圓弧面蝸桿數(shù)控車削加工的宏程序?qū)崿F(xiàn)

歐陽德祥 詹華西

（武漢職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢430073）

圓弧面蝸桿也稱球面蝸桿，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、工作壽命長等優(yōu)點，其傳動效率可以達到0.85～0.95，承載能力約比普通蝸輪副提高3～4倍，適用于冶金、礦山、起重、運輸、石油、化工和建筑等行業(yè)機械設備的減速傳動。但圓弧面蝸桿的加工通常需要專用機床，或?qū)σ话銠C床進行改造后方可進行加工，因此，往往因生產(chǎn)成本高而制約了其應用。本文利用HNC系統(tǒng)數(shù)控車床的宏程序功能對圓弧面蝸桿中的直廓環(huán)面蝸桿進行了加工實踐的嘗試，為圓弧面蝸桿加工的實現(xiàn)提供了一種新的思路。

1 圓弧面蝸桿的結(jié)構(gòu)及其加工機制

如圖1所示直廓環(huán)面蝸桿是圓弧面蝸桿常見形式之一，其節(jié)面為環(huán)面，齒廓形狀為一直線，直線的延長線切于直徑為d的形成圓。環(huán)面蝸桿的加工通常在專用機床上進行。圖1所示專機加工的實現(xiàn)方式是采用左右兩把切刀，無論粗切還是精切，其圓周進給分兩次進行，第一次用一把切刀，在某一圓周進給方向加工蝸桿螺旋槽的一個側(cè)面，然后再換另一把切刀并采用相反方向的圓周進給加工蝸桿螺旋槽的另一個側(cè)面，其調(diào)整控制通過分度交換齒輪和速度交換齒輪實現(xiàn)。采用專用機床加工弧面蝸桿時通常要對工件旋轉(zhuǎn)運動和刀具旋轉(zhuǎn)運動按一定的運動配合關(guān)系進行控制，這就需要較復雜的機構(gòu)來實現(xiàn)。

2 圓弧面蝸桿數(shù)控車削的宏編程控制

（1）小線段螺紋車削的實現(xiàn)機制

現(xiàn)代數(shù)控車床一般都具有實時檢測主軸轉(zhuǎn)速的功能，車螺紋時可由數(shù)控系統(tǒng)按螺距比自動控制和調(diào)整刀架拖板的進給速度，再加上方便實用的宏程序功能，利用一定的算法即可實現(xiàn)螺距及切削軌跡的各種變化控制。因此，其能夠車制的螺紋范圍寬且適應性強，采用規(guī)范格式的程序指令即可車削柱面螺紋、蝸桿以及變螺距螺紋。對于圓弧面蝸桿而言，雖然無法直接用螺紋切削指令功能實施車削加工，但基于上述環(huán)面蝸桿的結(jié)構(gòu)特征，其直線齒廓的形成具有一定的規(guī)律性，可利用數(shù)控車床的宏程序擴展的功能，配合小線段螺紋車削的控制方法來實現(xiàn)。

在HNC系統(tǒng)的數(shù)控車床中，使用G32指令可實現(xiàn)任意直線段的螺紋車削控制，如果利用宏程序功能，將圓弧段以參數(shù)方程的形式構(gòu)建為數(shù)學模型，將其轉(zhuǎn)化為一個個的小線段，然后對小線段用G32指令實施螺紋切削，通過限定范圍的循環(huán)控制即可實現(xiàn)以圓弧段為母線的螺紋車削，這就是我們對弧面蝸桿采用小線段螺紋車削的實現(xiàn)機制。對直廓環(huán)面蝸桿的直線齒廓上任一點均可按這一機制實現(xiàn)弧線螺紋的加工控制，因此，只要沿輪廓線方向作深度分層，以循環(huán)嵌套宏程序控制形式，即可完成整個齒型的粗精加工。

（2）圓弧車刀預切加工的宏程序編制

某圓弧面蝸桿段數(shù)據(jù)如圖2所示，可在先車出兩側(cè)階臺及R65 mm的外圓弧輪廓表面后，再用圓弧車刀以齒型中線為深度分層進刀的參考線，按上述小線段螺紋車削的實現(xiàn)機制進行預切。以下是使用HNC－21T系統(tǒng)時編寫的預切程序。

加工時，圓弧車刀以圓弧中心為刀位點對刀，其最終切深按兩側(cè)齒廓線以刀尖圓弧半徑倒圓后的圓心位置來確定，圓弧段螺紋車制的起始和終止角度可按超出有效毛坯外的第一個齒槽位置求算。采用圓弧車刀預切結(jié)束的同時也完成了齒底的加工，僅剩兩側(cè)齒廓余留量如圖2中陰影部分所示。

