基于MasterCAM的等牙頂寬變螺距螺桿的數控四軸銑削加工

孔杰，覃嶺，高文博，揭曉

(1.貴州電子信息職業技術學院，貴州凱里556000;2.順德職業技術學院，廣東順德528333;3.臺州科技職業學院，浙江臺州318020)

變螺距螺桿廣泛應用在塑料、橡膠、造紙、飲料灌裝、航空機械、船舶工業等領域[1]。所以，此類螺桿的加工也日益成為工程技術人員需要考慮的問題。

變螺距螺桿的加工方法較多，目前主要有如下幾種:(1)仿形銑削加工法[2]，這種方法是銑刀在繞自身軸線旋轉的同時，工件一方面作旋轉運動，另一方面作不等速的軸向移動，刀具在工件上加工出變螺距螺旋槽;(2)刀具變速移動加工法[3]，這種方法采用普通車床加工，在工件作勻速旋轉的同時，刀具根據螺桿螺旋線變化的規律沿工件軸向作進給運動;(3)數控車削加工[4]，是用數控加工程序控制刀具運動軌跡，得到要求的變螺距螺桿;(4)數控銑床加工法[5]，特別是四軸聯動數控銑床加工，由于可以降低夾具、刀具成本，同時提高產品加工精度，因此應用越來越多，已逐步成為企業加工變螺距螺桿的主要方法。

1 等牙頂寬變螺距螺桿結構分析

這里以圖1所示等牙頂寬變螺距螺桿進行螺桿的結構分析。

圖1 等牙頂寬變螺距螺桿

該螺桿為右旋變螺距螺桿，螺桿的初始螺距為16 mm，螺桿螺距增量為2 mm，螺旋線為8圈，牙頂寬為3 mm，螺桿螺距的排列符合等差數列規律，即:

式中:Pn為第n圈螺旋線的螺距，單位為mm;

n為螺旋線圈數;

P1為初始螺距，單位為mm;

K為螺距增量，單位為mm。

將已知條件代入式(1)，得到螺桿的最大螺距為:

Pn=16+(8+1)×2=34 mm

螺桿螺旋線上任意點至螺旋線起始點，在螺桿軸線方向上的距離為Sn，Sn符合等差數列前n 項和規律，即:

將已知條件代入式(2)，得到螺桿螺旋部分軸向總長為:

由計算機圖形學及解析幾何學可知，螺桿螺旋部分是由一梯形截面繞螺旋線導動形成，根據圓的參數方程得到螺旋線參數方程為:

2 等牙頂寬變螺距螺桿四軸加工工藝

2.1 數控加工工藝流程分析

采用四軸立式加工中心進行螺桿螺旋槽的銑削加工，通過x軸與A軸的聯動完成銑削螺旋槽的加工任務(即A軸旋轉一周，銑刀x 向走刀一個螺距)，用分層斜進法通過z軸進給進行分層銑削[6]。由于徑向加工余量較大，應采用徑向(即z 向)分層法進行銑削，又因為其最大螺距已達34 mm，為了減小刀具加工時的切削力，保證刀具安全，沿螺桿軸向 (即x向)的切削余量必須分為多次進刀加工。在加工工藝上，把徑向(即z 向)加工余量分為若干層，如圖2所示(圖中的梯形為螺桿中一個牙槽的總余量)，首先在螺旋槽中線上粗加工，再由外至內分層加工，具體層數可由銑刀背吃刀量確定，各層加工沿梯形牙槽左側向下斜進，斜壁錐角為15°。

圖2 分層銑削法圖解

為了保證螺旋槽的加工質量和精度，在加工工藝上分為螺旋槽整體形狀的粗加工、螺旋槽側面的精加工、螺旋槽底部精加工和槽底部清根等幾個工序。

2.2 裝夾方法

在螺桿的加工過程中，為保證工藝系統具有足夠的剛度，在工藝上采用一端用卡爪夾持、另一端用頂尖支撐的方法進行裝夾。

2.3 刀具選擇

根據不同的加工工序，選擇不同的刀具。粗加工螺旋槽整體形狀時，應優先考慮刀具的硬度和耐磨性，通過選擇合理的刀具角度和切削用量來彌補刀具強度和韌性的不足，所示粗加工工序選用刀具材質為硬質合金YT15、直徑為φ8的四刃平底刀進行立銑粗加工;精加工時選擇R3 球刀精加工螺牙兩側，φ6 平刀精加工牙槽底及清根。

