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宏程序編程在圓弧螺紋車削加工中的應(yīng)用

發(fā)布日期:2022-04-25 09:36:30  點(diǎn)擊次數(shù):1010

以FANUC系統(tǒng)數(shù)控車床后置式刀架為例對(duì)圓弧螺紋加工方法及宏程序編程進(jìn)行探討,通過具體示例進(jìn)行闡述,希望對(duì)實(shí)際生產(chǎn)和數(shù)控大賽中圓弧螺紋的加工提供參考。



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序 言

隨著數(shù)控技術(shù)的高速發(fā)展,數(shù)控機(jī)床加工不再局限于直線、圓弧等輪廓的加工,各種復(fù)雜非圓曲線、異形螺旋線等輪廓的加工日益增多。近年來,數(shù)控技能大賽以考核選手的計(jì)算機(jī)編程能力為主,選手要熟練運(yùn)用CAD/CAM自動(dòng)編程軟件完成零件程序的編制,隨著數(shù)控技能大賽的深入發(fā)展,競賽內(nèi)容日漸豐富,經(jīng)常出現(xiàn)CAD/CAM編程軟件難以單獨(dú)完成的題目,旨在考核選手手工編程的能力。例如異形螺紋加工,而圓弧螺紋在各類異形螺紋加工中最具有普遍性和代表性。圓弧螺紋是一種在輪廓表面形成圓弧螺旋線的非標(biāo)螺紋,在數(shù)控車床上比較難加工,但只要制定合理的加工工藝、加工方法和加工程序,完全可以在數(shù)控車床上完成高精度、高性能的圓弧螺紋。


CAD/CAM自動(dòng)編程省力,但生成的程序冗長,空刀行程比較多,且非圓曲面上的圓弧螺紋用CAD/CAM編程軟件根本不能實(shí)現(xiàn)。因此隨著工件復(fù)雜程度不斷增加,宏程序的手工編制能力顯得尤為重要。實(shí)踐證明,通過螺紋編程指令G32/G92和宏程序功能的有機(jī)結(jié)合,可以比較容易地實(shí)現(xiàn)圓弧螺紋的加工[1,2]。



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圓弧螺紋的車削加工工藝分析

2.1加工方法


螺紋的加工方法主要有直進(jìn)法、斜進(jìn)法、左右切削法、分層法和側(cè)向進(jìn)刀法等。由于圓弧螺紋的牙型、螺距較大,因此,在螺紋車削過程中,背吃刀量大、走刀快且切削阻力大,導(dǎo)致圓弧螺紋車削難度加大,容易發(fā)生“爆刀”和“扎刀”現(xiàn)象。為防止此類現(xiàn)象出現(xiàn),筆者認(rèn)為采用宏程序編程進(jìn)行“分層法”切削圓弧螺紋可以有效解決問題。


“分層法”加工圓弧螺紋,實(shí)際上就是將螺紋背吃刀量根據(jù)實(shí)際情況分成若干層,而且每層的背吃刀量很小,切削力也大大減小,從而有效降低了車削難度。在圓弧螺紋車削過程中,刀具始終保持只有一個(gè)側(cè)刃參與切削,切屑流出順暢,受力和受熱情況得到有效改善[3,4]。


2.2刀具選擇


圓弧螺紋加工最好選用圓弧車刀。因?yàn)閳A弧車刀圓弧較長,所以,加工時(shí)刀痕較均勻,工件表面質(zhì)量較好。對(duì)于較大螺距螺紋加工,特別需要考慮機(jī)床和刀具的剛性,盡量避免選用與圓弧螺紋牙型半徑相等的圓弧車刀,否則容易在加工過程中出現(xiàn)“扎刀”現(xiàn)象。對(duì)于凹半圓的圓弧螺紋,刀具圓角半徑要小于圓弧螺紋牙型半徑,為考慮刀具的剛性,刀具圓角半徑也不宜過小。



