利用宏程序實現大螺距梯形螺紋加工

陳巍

上海市大眾工業學校 上海 201800

1 序言

螺紋在機械零件上有著廣泛的應用。不同類型的螺紋加工方法不同，通常有直進法、斜進法、左右切削法及仿形法等，其中，仿形法是螺紋加工的核心理念。結合實際操作和應用乃至競賽，采用數控宏程序加工螺紋的方法，不僅能降低定制刀具的成本，也可以提高加工效率。

在近幾年的數控技能比賽中，隨著比賽難度的增加，數控加工的內容越來越豐富，簡單的宏程序已不能滿足加工要求，大賽中都會要求選手利用比較復雜的宏程序編程來加工零件。加工梯形螺紋是臥式車床加工中最基本的實訓項目，因此在全國數控車床技能比賽中也成為一項重要的比賽內容。而在常規的中職學生數控實踐教學環節中，由于學制的限制，在數控車床實訓過程中很少安排梯形螺紋的加工練習。加之梯形螺紋加工的工藝比較復雜，需要有扎實的專業理論知識及數學功底作為支撐，這對中職學生來說有較大的難度。因此，高效率、高質量的加工梯形螺紋是數控專業教師必需解決的難題。筆者認為，通過合理的工藝分析，運用準確的數控加工指令，加工出合格的梯形螺紋完全有可能，前提是中職生要掌握復雜宏程序的編程知識。這樣不僅可以提高學生自身的技能和素質，而且還可以降低加工難度，提高生產率，節約加工成本。

2 螺紋加工方法

2.1 螺紋加工方法分析

螺紋加工的常見方法有：直進法、斜進法、左右切削法及仿形法，其主要特點見表1。常用的螺紋加工指令有單一固定螺紋加工循環指令（G92）和復合循環螺紋加工指令（G76）。G92適用于直進法的螺紋加工，適宜螺距＜3mm的螺紋，G76適用于斜進法的螺紋加工，適宜螺距≥3mm的螺紋。單一固定螺紋加工循環和復合循環螺紋加工的區別在于：單一固定循環加工時，編程時只是通過人為地改動X方向的進刀量，從而改變切削面積。而復合循環是通過程序給機床一個固定的切削面積，機床通過程序給定的參數自動進行計算，控制切削面積。其共同的特點是刀具切削部分的形狀一定要和螺紋的形狀保持一致。

表1 常見螺紋加工方法特點

2.2 螺紋加工工藝分析

如果加工大螺距的梯形螺紋（螺距＞6mm）或任意角度的螺紋，可以用標準的梯形螺紋刀或定制的非標螺紋刀（任意角度），但成本很高。此時，可以考慮編寫宏程序來解決大螺距螺紋的加工問題，常采用的方法是仿形法。由于梯形螺紋的螺距和牙型比較大，加工精度要求高，牙型兩側的表面粗糙度值較小，致使梯形螺紋車削時吃刀深，切削余量大，切削抗力也很大。

較大螺距梯形螺紋必須采用分層切削和左右切削相結合的方法。通常，把梯形槽分成若干層，而每一層的切削深度可以根據刀具材料、工件材料等實際因素而定，往往可以通過查表獲得。因梯形螺紋的結構特點，每個切削層必須使用左右切削加工方法來完成。在切削過程中，刀具沿著梯形槽左、右牙型輪廓分別進行左、右切削，并且保證刀具只有單側的切削刃參與切削，從而減小切削力，便于切屑排出，降低切削溫度。

3 螺紋加工軸向起點與終點的確定

車削螺紋時進給速度分三個階段（見圖1）：起始需要一個升速進刀距離（δ1），正常速度車螺紋距離（L），結束前有一個降速退刀距離（δ2）。所以車螺紋時，兩端要設置足夠的升速進刀距離δ1及降速退刀距離δ2。δ1、δ2的數值與螺紋的螺距和螺紋的精度有關，一般大于等于一個螺距即可。實際生產中，螺距大和精度高的螺紋δ1取大值，一般取值2～5mm；δ2值不得大于退刀槽寬度，一般取退刀槽寬度的一半左右，取值1～3mm。