（3）齒廓修形的加工控制

左右側(cè)齒廓的修形加工可分別使用左右切刀以對應的齒廓線為深度分層進刀的參考線，在計算出起始走刀位置后，再按上述小線段螺紋車削的實現(xiàn)機制進行切削加工。如圖3所示為用右切刀對右側(cè)齒廓實施車削控制的示意圖，以齒頂所在弧面弦線與中線交點處的圓弧半徑R64.9 mm為半徑遞增的起始值，參照預切加工宏程序算法，以變量#6為半徑遞增量，按相似比例關(guān)系即可計算出與#6變化半徑處齒廓到齒形中線的偏置距離bn（變量#8），則弧線上偏轉(zhuǎn)角為α處可通過 Δz=bn×cosα，Δx=bn×sinα 將原齒形中線的進刀點換算到右齒廓上，即更改預切程序中G32的數(shù)據(jù)算法為 G32X［#4+2*#5*SIN［#1］+2*#8*SIN［#1+0.5*PI］］Z［#3+#5*COS［#1］+#8*COS［#1+0.5*PI］］F［#10］，并按此算法設定起始位置。

圖4為用左切刀對左側(cè)齒廓實施車削控制的示意圖，其算法處理只需更改螺紋車削段為G32X［#4+2*#5*SIN［#1］+2*#8*SIN［#1 －0.5*PI］］Z［#3+#5*COS［#1］+#8*COS［#1 －0.5*PI］］F［#10］，并按此算法設定起始位置。

3 圓弧面蝸桿數(shù)控車削實現(xiàn)方式的應用限制

通過對圓弧面蝸桿采用上述實現(xiàn)方法進行數(shù)控車削加工的實踐，我們發(fā)現(xiàn)，雖然由于刀架不能像專用機床那樣使刀具沿弧面擺轉(zhuǎn)，但采用直進直出的切削方式，配合宏程序作弧面軌跡的運動控制，實現(xiàn)弧面蝸桿的加工還是可行的。但正是因為刀架無法隨動擺轉(zhuǎn)，考慮到刀具可能的干涉問題，其可加工的應用范圍還是受到一定的限制。

（1）由于刀具采用直進直出的運動，弧面蝸桿有效齒廓線的兩側(cè)不允許有倒卷，否則會產(chǎn)生刀具干涉，即弧面蝸桿的弧面半徑和有效區(qū)段的弧心角應受到一定的限制。

（2）由于數(shù)控車實現(xiàn)方式中蝸桿直線齒廓面是通過逐點分層漸進的形式車削形成的，無法像專用機床刀架擺轉(zhuǎn)方式那樣依靠增大刀具的有效切刃面積而獲得較高的表面質(zhì)量，要想得到相對順滑的齒廓線必須加大分層遞進的密度，因此，其加工效率尚存在一定的差異，要想獲得加工效率和表面質(zhì)量的平衡，在算法、刀具結(jié)構(gòu)及工藝控制等方面尚需進一步探索。

（3）本文所給出的圓弧面蝸桿數(shù)控車削加工案例是在HNC－21T上調(diào)試通過的，由于受數(shù)控系統(tǒng)在宏程序及螺紋車削指令綜合應用方面的限制，有些數(shù)控系統(tǒng)還不能接受螺距變量控制的格式規(guī)范，且由于在螺紋車削時尚有某進給軸超速設置等種種限制，使得大螺距蝸桿的車削無法進行實踐驗證。

4 結(jié)語

利用數(shù)控車床的宏程序功能，將蝸桿圓弧母線直線化，然后以小線段的方式實施螺紋車削，能有效實現(xiàn)圓弧面蝸桿的加工。盡管以上切削加工的嘗試僅限于直線齒廓蝸桿，但從實現(xiàn)機制來看，只需要構(gòu)建出由齒形中線到齒廓間的換算關(guān)系，無論齒廓為何種曲線形式，均可方便地由宏程序?qū)崿F(xiàn)各齒面的修形加工。一旦算法確定，對不同規(guī)格大小的系列化蝸桿而言，不需對機床進行調(diào)整，僅簡單地修改部分程序變量的設置即可開始實施切削加工。對于小批量多品種弧面蝸桿的加工來說，使用宏程序控制的數(shù)控車削加工將是一種方便易行的好方法。

［1］張躍靈.專用車床加工圓弧面蝸桿［J］.機械工藝師，1996（1）.

［2］任連起.球面蝸桿的車削裝置［J］.裝備機械，1987（2）.

［3］崔保衛(wèi)，么志利.用宏程序車削異形螺紋［J］.科技信息，2011（3）.