基于發那科數控系統的變螺距螺紋切削加工

□ 成建峰 □ 趙 猛 □ 姜海朋

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1 研究背景

隨著機械制造技術的不斷發展,許多異形零部件在實際生產中得到了廣泛應用,如在汽車配件、食品機械、注塑工業、輕紡機械等領域廣泛使用的變螺距螺紋[1]。所謂變螺距螺紋,指螺距沿著螺旋線方向逐漸變大或變小的螺紋[2-3]。變螺距螺儀變化形式主要有兩種,槽等寬牙變距如圖1所示,牙等寬槽變距如圖2所示。

▲圖1 槽等寬牙變距螺紋

▲圖2 牙等寬槽變距螺紋

在實際生產中,大型變螺距螺紋多采用三維計算機輔助設計軟件建模,由計算機輔助制造軟件生成程序,最終在多軸數控機床上銑削加工完成[4-5]。對于小型變螺距螺紋,一般使用數控車削的方式加工,如在發那科數控系統中采用等導程螺紋切削指令G32,配合宏程序來編寫數控代碼,最終完成加工[6-9]。筆者以相對復雜的牙等寬槽變距螺紋為例,研究變螺距螺紋的加工原理及宏程序的編程方法。

2 圖紙分析

牙等寬槽變距螺紋圖紙如圖3所示,牙寬為4 mm,起始螺距為8 mm,螺距遞增量為2 mm,螺紋總長度為120 mm。

▲圖3 牙等寬槽變距螺紋圖紙

螺紋左端最寬處的螺距為22 mm,槽寬為18 mm。假設使用寬度為2 mm的切槽刀從右向左依次切削螺紋,每次偏移量為1 mm,則需要17次車削才能完成加工。但是,切槽刀每次偏移量1 mm對應車削螺距為22 mm處,其它處的螺距并非22 mm,若不同槽寬內的切削次數均為17次,則每個槽寬內的刀具偏移量就應該是不同值,嚴格而言,在每個位置刀具都需要偏移不同的偏移量。

3 曲線方程建模

設整根螺紋切削次數為17次,圖3所示牙等寬槽變距螺紋可以看作由17條變螺距螺紋路徑組成的曲線方程。第一條切削路徑,偏移量為零,如圖4所示,刀具定位在工件外部,起始螺距為6 mm,刀寬為2 mm,定位點Z向坐標為零。根據圖4可以繪制出第一條切削路徑刀具Z向位移S與螺紋圈數N的變化曲線,如圖5所示。由圖5可知,變螺距螺紋的刀具Z向位移S與螺紋圈數N呈現二次變化曲線關系,方程為:

▲圖4 第一條切削路徑刀具位置

▲圖5 第一條切削路徑S-N變化曲線

S=aN2+bN+c

(1)

將圖5中的任意三組數值代入式(1),求解得a為1,b為5,c為0。

第二條切削路徑中,在切削第一圈時,刀具位移比第一條切削路徑切削第一圈時多2/16 mm,切削第二圈時刀具位移比第一條切削路徑切削第二圈時多4/16 mm,以后各圈依次類推,分別為6/16 mm、8/16 mm、…、16/16 mm。第二條切削路徑刀具Z向位移S與螺紋圈數N的變化曲線如圖6所示。

▲圖6 第二條切削路徑S-N變化曲線

將圖6中的任意三組數值代入式(1),求解得a為1,b為5+2/16,c為0。

第三條切削路徑中,在切削第一圈時,刀具位移比第二條切削路徑切削第一圈時多2/16 mm,切削第二圈時刀具位移比第二條切削路徑切削第二圈時多4/16 mm,以后各圈依次類推,分別為6/16 mm、8/16 mm、…、16/16 mm。第三條切削路徑刀具Z向位移S與螺紋圈數N的變化曲線如圖7所示。

▲圖7 第三條切削路徑S-N變化曲線

將圖7中的任意三組數值代入式(1),求解得a為1,b為5+4/16,c為0。

根據上述三組數值,可以得出一個規律,在第Q次切削路徑中,同時滿足a為1,b為5+2(Q-1)/16,c為0。

代入式(1),得到每條切削路徑對應的二次曲線方程為:

S=N2+[5+2(Q-1)/16]N

(2)

將式(2)變形為一元二次方程,得:

N2+[5+2(Q-1)/16]N-S=0

(3)

恒螺距螺紋刀具Z向位移S、螺紋圈數N、螺距F間的關系為:

S=FN

(4)

由式(4)可知,若要確定編程時某一點的螺距F,需要求解S-N曲線在該點的斜率,也就是該點的導數值。

對式(2)求導,得:

S′(F)=2N+[5+2(Q-1)/16]

(5)

在最終編程時,需要知道螺距F和刀具Z向位移S的關系,所以還要求出螺紋圈數N與刀具Z向位移S的關系。根據式(3),可以應用一元二次方程求根公式得到N的值:

N={-[5+2(Q-1)/16]+

(6)

將式(6)代入式(5),得到螺距F和刀具Z向位移S的關系為:

(7)

應用編程語句表示為F=SQRT[[5+2(Q-1)/16]2+4S]。

4 編程

確定每次切削時螺距F與刀具Z向位移S的關系后,就可以進行程序編寫。設發那科數控系統中#1為切削深度,#2為總切削次數,#3為當前切削次數,#4為刀具Z向位移,程序如下:

T0101 //換刀

M4 S200 //主軸旋轉

G00 X35 Z50 //定位安全位置

#1=0.5 //切削深度賦初值

WHILE[#1LE4] DO3 //切削深度循環

#2=17 //切削次數

#3=1 //當前切削次數

WHILE[#3LE#2] DO2 //切削次數循環

G01 X[32-2*#1] Z10 //定位準確切削

G32 Z0 F6 //以G32指令方式切入

#4=0.1 // 刀具Z向位移

WHILE[#4LE125] DO1 // 刀具Z向位移循環

G32 Z[-#4] F=SQRT[[5+[2*[#3-1]]/#2]*[5+[2*[#3-1]]/#2]+4*#4]] //螺紋切削

#4=#4+0.1 //Z向位置連續車削

END1 //一層循環結束

G00 X120 //退刀

Z100 //退刀

#3=#3+1 //次數遞增

END2 //次數循環結束

#1=#1+0.5 //切削深度遞增

END3 //切削深度循環結束

M30 //程序結束

5 仿真分析

采用VERICUT軟件仿真切削,視覺效果與實際生產加工十分接近[10]。變螺距螺紋數控車削加工仿真結果如圖8所示。

▲圖8 變螺距螺紋數控車削仿真結果

6 結束語

筆者對牙等寬槽變距螺紋進行分析,基于發那科數控系統對變螺距螺紋切削加工進行研究,編寫加工程序。編寫好的加工程序在VERICUT軟件中進行仿真,效果良好。