外螺紋銑削參數(shù)化程序研究及應(yīng)用

辛道銀，魏法明，郭湘宇

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

0 引言

螺紋類零件在部件和設(shè)備中主要起連接或傳動(dòng)的作用，廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床、航空航天、石油化工等機(jī)械工業(yè)。一輛普通的汽車上有上千個(gè)螺紋連接件，起到固定、傳力、連接、定位、密封、調(diào)整等作用，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用[1]。螺紋的切削加工方法主要有車削、銑削、旋風(fēng)切削、攻螺紋、套螺紋、拉削、磨削等。車削是最常用的螺紋加工方法，但是車削要求工件必須是回轉(zhuǎn)體，而且對(duì)于大直徑內(nèi)、外螺紋的加工，還必須要解決工件的裝夾問(wèn)題和動(dòng)平衡問(wèn)題。對(duì)于外螺紋，可以使用板牙手工套螺紋或在車床上套螺紋，但一般用在公稱直徑不大于M16或螺距小于2 mm的場(chǎng)合。相比于車螺紋或套螺紋，螺紋銑削不受工件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小的限制，而且可以顯著減少刀具種類，可用少量的刀具加工各種規(guī)格的螺紋。在實(shí)際生產(chǎn)中，各機(jī)械加工企業(yè)大都采用自動(dòng)編程加工螺紋，但是自動(dòng)編程生成的加工程序太長(zhǎng)，可讀性差，當(dāng)螺紋尺寸參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，需要重新編程，程序的通用性和靈活性差，因此研究螺紋銑削的參數(shù)化編程很有必要。

本文借助于數(shù)控系統(tǒng)的宏程序功能，以變量的形式設(shè)定外螺紋相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)，通過(guò)變量間的四則運(yùn)算和算術(shù)邏輯運(yùn)算，以期達(dá)到參數(shù)化編程的目的。首先對(duì)外螺紋銑削參數(shù)化編程關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析和研究；然后在此基礎(chǔ)上，通過(guò)一個(gè)實(shí)例編制其參數(shù)化加工程序；最后對(duì)該程序進(jìn)行VERICUT仿真和實(shí)際加工驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，該程序加工的螺紋完全符合加工質(zhì)量要求，且程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可讀性強(qiáng)，當(dāng)外螺紋相關(guān)尺寸參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，只需更改程序中變量的值即可，不需要重新編程，解決了自動(dòng)編程加工程序通用性、靈活性差的問(wèn)題，該項(xiàng)研究可供企業(yè)編程人員和加工人員參考。

1 螺紋數(shù)控銑削加工工藝

1.1 螺紋銑削原理

螺紋銑削是螺紋銑刀按照螺旋插補(bǔ)指令完成螺紋加工的一種方法。螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)由XY平面上的圓弧移動(dòng)和垂直于工作平面的同步直線移動(dòng)組成[2]，螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)如圖1所示。對(duì)于立式數(shù)控銑床或加工中心，螺旋插補(bǔ)指令格式為：G17G02/G03X_Y_I_J_（R_）Z_F_。螺紋銑削實(shí)際上是螺旋插補(bǔ)指令運(yùn)用的一個(gè)特例，即螺紋銑刀自轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿輪廓圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)1周，刀具Z軸同步移動(dòng)1個(gè)螺距P。

圖1 螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)

1.2 整體式螺紋銑刀

整體式螺紋銑刀如圖2所示，該類型螺紋銑刀一般采用整體式硬質(zhì)合金材料制造，表面帶涂層的適合加工不銹鋼、合金鋼等各種鋼材；表面不帶涂層的適合加工鋁合金、銅合金等相對(duì)較軟的材料。圖2（a）為單齒螺紋銑刀，常用于較小直徑的螺紋加工，切削力較小、剛度高，同一把刀具可以進(jìn)行不同螺距、導(dǎo)程規(guī)格的螺紋加工，但加工效率低[3-4]；圖2（b）、圖2（c）分別為三牙螺紋銑刀和全牙螺紋銑刀，三牙螺紋銑刀和全牙螺紋銑刀的優(yōu)點(diǎn)是加工效率高，缺點(diǎn)是只能加工出與銑刀齒形相同的螺距，所以又稱為定螺距螺紋銑刀[5]，切削力也較單齒螺紋銑刀大。整體式螺紋銑刀因結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高，抗沖擊能力強(qiáng)，工作時(shí)切削平穩(wěn)，在高速加工中心上得到了廣泛的應(yīng)用。

