陳移新，鄧集華

（1.廣州市機(jī)電技師學(xué)院，廣州 510000；2.廣州市交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校，廣州 510440）

0 引言

種植牙手術(shù)是一個(gè)較小的牙槽外科手術(shù)，采用局部麻醉，創(chuàng)傷小，術(shù)后即可進(jìn)食，幾乎無(wú)痛苦。一般種植體植入術(shù)只需要幾十分鐘至數(shù)小時(shí)即可以完成。典型的種植系統(tǒng)為陶瓷階梯柱狀種植體，如圖1 所示。其階梯狀外形模仿了天然牙根的錐狀外形，由于其根部逐漸縮窄，不易造成鄰近牙根部的損傷，因此在當(dāng)今國(guó)際上倍受推崇。本文從鉆研加工技術(shù)的角度出發(fā)，以10∶1的種植體模型為例，探索種植體外形的階梯柱狀螺紋的數(shù)控車(chē)削加工方案。

圖1 典型種植體

1 分析零件圖樣

本文僅研究種植體外形結(jié)構(gòu)的螺紋加工技術(shù)，即階梯柱狀螺紋的加工，螺紋實(shí)體如圖1 所示。經(jīng)處理后的零件圖樣如圖2所示，該種植體有以下3段螺紋。

（1）母線夾角為16°的60°三角螺紋，螺距為6 mm，右旋，螺紋深度為3.3 mm。

（2）母線夾角為4.24°的60°三角螺紋，螺距為6 mm，右旋，螺紋深度為3.3 mm。

（3）母線夾角為4.24°的60°三角螺紋，螺距為6 mm，右旋，螺紋深度為1.7 mm。

圖2 種植體階梯螺紋圖樣

2 優(yōu)化加工方案

2.1 加工難點(diǎn)

經(jīng)分析，種植體的階梯螺紋加工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在3 段螺紋的連接與加工刀具的問(wèn)題。

（1）螺紋進(jìn)刀、退刀距離導(dǎo)致螺紋連接處亂絲

利用數(shù)控車(chē)床加工螺紋時(shí)，在螺紋切削開(kāi)始及結(jié)束部分，一般由于升降速的原因，會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)程不正確部分［1］?？紤]此因素影響，程序指令中，螺紋的切削長(zhǎng)度比實(shí)際螺紋的有效長(zhǎng)度要長(zhǎng)。一般需要分別在螺紋起點(diǎn)、終點(diǎn)位置各延長(zhǎng)一段進(jìn)刀、退刀的安全距離，以消除加工時(shí)由主軸升速、降速所導(dǎo)致的誤差，如圖3所示。其中δ1為升速距離，δ2為降速距離，兩數(shù)值一般大于一個(gè)螺距值［1］。

圖3 G32 螺紋切削軌跡圖

本文所加工的3段階梯螺紋首尾相連，除了第一段螺紋可以延長(zhǎng)進(jìn)刀距離外，其他兩段螺紋都沒(méi)有條件設(shè)置進(jìn)刀距離，所有螺紋都沒(méi)有條件設(shè)置退刀距離，否則會(huì)造成每?jī)啥温菁y的連接處亂絲。

（2）分段加工螺紋導(dǎo)致螺紋連接處亂絲

數(shù)控車(chē)床在加工螺紋時(shí)，根據(jù)刀具運(yùn)動(dòng)與主軸旋轉(zhuǎn)同步，可以切螺紋。其原理是主軸每旋轉(zhuǎn)一圈刀具進(jìn)給一個(gè)螺距，即切削進(jìn)給量為螺距，該值由機(jī)床的編碼器控制保證［2］。主軸轉(zhuǎn)動(dòng)而刀具不產(chǎn)生相應(yīng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致最后一道牙形亂絲。所以，當(dāng)加工完成前一段螺紋后，再加工下一段螺紋的方法，即分段加工方法，3 段螺紋的連接處會(huì)形成亂絲現(xiàn)象。

（3）螺紋深度變化導(dǎo)致連接處亂絲

如圖2 局部放大圖Ⅱ、Ⅰ所示，第二段螺紋的牙深為3.3 mm，第三段螺紋的牙深變?yōu)?.7。要實(shí)現(xiàn)牙深的改變，必須使刀具在螺紋深度方向退刀［3］。常規(guī)的退刀采用G00指令完成，會(huì)造成第二段螺紋與第三道螺紋連接處亂絲，如圖4所示。

（4）刀具選用問(wèn)題

三段螺紋均為60°普通螺紋，螺紋最大加工深度為3.3 mm，螺距為6 mm，且螺紋槽底有R1圓弧，市面沒(méi)有符合要求的成形螺紋刀具。

2.2 解決方案

針對(duì)上述兩處加工難點(diǎn)，提出以下解決方案。

（1）加工螺紋時(shí)，選用G32 單行程螺紋切削指令，由程序內(nèi)容嚴(yán)格控制螺紋的進(jìn)刀與退刀距離。

G32指令的格式：G32 X （U）_Z（W）_F_。

式中：X、Z為螺紋切削終點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值；U、W 為螺紋切削終點(diǎn)的增量坐標(biāo)值；F 為螺紋切削的導(dǎo)程，如加工螺紋是單線螺紋，導(dǎo)程＝螺距［4］。

圖4 螺紋亂絲

G32 指令的走刀軌跡：如圖3 所示，G32 切削前需要利用其他指令使刀尖定位至起點(diǎn)；G32 切削完成后，需要利用其他指令使刀尖離開(kāi)終點(diǎn)［1］。

G32指令的切削特性：當(dāng)前執(zhí)行程序段是螺紋切削，下一個(gè)程序段也為螺紋切削時(shí)，執(zhí)行下一個(gè)程序段切削開(kāi)始時(shí)，不檢測(cè)一轉(zhuǎn)信號(hào)，直接開(kāi)始螺紋切削的移動(dòng)［4］。

