張孟陶

（安徽阜陽(yáng)技師學(xué)院機(jī)電工程系，安徽 阜陽(yáng) 236000）

[摘 要] 數(shù)控車削中，異形螺紋的編程和加工有別于普通螺紋，在沒有成形刀具的情況下，單純使用固定指令手工編程或使用編程軟件自動(dòng)編程都很難完成，而運(yùn)用數(shù)學(xué)思想，建立數(shù)學(xué)模型，編寫具有邏輯運(yùn)算功能的宏程序，使用常規(guī)刀具也能夠車削異形螺紋，這也是當(dāng)前數(shù)控車削教學(xué)中的難點(diǎn)。通過具體試驗(yàn)，可以找到車削凹圓弧異形螺紋幾種較為實(shí)用的編程方法，對(duì)數(shù)控教學(xué)及技能比賽有一定的幫助。

[關(guān) 鍵 詞] 數(shù)控；宏程序；車削；凹圓弧；異形螺紋

[中圖分類號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）09-0117-03

一、引言

近年來，隨著我國(guó)對(duì)制造業(yè)發(fā)展的重視，數(shù)控加工作為先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，逐漸被人們所熟知。許多高職和中職院校相繼開設(shè)了數(shù)控專業(yè)，為使用數(shù)控設(shè)備的企業(yè)培養(yǎng)數(shù)控人才，數(shù)控技能比賽也在全國(guó)各省市陸續(xù)舉辦?？v觀近幾年教育系統(tǒng)和人社系統(tǒng)舉辦的數(shù)控車工技能比賽，異形螺紋的車削，被作為難點(diǎn)項(xiàng)目考查參賽人員的編程和加工水平。

所謂異形螺紋是指螺紋的牙型和尺寸與普通螺紋不同的螺紋，而異形螺紋的編程和加工也有別于常見螺紋（如三角螺紋和梯形螺紋）的編程和加工。三角螺紋和梯形螺紋的加工方法通常是采用機(jī)夾成形螺紋刀，對(duì)螺紋進(jìn)行直進(jìn)法或斜進(jìn)法加工，在FANUC數(shù)控系統(tǒng)下，手工編程指令一般使用單行程螺紋切削指令G32、螺紋切削單一循環(huán)指令G92、螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令G76。另外也可以使用數(shù)控車編程軟件將螺紋的大徑和小徑畫出，通過設(shè)置軟件中的加工參數(shù)，自動(dòng)生成螺紋加工程序，再將程序傳輸?shù)綌?shù)控車床中。相對(duì)于常見螺紋固定的編程指令和簡(jiǎn)單的加工方式而言，異形螺紋的編程和加工較為復(fù)雜。無論使用哪種編程指令和編程方式，只有刀具的形狀符合螺紋的牙型，才能加工出合格的螺紋。異形螺紋作為考查難點(diǎn)，比賽題目會(huì)盡量避免參賽選手賽前準(zhǔn)備成形刀具，編程時(shí)采用固定指令直進(jìn)法車削，而使用數(shù)控車編程軟件也很難自動(dòng)生成異形螺紋的加工程序，因此很多選手會(huì)感到束手無策，無從下手。本文依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合實(shí)物，以凹圓弧異形螺紋為例，根據(jù)圖紙建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用高等數(shù)學(xué)中微積分的思想，使用常規(guī)刀具，在FANUC Series 0i Mate—TC數(shù)控系統(tǒng)下，采用宏程序的變量編程、邏輯運(yùn)算和條件轉(zhuǎn)移，套用固定指令的方法，從多個(gè)角度編寫凹圓弧異形螺紋的加工程序。

二、試驗(yàn)設(shè)備、工量刃具和材料

試驗(yàn)使用的設(shè)備是沈陽(yáng)第一機(jī)床廠生產(chǎn)的CAK4085di數(shù)控車床，配置的是FANUC Series 0i Mate—TC系統(tǒng)。工量刃具有：主偏角93°刀尖角35°的右偏外圓刀、主偏角72.5°刀尖角35°的中置外圓刀、游標(biāo)卡尺、千分尺、卡盤扳手、刀架扳手、加力桿等。試驗(yàn)材料是45#圓鋼，直徑50mm。

三、分層車削法加工凹圓弧螺紋

（一）加工圖紙

如圖1所示，零件的主要尺寸為：圓弧螺紋外徑40，長(zhǎng)度40，圓弧半徑R2，牙深1，螺距P=6。

（二）構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

零件的外圓可以用右偏外圓刀車削，包括螺紋的外徑部分，可以直接控制到40，圓弧螺紋可以使用中置外圓刀車削，單獨(dú)取出一個(gè)螺紋牙進(jìn)行分析，如圖2所示。要完成車削，只需使用刀尖將螺紋牙中的材料去除即可，也就是讓刀尖的軌跡布滿螺紋牙中的空隙，利用高等數(shù)學(xué)中微積分的思想，將空隙分為若干層，刀具在每層所占的點(diǎn)位連成一條直線，相鄰兩層之間的距離足夠小，這樣刀尖所占的所有點(diǎn)即是空隙中的材料。宏觀上再結(jié)合固定指令G92進(jìn)行車削，即可完成凹圓弧螺紋的加工。

