環(huán)語句、分支語句和子程序調(diào)用語句等宏程序控制指令，編制復(fù)雜零件的加工程序，減少傳統(tǒng)編程中的數(shù)值計算，精簡加工程序，提高加工效率，拓展了數(shù)控系統(tǒng)機床的編程功能[5]。

（2）螺紋加工指令的選擇。目前，華中數(shù)控HNC-21T系統(tǒng)中提供的螺紋加工切削指令有G32、G82和G76，它們都適用于等螺距螺紋的加工，刀具每次加工的起點是固定不變的。但是變螺距螺紋需要通過宏程序計算改變螺距、Z向定位點和X向定位點，G82和G76循環(huán)起點是固定點，不能加工變螺距螺紋，而G32螺紋加工指令可以滿足需求，因此G32指令與宏程序一起編制程序可以實現(xiàn)變螺距螺紋的加工。

（3）連續(xù)切削指令的應(yīng)用。變螺距螺紋的每一段螺距都在發(fā)生變化，如果加工時在某一段螺紋出現(xiàn)停頓，將會造成整個共件報廢，因此不間斷的連續(xù)切削是必不可少的技術(shù)要求。一要確保數(shù)控系統(tǒng)的運算速度快、精度高的要求，滿足宏程序?qū)崟r動態(tài)計算功能；二要在程序中應(yīng)用連續(xù)切削指令G64，使程序運行時邊計算邊加工，滿足數(shù)控機床快速不間斷的響應(yīng)能力，以實現(xiàn)連續(xù)切削，保證加工質(zhì)量。

3 編程實例

3.1 等槽寬變牙寬變螺距螺紋程序設(shè)計

（1）零件圖樣分析。圖1所示的等槽寬變牙寬變螺距螺紋，螺紋大徑為Φ32mm，螺紋小徑為Φ26mm，第一個螺距為9mm，最大螺距為11.5mm，螺距變化量為△P=0.5mm/r。牙型為矩形，槽寬為4mm。根據(jù)圖樣計算出螺紋的總長度Ln為 ：Ln=P1+P2+… +Pn=n*P1+n*(n-1)*△P/2=6*9+6*（6-1）*0.5/2=61.5mm。

（2）編程思路。解決相鄰兩牙的螺距變化是編程的關(guān)鍵，每節(jié)螺距變化用后一個螺距比前一個螺距遞增0.5mm的條件循環(huán)語句來實現(xiàn)；X向每層螺紋切削是用X方向減小0.1mm的條件循環(huán)語句來實現(xiàn)。①初始螺距的設(shè)定。把螺紋右端面中心點A設(shè)置為編程坐標系零點，在車削螺紋時因主軸升降速影響和安全考慮，刀具起點Z向距離螺紋起始點端面設(shè)定一段距離，根據(jù)螺距變化規(guī)律螺紋向右延長一個螺距，選定為8.5mm作為螺紋切削起點的位置。②明確螺距增減量數(shù)值和終止條件。Z坐標軸方向上，在初始螺距的基礎(chǔ)上每轉(zhuǎn)一圈螺距增加0.5mm，終止螺距數(shù)值為11.5mm。③X向初始值為32mm，X向終止值為26mm，每層X向進刀0.1mm。④每一層運行結(jié)束后要在X向退刀并返回車削起點。⑤在第二層車削前螺距初始化為8.5mm，直至加工完成。

（3）等槽寬變牙寬變螺距螺紋程序編制。本程序僅限于變螺距螺紋部分，零件上其它部分設(shè)定為已加工完畢，1號刀具1號刀補，刀寬4mm、高速鋼矩形螺紋刀具，A點作為編程坐標系原點，參考程序見o0001。

3.2 等牙寬變槽寬變螺距螺紋加工程序設(shè)計

（1）零件圖樣分析。圖2所示等牙寬變槽寬變螺距螺紋，螺紋大徑為Φ32mm，螺紋小徑為Φ26mm，牙型寬度4mm，最小螺距為9mm，最大螺距為11.5mm，每轉(zhuǎn)螺距增加量為△P=0.5mm。通過分析明確以下幾個要點：①刀具選定，選擇刀寬為3mm的高速鋼矩形螺紋刀具；②螺紋加工起刀點位置，螺距初始值Z向為8.5mm，為保證螺紋加工安全平穩(wěn)過渡，向右延伸相應(yīng)一個螺距8.0mm；③X向每層進刀量，設(shè)定為0.1mm；④計算Z軸方向偏移次數(shù)及每次偏移量，Z軸方向最大切削量=最大螺距-刀具寬度-牙型寬度=11.5-3-4=4.5mm，Z向切削次數(shù)=Z向最大切削量/刀具寬度=4.5/3=1.5次，取整數(shù)，選定2次；Z向每次偏移量=（螺距初始值-牙型寬度-刀具寬度-螺距增量）/切削次數(shù)=（8.5-4-3-0.5）/2=0.5mm；⑤螺距P偏移量=螺距增量△P/切削次數(shù)=0.5/2=0.25mm。⑥變距螺紋的總長度Ln=9+9.5+10+10.5+11+11.5=61.5mm。

（2）編程思路。分兩步進行，第一步，加工一個3mm等槽寬的變螺距螺紋；第二步，通過改變螺紋切削起點和導(dǎo)程的方法進行單向趕刀實現(xiàn)等牙寬變螺距螺紋的加工。因此，在加工等槽寬的變螺距螺紋后進行第二刀切削時，根據(jù)起點螺距偏移量，將刀具起始定位點向端面靠近（或遠離）所計算的偏移量0.5mm，同時基本螺距減小(或增大)相應(yīng)的偏移量0.25mm，第二刀螺距由第一刀的9mm變?yōu)?.75mm。依次類推，刀具逐漸向負方向趕刀，直至加工到等牙寬變螺距要求尺寸為止。

（3）等牙寬變槽寬變螺距螺紋加工程序編制。本程序僅限于變螺距螺紋部分，零件上其它部分設(shè)定為已加工完畢，2號刀具2號刀補，刀寬3mm，O點作為編程坐標系原點，第一刀加工參考程序見o0002。

4 結(jié)束語

變螺距螺紋零件設(shè)計精度高，編程加工難度大，需要綜合考慮零件尺寸參數(shù)，合理選用刀具和切削用量，科學(xué)布局走刀路徑，在不具有變螺距螺紋加工指令的華中數(shù)控系統(tǒng)車床上，把宏程序功能與固定螺距螺紋指令G32相結(jié)合，編制通用性較好的加工程序，實現(xiàn)變螺距螺紋零件的加工，縮短加工時間，提高加工效率，起到事半功倍的效果。