例如：G32 X28 Z-20 F6；（當(dāng)前程序段為螺紋切削）。

G32 X42 Z-50 F6；（在執(zhí)行此程序段時(shí)，不檢測(cè)一轉(zhuǎn)信號(hào)）。

利用G32指令的切削特性，編寫(xiě)階梯柱狀螺紋時(shí)，第一階螺紋的起點(diǎn)設(shè)置進(jìn)刀距離，其他兩階螺紋均不設(shè)置進(jìn)刀距離與退刀距離。利用G32指令連續(xù)加工，可以規(guī)避G32 運(yùn)行前的檢測(cè)一轉(zhuǎn)信號(hào)動(dòng)作，從而避免亂絲現(xiàn)象［5］。

（2）采取3段螺紋整體分層切削方案。即深度方向每進(jìn)1次刀，3段螺紋依次連續(xù)加工1 次，然后再進(jìn)刀，3 段螺紋再次連續(xù)加工，連接處不停頓，直至3 段螺紋整體分層加工至尺寸要求。分層切削可采用子程序的編程方法，也可采用宏程序的編程方法。子程序編程簡(jiǎn)單易學(xué)，但切削深度必須根據(jù)子程序的調(diào)用次數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確，精加工時(shí)空刀太多，加工效率不高；宏程序編程要求較高，切削深度用變量直接指定，精加工時(shí)只需更改相應(yīng)變量，無(wú)空刀現(xiàn)象。故本文選擇宏程序編程方法［6］。

（3）設(shè)置過(guò)渡螺紋

在第二段螺紋與第三段螺紋之間，設(shè)置一段牙型角為60°的過(guò)渡三角螺紋，螺距為6 mm，右旋，過(guò)渡長(zhǎng)度為7.5 mm，螺紋深度從3.3 mm變?yōu)?.7 mm。該過(guò)渡螺紋的終點(diǎn)與起點(diǎn)的半徑差值應(yīng)該是在原來(lái)4.24°螺紋母線變化的基礎(chǔ)上，增加3.3-1.7 ＝1.6 mm，如圖5 所示。圖中：CD 為4.24°螺紋母線，則α ＝ 2.12°；CD′為螺紋深度從3.3 mm 變?yōu)?.7 mm 時(shí)過(guò)渡螺紋的母線，即編程時(shí)刀具的實(shí)際走刀軌跡，點(diǎn)D′相對(duì)于點(diǎn)C 的半徑差值為線段CN與DD′之和。

因?yàn)镃N ＝ DN × tanα ＝ 7.5 × tan2.12° ＝ 0.28，所以點(diǎn)CD′的半徑差值為CN + DD′＝0.28 + 1.6 ＝1.88。從點(diǎn)C切削螺絲至點(diǎn)D′的程序?yàn)镚32 U3.76 W-7.5 F6（此處U 值為直徑值）。利用G32 單行程螺紋切削指令過(guò)渡，從而解決螺紋深度變化而導(dǎo)致的亂絲。

（4）定制螺紋成形刀具

根據(jù)螺紋參數(shù)的要求，必須定制螺紋成形刀具。由于3段螺紋為整體分層切削，導(dǎo)致加工第三段螺紋時(shí)不能更換刀具，故3段螺紋加工選用同一把成形刀具。

定制刀具采用切削刃鋒利的整體式高速鋼（W6Mo5Cr4V2）材質(zhì)，利用線切割機(jī)床切割刀具形狀，然后手工精磨修刃。由于階梯柱狀螺紋的螺距為6 mm，屬大螺距螺紋加工。需要特別注意刀具左后刀面干涉螺紋牙形面的現(xiàn)象，即左后角必須大于螺紋升角3°～5°。刀具的具體參數(shù)如表1 所示［7］。

圖5 過(guò)渡螺紋母線

表1 螺紋刀具參數(shù)表

3 編寫(xiě)加工程序

圖6 節(jié)點(diǎn)尺寸

種植體模型的4段螺紋母線輪廓及各節(jié)點(diǎn)尺寸如圖6 所示。點(diǎn)S為螺紋加工起點(diǎn)，即AB母線的延長(zhǎng)點(diǎn)；AB 段為第一段螺紋；BC段為第二段螺紋；CD段為過(guò)渡螺紋；DE段為第三段螺紋。

設(shè)工件坐標(biāo)系XOZ如圖6 所示。螺紋加工程序及說(shuō)明如表2所示。

表2 種植體階梯螺紋的加工程序

4 結(jié)束語(yǔ)

本文是基于深入剖析階梯柱狀螺紋的結(jié)構(gòu)特征、充分熟悉數(shù)控系統(tǒng)性能特點(diǎn)，從研究加工技術(shù)層面進(jìn)行深入實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。文中采用的大螺距螺紋切削進(jìn)刀方法為直進(jìn)法，由于采用宏程序編程的方法，每次進(jìn)刀深度為0.05 mm，加工時(shí)的切削力較小，刀具強(qiáng)度完全能夠承受，故直進(jìn)刀法適用。如果要提升加工效率，可增大螺紋加工的每次進(jìn)刀深度，但切削力就會(huì)成指數(shù)倍增加，此時(shí)就要相應(yīng)地改變螺紋進(jìn)刀方法，采用斜進(jìn)法、分層進(jìn)刀法［8］等，以減少切削力，保證安全生產(chǎn)。實(shí)踐證明，利用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床980TDc 數(shù)控系統(tǒng)，完全能夠加工出符合質(zhì)量要求的種植體模型的階梯柱狀螺紋，方法科學(xué)有效。