3


外圓柱面上圓弧螺紋的加工

3.1 圖樣分析


如圖1所示,零件右端外圓柱面的圓弧螺紋分布在φ34mm的外圓柱面上,螺紋的牙型為R2.5mm的圓弧,導(dǎo)程為6mm,槽深為1.5mm,圓弧螺紋牙型的中心位于φ36mm的外圓上,將編程坐標(biāo)系(即工件坐標(biāo)系)原點(diǎn)定在零件右端面中心上,螺紋的加工起始位置為Z0mm,終止位置為Z-36mm。


圖1 外圓柱面上的圓弧螺紋


3.2 編程思路


本例中選用R1.5mm 的圓弧車刀,由于圓弧螺紋的半徑為2.5mm,而圓弧車刀的刀位點(diǎn)在圓心,數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際上就是刀具刀位點(diǎn)與工件坐標(biāo)系的位置關(guān)系,因此本例中圓弧車刀的圓心軌跡其實(shí)就是半徑為1mm的圓弧AB,其圓心軌跡半徑值的大小為螺紋圓弧半徑與刀具圓角半徑的差值,如圖2所示。根據(jù)“分層法”和“左右切削法”螺紋加工方法,將圓弧螺紋背吃刀量1.5mm分成若干層進(jìn)行切削,當(dāng)切削第一層時(shí),向左借刀時(shí)刀具的圓心位于B點(diǎn),向右借刀時(shí)刀具的圓心位于A點(diǎn),這就決定了圓弧車刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始角度30°和終止角度-90°。以角度為自變量,分別把圓心軌跡上每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)依次求出來,每求出一個(gè)坐標(biāo)(X,Z)采用G92螺紋加工指令加工一遍,每一層完成左右切削,通過宏程序的判斷語句實(shí)現(xiàn)循環(huán)加工,從而完成分層加工,最后把完整的圓弧走完即可[5,6]。


圖2 圓弧車刀及加工軌跡


3.3 數(shù)學(xué)計(jì)算


如圖3所示,圓弧上任意點(diǎn)A的坐標(biāo)可以通過三角函數(shù)關(guān)系求得,AC=AD×sinθ(X方向),DC=AD×cosθ(Z方向)。角度θ作為自變量,變化范圍-90°~30°,用#1表示;圓弧螺紋X方向的變量用#2表示,即#2=1sin[#1];圓弧螺紋Z方向的變量用#3表示,即#3=1cos[#1];當(dāng)前層X方向的螺紋直徑用#4表示,由于圓弧螺紋圓心位于φ36mm外圓直徑上,#2計(jì)算的是X方向單邊值,要換成直徑值,所以需要乘以2,即#4=36+2 [#2]。


圖3 圓心軌跡坐標(biāo)計(jì)算


3.4 編程示例


采用R1.5mm的圓弧車刀加工圓弧螺紋,以圓弧車刀的圓心作為宏程序編程的刀位點(diǎn)。


O0003;程序名

G99 G97 G40;程序初始化

T0202;選用R1.5mm的圓弧車刀

M04 S300;后置式刀架,主軸反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速300r/min

G00 X40.Z9.;刀具快速定位到定刀位置

#1=30;  切削第一層圓弧螺紋時(shí)牙型背吃刀量的起始角度30°

N1 #2=1*SIN[#1];圓弧螺紋X方向的變量(1為螺紋圓弧半徑減去刀具圓角半徑的值)

#3=1*COS[#1];圓弧螺紋Z方向的變量,即左右切削時(shí)的借刀量

#4=36+2*[#2];螺紋加工時(shí)的X坐標(biāo)(#2計(jì)算的是X方向單邊值,要換成直徑值,所以需要乘以2)

G00 X40.Z[9-#3];螺紋刀向左借刀切削

G92 X#4 Z-44.F6.;螺紋加工

G00 X40.Z[9+#3];螺紋刀向右借刀切削

G92 X#4 Z-44.F6.;螺紋加工

#1=#1-5;牙型角度變量減小

IF [#1GE-90] GOTO1;判斷角度是否在范圍之內(nèi)(-90°為背吃刀量終止角度)