圖2 整體式硬質(zhì)合金螺紋銑刀

1.3 外螺紋銑削方式

在加工外螺紋時(shí)，編程一般采用刀具半徑補(bǔ)償指令。當(dāng)采用順銑方式時(shí)，切屑厚度由厚到薄、刀具不易形成積屑瘤、切削熱主要由切屑傳出、工件表面質(zhì)量好，故應(yīng)優(yōu)先選擇順銑方式。外螺紋銑削方式如表1所示。

表1 外螺紋銑削方式

2 外螺紋參數(shù)化編程關(guān)鍵點(diǎn)分析

本文以批量生產(chǎn)中常用的三牙螺紋銑刀為研究對(duì)象，對(duì)外螺紋參數(shù)化編程擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析，為參數(shù)化程序編制提供依據(jù)。

2.1 外螺紋銑削走刀路線的設(shè)計(jì)

因圓弧切入、切出平穩(wěn)，不易產(chǎn)生振動(dòng)，表面不留刀痕，表面質(zhì)量好，故采用圓弧切入、切出方式設(shè)計(jì)外螺紋銑削走刀路線。

如圖3所示，S為起刀點(diǎn)，刀具從S點(diǎn)至A點(diǎn)這段直線，程序建立刀具半徑補(bǔ)償，刀具中心軌跡的終點(diǎn)不在A點(diǎn)，而是在法線方向上偏移一個(gè)刀具半徑r的距離。在該段程序中，動(dòng)作指令只能用G00或G01。刀具從E點(diǎn)返回到S點(diǎn)這段直線，程序取消刀具半徑補(bǔ)償。在中間的程序段AB→BC→CC→CD→DE（②→③→④→⑤→⑥）為偏移方式的運(yùn)動(dòng)軌跡。SA這段直線距離要求比刀具半徑r大，一般大于或等于2/3刀具直徑值，即SA≥4r/3，編程時(shí)取SA=2r；直線AB為引線，編程時(shí)取AB=P（P為螺距）；BC為切入圓弧，為避免過(guò)切，要求切入圓弧的半徑R切>刀具半徑r（條件允許時(shí)R切可以設(shè)置得更大一些），編程時(shí)，取R切=8r/5；d槽為牙槽圓的直徑，d槽=d-a（d為螺紋的公稱直徑，a為背吃刀量）。根據(jù)上述分析，得各基點(diǎn)坐標(biāo)：S（（d槽/2+8r/5+P+6r/5），0）、A（（d槽/2+8r/5+P），8r/5）、B（（d槽/2+8r/5），8r/5）、C（d槽/2，0）、D（（d槽/2+8r/5），-8r/5）、E（（d槽/2+8r/5+P），-8r/5）。

圖3 走刀路線設(shè)計(jì)

2.2 螺紋銑削的軸向分層

由于三牙螺紋銑刀的刃長(zhǎng)3P小于螺紋的有效長(zhǎng)度L效，故軸向需要分層銑削加工。軸向分層的層數(shù)即螺旋插補(bǔ)銑螺紋的總次數(shù)為FUP (L效/3P）, 其中FUP為FANUC系統(tǒng)的下取整函數(shù)，如果L效/3P結(jié)果是小數(shù)，那么函數(shù)FUP（L效/3P）將自動(dòng)舍去小數(shù)位，向遠(yuǎn)離0的方向進(jìn)1。

2.3 螺紋銑刀的軸向定位

采用順銑方式加工右旋外螺紋，刀具Z軸移動(dòng)方向?yàn)樽陨隙?。和車螺紋相似，需要確定螺紋加工前刀具起刀點(diǎn)和加工完成后刀具的軸向位置，以保證加工后螺紋有效長(zhǎng)度L效符合圖樣要求。

2.4 螺紋銑削的徑向分層

圖4 刀具的軸向定位

當(dāng)螺紋牙型較深時(shí)，為減小刀具切削負(fù)荷，提高螺紋加工質(zhì)量，徑向要分多次進(jìn)行切削，每次進(jìn)給的背吃刀量依遞減規(guī)律分配，最小背吃刀量值不小于0.05 mm[6]。徑向總切深取公稱直徑與小徑之差，約為1.08P。

3 程序編制及應(yīng)用

3.1 實(shí)例分析

加工圖5所示的外螺紋零件，該螺紋為公稱直徑為30 mm、螺距為2 mm的細(xì)牙螺紋，中徑和頂徑公差帶均為6g，中等旋合長(zhǎng)度，右旋，螺紋有效長(zhǎng)度為23 mm，零件材質(zhì)為6061鋁合金。

圖5 加工零件

3.1.1 數(shù)控系統(tǒng)及使用刀具

使用FANUC Oi數(shù)控系統(tǒng)；刀具選用整體式硬質(zhì)合金3牙4刃螺紋銑刀，不帶涂層，螺距為2 mm，刃徑為11.5 mm，有效長(zhǎng)度（刀桿避空長(zhǎng)度）為27 mm，柄徑為12 mm，總長(zhǎng)為75 mm。