圖1 車螺紋時的進刀與退刀

4 梯形螺紋加工

加工如圖2所示Tr52×8梯形螺紋，為降低成本，選用割槽刀進行螺紋加工。

圖2 梯形螺紋

4.1 螺紋加工參數計算

螺紋加工時主要的加工參數是螺距、大徑及小徑。具體數值見表2。

表2 梯形螺紋加工參數

4.2 選刀依據

由于梯形螺紋用割槽刀進行加工，為保證梯形螺紋的加工精度，割槽刀的刀寬必須小于螺紋槽底的寬度。經過計算，槽底寬度為2.660mm，所以，選用刀寬為2mm的割槽刀。

4.3 加工方法分析

（1）左右趕刀移刀量計算 當螺紋槽底寬度與割槽刀寬度相等時，根據先前介紹的梯形螺紋加工工藝分析，第一層的左右趕刀移刀量x＝牙深×tan（α/2）（見圖3a），而任意層的左右趕刀移刀量x＝a×tan（α/2），a表示牙深當前層背吃刀量（見圖3b）。

圖3 螺紋槽底寬度與割槽刀寬度相等時趕刀移刀量

當螺紋槽底寬度大于割槽刀寬度時（見圖4），任意層的左右趕刀移刀量x＝a+b＝（牙深－當前層背吃刀量）×tan（α/2）+b，其中b＝（槽底寬度－刀頭寬度）/2。

圖4 槽底寬大于刀寬時趕刀移刀量

（2）層切法 分層加工就是把梯形螺紋的深度分成若干層（一般取0.1mm一層，見圖5），給定參數后，程序會根據給定的參數自動計算。

圖5 分層加工

加工原理：根據給定的參數，程序會自動計算當前層的深度和槽的寬度，然后再根據所設定的每一刀的切削量來加工當前層，等當前層的寬度加工完畢后，程序會自動進入下一層計算，以此類推最終完成加工。螺紋粗加工結束后，改變編程方法，只要編出螺紋的軌跡，也就是只要加工螺紋的兩個斜面及底平面，采用這樣的加工方法，既能保證每一層的寬度、螺紋的質量，還能很好地保護刀具。

4.4 參考程序

利用宏程序進行編程時，變量設置是關鍵，且需要注意兩點。第一，為了提高數控系統運算速度，參數變量要盡量少。第二，程序編制要有循環功能。通過數學分析，本案例共計用到7種不同含義的變量。#1（#8）為螺紋牙高（mm），初始值為4.5mm，#2（#9）為梯形螺紋的牙型半角（°），#3（#10）為螺紋槽頂寬與槽底寬差值的二分之一（mm），#4（#11）為（牙槽底寬－刀頭寬度）/ 2減去側面精車余量（mm），#5（#12）為左趕刀移刀量（mm），#6（#13）為右趕刀移刀量（mm），#7為每次切削螺紋終點X坐標，其中括號內的變量用于梯形螺紋的精加工程序編寫。

本案例中，宏程序編程的關鍵是實現兩個加工功能，即分層切削加工和左右切削加工。結合G92單一固定螺紋切削循環指令，左右切削加工功能可以通過切削起點的相應移動，即利用“#5＝－#3－#4”和“#6＝#3+#4”程序語句來實現。當前層相鄰兩刀間的移動量通過“#5＝#5+1”來實現循環。深度方向相鄰層的實現通過“#1＝#1－0.1”來循環實現，每層的切削深度取0.1mm，而每層中螺紋的X坐標不變，始終為#7＝43+2[#1]。參考程序如下。

5 結束語

利用宏程序進行大螺距梯形螺紋加工時，程序編制比較麻煩，需要編程操作人員具備較高的數學計算能力、程序匯編能力，并對機械加工工藝流程有詳細的了解與掌握。但是通過整個流程的學習，可以不斷提高編程操作人員的專業素養、技能水平，以及社會競爭能力。并且利用宏程序進行大螺距梯形螺紋加工無需定制標準螺紋刀具或者非標的任意角度的螺紋刀具，大大節約了螺紋加工刀具的成本，對于企業的發展有著不可小覷的促進作用。