刀尖所在深度不同，每層左右兩端的極限位置也就不同，可以構(gòu)造直角三角形，利用三角函數(shù)算出極限位置的坐標(biāo)。

（三）編寫螺紋程序

O3；（程序名）

G00 G40 G97 G99；（程序初始化）

M03 S400 T0303；（確認(rèn)主軸轉(zhuǎn)速和刀位）

G00 X45.0 Z10.0；（定位循環(huán)起始點(diǎn)）

#1=1.0；（根據(jù)圖紙定義螺紋單邊牙深變量初始值）

N1 #1=#1-0.1；（每次分層切深0.1，即前面所說的相鄰兩層之間的距離）

#2=SQRT[2.0*2.0-[2.0-#1]*[2.0-#1]]；（根據(jù)構(gòu)造的直角三角形，利用勾股定理計(jì)算出每層Z方向開始切削的極限位置）

#3=#2；（定義每層從極限位置開始切削）

N3 #3=#3-0.1；（每次Z方向進(jìn)刀0.1，即同一層刀尖軌跡相鄰兩點(diǎn)之間的距離）

G00 X45.0 Z[#3+10.0]；（根據(jù)變量定位每一刀的切削循環(huán)起始點(diǎn)）

G92 X[38.0+2.0*#1] Z-40.0 F6.0；（螺紋底徑38，根據(jù)牙深變量計(jì)算每層X方向直徑值，利用G92循環(huán)指令車削螺紋）

IF [#3 GT -#2] GOTO 3；（建立邏輯判斷語句，完成一層的循環(huán)車削）

IF [#1 GT 0.1] GOTO 1；（建立邏輯判斷語句，完成所有層的循環(huán)車削）

G00 X100.0 Z100.0；（返回?fù)Q刀點(diǎn)）

M30；（程序結(jié)束）

注：最后一層放棄不車，不能將程序?qū)懗蒊F [#1 GT 0] GOTO 1；如果車，機(jī)床會(huì)報(bào)警“引數(shù)指定錯(cuò)誤”，原因是#2與#3的邏輯關(guān)系會(huì)計(jì)算錯(cuò)誤，當(dāng)車削到最后一層時(shí)，根據(jù)勾股定理計(jì)算出#2=0，此時(shí)#3是不能存在于#2和-#2之間的，即當(dāng)#2=0時(shí)，不能滿足-#2<#3<#2。

四、極坐標(biāo)仿形車削法加工凹圓弧螺紋

（一）加工圖紙

圖紙同圖1加工圖紙

（二）構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

零件的整體加工思路與圖2大致相同，同樣用到高等數(shù)學(xué)中微積分的思想，都是讓刀尖的軌跡布滿螺紋牙中的空隙，只是在去除螺紋牙中的材料時(shí)，刀尖的軌跡組成的線路與圖2有所不同。圖2的是分層直線，而此方法是根據(jù)圓弧的形狀組成仿形線路，如圖所示。

刀尖在圓弧上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過在極坐標(biāo)下構(gòu)造直角三角形，利用三角函數(shù)表示。以最后車削的圓弧軌跡為例，以圓弧圓心為極坐標(biāo)系原點(diǎn)，車削起始點(diǎn)的坐標(biāo)可以用∠α表示，即起始角，終止點(diǎn)的坐標(biāo)用∠β表示，即終止角（為編程方便∠α和∠β都是負(fù)值），也就是說刀尖軌跡組成的圓弧是從∠α到∠β，起始角和終止角之間的任意角可以用三角函數(shù)代入變量表示，而其他軌跡圓弧上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)可以在此基礎(chǔ)上加一個(gè)深度變量即可表示。

（三）編寫螺紋程序

O4；（程序名）

G00 G40 G97 G99；（程序初始化）

M03 S400 T0303；（確認(rèn)主軸轉(zhuǎn)速和刀位）

G00 X45.0 Z10.0；（定位循環(huán)起始點(diǎn)）

#1=1.0；（根據(jù)圖紙定義螺紋單邊牙深變量初始值）

N1 #1=#1-0.2；（每次仿形進(jìn)刀0.2，即相鄰兩條圓弧線之間的距離）

#2=-ASIN[1/2] ；（圓弧起點(diǎn)相對(duì)圓弧圓心的初始角，用負(fù)值表示，即圖中的∠α）

N2 #2=#2-1.0；（極坐標(biāo)下每次角度變化量1°）

G00 X45.0 Z[2.0*COS[#2]+10.0]；（根據(jù)角度和圓弧半徑，計(jì)算定位每一刀Z方向的切削循環(huán)起始點(diǎn)）

G92 X[42.0-2.0*ABS[2.0*SIN[#2]]+2.0*#1] Z-40.0 F6.0；（圓弧圓心位置42，根據(jù)角度、圓弧半徑和牙深變量計(jì)算每條仿形軌跡X方向直徑值，利用G92循環(huán)指令車削螺紋）