2.4 切削用量的選擇

粗加工時，每齒進給量fz=0.02 mm，切削速度vc=50 m/min，切削深度為ap=1 mm。則主軸轉速為:經圓整后為n=2 000 r/min。

進給速度F=fz×z×n=0.02×4×2 650=212 mm/min。

精加工時，可選擇n=3 500 r/min，F=300 mm/min。

2.5 工藝路線

(1)選擇φ8 平底刀進行粗加工，螺牙兩側及底邊留余量0.2 mm。由于牙高H=10 mm，設置切削深度ap=1 mm，因此，徑向分10層進行切削加工。

(2)選擇R3 球刀進行側面精加工，φ6 平底刀精加工底面及清根，如圖3所示，圖中R107與R11均為宏程序中參數而非尺寸。

圖3 精加工示意圖

3 圖形繪制與加工程序編制

3.1 繪制螺旋槽的二維圖

按照圖紙要求，利用MasterCAM軟件的幾何圖形設計工具，繪制等牙頂寬變螺距螺桿的引導螺旋線[7]，如圖4所示。為方便使用四軸數控銑床進行銑削加工，該螺旋線需展開成平面曲線，如圖5所示。

圖4 螺桿螺旋線圖形

圖5 螺旋線的展開曲線

平面曲線C1為0°位置的螺旋線展開線，平面曲線C2為位置角度180°的螺旋線展開線，將平面曲線C1左右偏置1/2 牙頂寬后形成兩條平面曲線，聯接兩曲線形成封閉曲線C3。

3.2 粗加工數控程序的編制

螺桿螺旋槽的粗加工必須除去螺旋槽里的大部分加工余量，避免精加工時加工量過大，影響零件的加工精度、表面質量和加工效率。

數控加工程序采用MasterCAM軟件編制，在加工工藝參數的選項中設置有關參數，其中加工中刀具參數設置如圖6所示。

圖6 刀具參數設置

由于螺旋式漸斜垂直下刀的加工方式能有效減少空刀，提高效率，所以采用螺旋式漸斜進刀方式。其參數設置如圖7所示，產生的刀具路徑如圖8所示。

圖7 漸降斜插參數設置

圖8 螺旋槽中線粗加工刀路

3.3 二次粗加工

對變螺距螺桿螺旋槽中線進行粗加工后，螺旋槽內的加工余量還是比較大而且不均勻，如果接著對螺旋槽進行精加工，將會影響零件的精度和表面質量，因此還需要對螺旋槽進行二次粗加工。

串聯平面曲線C3，對螺旋槽進行二次粗加工，分層加工的參數設置如圖9所示。

圖9 分層加工參數

3.4 精加工

串聯平面曲線C3進行螺旋槽側壁的精加工，刀具選R3 球刀，在z軸進行分層銑削，切削深度設為0.2 mm，φ6 平刀精加工牙槽底及清根，清根最大切削深度設為0.1 mm。

3.5 模擬實體驗證

進行相關的設置后，模擬仿真加工后的效果如圖10所示。

圖10 模擬實體加工效果

4 結束語

使用MasterCAM 編制變螺距螺桿零件的加工程序，采用四軸數控銑床進行加工，與使用手工編程的數控加工相比，大大縮短了加工程序的編寫和輸入時間，降低了手寫加工程序因不便檢測而造成加工損失的風險，因此，提高了編程的效率。應用計算機編程技術，使刀具路徑的密度合理增大，這有利于保證零件的加工精度及表面質量。通過應用后處理生成的加工程序，在四軸數控銑床上加工該零件，順利完成了試切加工，達到了零件圖紙規定的精度和表面質量要求。

【1】孫偉，范成巖.基于變螺距螺桿加工的普通機床改造[J].機床與液壓，2006(1):167－168.

【2】白宇，王平.變螺距螺桿的加工方法[J].現代制造工程，2008(1):24－26.

【3】王永康.變螺距螺桿加工方法[J].食品機械，1987(2):7－8.

【4】劉偉，余英良.大尺寸變螺距絲桿的數控加工[J].農業機械學報，2006，37(5):148－152.

【5】張延.等牙頂寬變螺距螺桿的數控四軸銑削加工[J].金屬加工，2011(2):66－69.

【6】揭曉，覃嶺.大導程、變螺距螺桿的研制[J].機床與液壓，2011，39(24):31－33.

【7】李云龍.MasterCAM9.1數控加工實例精解[M].北京:機械工業出版社，2004.