3.1.2 切削用量計(jì)算

1）切削速度vc，主軸轉(zhuǎn)速n。

根據(jù)文獻(xiàn)[7],加工鋁合金材質(zhì)工件，取vc=200 m/min,于是得：

2）背吃刀量ap。

對(duì)于螺距為2 mm的外螺紋，徑向分5次進(jìn)給，背吃刀量依遞減規(guī)律分配，設(shè)為0.900、0.600、0.300、0.200、0.165。

3）銑刀刀心的進(jìn)給速度F′。

當(dāng)銑削外螺紋時(shí)，由于螺紋銑刀刀心的運(yùn)動(dòng)軌跡比刀刃處軌跡多了一個(gè)刀具半徑，因此刀心處的進(jìn)給速度F′大于刀刃處的進(jìn)給速度F，而程序中的進(jìn)給速度為刀心處的進(jìn)給速度。當(dāng)徑向第一刀背吃刀量為0.9 mm時(shí)，其刀心進(jìn)給速度F′計(jì)算如下：

式中，f為每齒進(jìn)給量，一般由刀具廠家或經(jīng)驗(yàn)給出，通常為0.1～0.2 mm/z。

上述計(jì)算供編程時(shí)參考，實(shí)際加工時(shí),切削用量的選取還要綜合考慮刀具廠家提供的切削參數(shù)及條件、刀具剛度、工件結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、冷卻、機(jī)床主軸跳動(dòng)等因素。

3.2 程序編制

根據(jù)上述分析，編制的參數(shù)化加工程序如下：

4 程序驗(yàn)證

4.1 仿真加工

如圖6（a）所示，搭建與真實(shí)加工環(huán)境一致的VERICUT仿真加工環(huán)境。利用軟件的單步仿真功能和數(shù)控程序預(yù)覽功能，生成徑向和軸向刀具軌跡，如圖6（b）所示，據(jù)此可以判斷該軌跡與設(shè)計(jì)的刀具軌跡是完全吻合的。圖6（c）為毛坯仿真后的模型。程序經(jīng)過(guò)多次的仿真優(yōu)化，節(jié)省了上機(jī)調(diào)試程序的時(shí)間，保證了加工程序的安全。

圖6 VERICUT仿真環(huán)境

4.2 實(shí)際加工

零件加工在FANUC Series Oi-MC 立式數(shù)控銑床上進(jìn)行，在螺紋加工前，首先加工螺紋軸外圓和軸端倒角，外圓一般加工至比公稱直徑小0.1P，本例加工至29.8 mm，預(yù)加工照片如圖7（a）所示。在螺紋銑刀對(duì)刀后、螺紋加工前，應(yīng)將刀具半徑補(bǔ)償值輸入到刀具偏置表中，該值設(shè)置比刀具半徑大0.2 mm，以防止因螺紋加工后中徑尺寸偏小而導(dǎo)致螺紋不合格；程序執(zhí)行后，用螺紋環(huán)規(guī)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)通規(guī)完全旋不進(jìn)，此情況說(shuō)明螺紋中徑尺寸偏大，徑向需要繼續(xù)進(jìn)刀，此時(shí)將刀補(bǔ)值減小0.1 mm，重新執(zhí)行加工程序，程序執(zhí)行后繼續(xù)用環(huán)規(guī)檢測(cè)，將此過(guò)程重復(fù)了4次，經(jīng)環(huán)規(guī)檢測(cè)，通規(guī)能完全旋進(jìn)，止規(guī)能旋進(jìn)一牙，再將通規(guī)旋進(jìn)螺紋軸至旋不動(dòng)停止，然后測(cè)量工件頂面至通規(guī)下端面的距離（即螺紋的有效長(zhǎng)度），同樣也是符合圖樣要求的。螺紋有效長(zhǎng)度檢測(cè)照片和加工后零件實(shí)物照片如圖7（b）和圖7（c）所示。

圖7 零件加工

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)外螺紋參數(shù)化編程關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了分析和研究，在此基礎(chǔ)上通過(guò)一個(gè)實(shí)例，采用對(duì)變量直接賦值的方法開發(fā)出用于外螺紋銑削的參數(shù)化程序，該程序只有51個(gè)程序段，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有循環(huán)加工的特點(diǎn)，對(duì)外螺紋銑削編程具有適用性和靈活性；通過(guò)VERICUT仿真，優(yōu)化了程序，同時(shí)保證了程序的安全。程序中使用了刀具半徑補(bǔ)償指令，通過(guò)修改刀具補(bǔ)償值的方法，可以有效控制螺紋的加工精度。