IF [#2 GT [ASIN[1/2]-180.0]]GOTO 2；（建立邏輯判斷語句，完成一條仿形軌跡的循環(huán)車削，用反三角函數(shù)表示圓弧終點(diǎn)相對(duì)圓弧圓心的終止角，即∠β）

IF[#1 GT 0]GOTO 1；（建立邏輯判斷語句，完成所有仿形軌跡的循環(huán)車削）

G00 X100.0 Z100.0；（返回?fù)Q刀點(diǎn)）

M30；（程序結(jié)束）

注：因?yàn)榻嵌茸兞渴窃谪?fù)值范圍內(nèi)變化，而所有的長(zhǎng)度都是正值，所以根據(jù)角度利用三角函數(shù)計(jì)算出的長(zhǎng)度，如果是負(fù)值，之前應(yīng)該加絕對(duì)值符號(hào)“ABS”，如程序中的G92一段指令。

五、直角坐標(biāo)仿形車削法加工凹圓弧螺紋

（一）加工圖紙

圖紙同圖1加工圖紙

（二）構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

零件的整體加工思路與圖3相同，唯一不同的是刀尖軌跡組成的仿形線路不再用極坐標(biāo)下的角度變量表示，而用直角坐標(biāo)下的長(zhǎng)度變量表示，計(jì)算方法不再用三角函數(shù)，而用勾股定理，如圖所示。

以最后車削的圓弧軌跡為例，以圓弧圓心為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，構(gòu)造直角三角形，車削起始點(diǎn)的坐標(biāo)可以用SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]表示，終止點(diǎn)的坐標(biāo)用-SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]表示，起始點(diǎn)和終止點(diǎn)之間的任意一點(diǎn)的坐標(biāo)可以利用勾股定理代入變量表示，其他軌跡圓弧上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)可以在此基礎(chǔ)上加一個(gè)深度變量即可表示。

（三）編寫螺紋程序

O5；（程序名）

G00 G40 G97 G99；（程序初始化）

M03 S400 T0303；（確認(rèn)主軸轉(zhuǎn)速和刀位）

G00 X45.0 Z10.0；（定位循環(huán)起始點(diǎn)）

#1=1.0；（根據(jù)圖紙定義螺紋單邊牙深變量初始值）

N1 #1=#1-0.2；（每次仿形進(jìn)刀0.2，即相鄰兩條圓弧線之間的距離）

#2=SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]；（車削起始點(diǎn)Z方向初始值）

N2 #2=#2-0.1；（直角坐標(biāo)下每次Z方向長(zhǎng)度變化量0.1）

#3=SQRT[2.0*2.0-#2*#2]；（代入變量，利用勾股定理表示任意一點(diǎn)X方向的長(zhǎng)度）

G00 X45.0 Z[#2+10.0]；（根據(jù)變量定位每一刀的切削循環(huán)起始點(diǎn)）

G92 X[42.0-2.0*#3+2.0*#1]Z-40.0 F6.0；（圓弧圓心位置42，根據(jù)牙深變量計(jì)算每條仿形軌跡X方向直徑值，利用G92循環(huán)指令車削螺紋）

IF [#2 GT -SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]]GOTO 2；（建立邏輯判斷語句，完成一條仿形軌跡的循環(huán)車削，利用勾股定理表示終止點(diǎn)Z方向坐標(biāo)）

IF [#1 GT 0]GOTO 1；（建立邏輯判斷語句，完成所有仿形軌跡的循環(huán)車削）

G00 X100.0 Z100.0；（返回?fù)Q刀點(diǎn)）

M30；（程序結(jié)束）

六、結(jié)束語

本文探索出三種車削凹圓弧異形螺紋的宏程序編程方法，在4.3和5.3的程序中的深度變量也可在操作機(jī)床時(shí)，通過改變刀補(bǔ)來替代，分層車削的變化量一定要能整除牙深量。在實(shí)際加工時(shí)，可根據(jù)機(jī)床性能、刀具強(qiáng)度、工件剛性等適當(dāng)調(diào)整切削參數(shù)，以減少空行程，提高切削效率。利用宏程序車削異形螺紋，是通過點(diǎn)的密集構(gòu)成螺紋的輪廓線，此方法車削的螺紋表面粗糙度較差，如何提高表面質(zhì)量，還有待于今后進(jìn)一步試驗(yàn)和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈春根，徐曉翔，劉義.數(shù)控車宏程序編程實(shí)例精講[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]張運(yùn)強(qiáng)，穆瑞.FANUC數(shù)控系統(tǒng)宏程序編程方法、技巧與實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.