G00 X100.; X向退刀

Z100.; Z向退刀

M05;主軸停止

M30; 程序結(jié)束



4


橢圓面上圓弧螺紋的加工

4.1 圖樣分析


如圖4所示,零件右端的圓弧螺紋分布在橢圓面上,橢圓的長半軸長為38mm,短半軸為長15.5mm,螺紋的牙型為R2.5mm的圓弧,導(dǎo)程為6mm,槽深為1mm,將編程坐標(biāo)系(即工件坐標(biāo)系)原點(diǎn)定在零件右端面中心上,螺紋的加工起始位置為Z0mm,終止位置為Z-30mm。


a)圓弧螺紋示意

   

b)圓弧螺紋實(shí)物

圖4 橢圓面上的圓弧螺紋


4.2 編程思路


選用R1.5mm 的圓弧車刀,加工橢圓面上的圓弧螺紋時(shí),圓弧車刀既要按照?qǐng)A弧螺紋R2.5mm圓弧軌跡運(yùn)動(dòng),又要按照橢圓的規(guī)律車削螺紋。根據(jù)刀具刀位點(diǎn)與工件坐標(biāo)系的關(guān)系,刀具圓心實(shí)際上走的是半徑為1mm的圓弧,并且刀具圓心是按照長半軸39.5mm、短半軸17mm的橢圓規(guī)律進(jìn)行螺旋線運(yùn)動(dòng)。考慮到螺紋升降速的影響,分別在導(dǎo)入段和導(dǎo)出段延伸一個(gè)導(dǎo)程進(jìn)行螺紋加工,故螺紋的加工起始位置變?yōu)閆6mm,終止位置變?yōu)閆-36mm。加工軌跡如圖5所示。


圖5 加工軌跡分析


根據(jù)“分層法”和“側(cè)向進(jìn)刀法”螺紋加工方法,將圓弧螺紋背吃刀量1mm分成若干層進(jìn)行切削。當(dāng)進(jìn)行圓弧螺紋切削時(shí),刀具圓心在長半軸39.5mm、短半軸17mm的橢圓軌跡上變化,同時(shí)分別處于位置1、位置2、……位置8共8個(gè)位置。比較各圓的起始角度和終止角度,位置1、位置2、位置3及位置4各圓的起始角度為負(fù)值,終止角度也均為負(fù)值;而位置5、位置6、位置7及位置8各圓的起始角度為正值,而終止角度均為負(fù)值,其中位置8的起始角度最大,位置1的終止角度最小,即圓弧車刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始角度為14.31°,終止角度為-194.31°,如圖6所示。以角度為自變量,分別把圓心軌跡上每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)依次求出來,每求出一個(gè)小圓坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(X,Z),就換算到橢圓坐標(biāo)系下的(X,Z),最后再換算到工件坐標(biāo)系下的(X,Z),采用G32螺紋加工指令加工,完成當(dāng)前層螺紋切削,通過宏程序的判斷語句實(shí)現(xiàn)循環(huán)加工,完成分層加工,最后把完整的圓弧走完即可。


a)起始角度    b)終止角度    c)坐標(biāo)示意

圖6 圓弧車刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始角度和終止角度


4.3 數(shù)學(xué)計(jì)算


如圖6c所示,圓弧上任意點(diǎn)D的坐標(biāo)可以通過三角函數(shù)關(guān)系求得,CD=OD×sinθ(X方向),OC=OD×cosθ(Z方向)。角度θ作為自變量,用#1表示,變化范圍從-194.31°~14.31°,圓弧螺紋X方向的變量用#2表示,即#2=1×sin[#1],圓弧螺紋Z方向的變量用#3表示,即#3=1×cos[#1];然后,將小圓整體平移到橢圓坐標(biāo)系下,圓弧螺紋加工起始位置用#4表示,其變動(dòng)范圍為-21~21,通過橢圓方程Z2/39.52+X2/172=1計(jì)算橢圓坐標(biāo)系下位置1小圓中心的X值,用#6表示,即#6=17SQRT[1-#4×#4/1560.25];最后,將小圓整體平移到工件坐標(biāo)系下,變量#7表示工件坐標(biāo)系下小圓上任意點(diǎn)的X坐標(biāo),由于#2和#6計(jì)算的是X方向單邊值,要換成直徑值,所以需要乘以2,即#7=2 [#2+#6],變量#8表示工件坐標(biāo)系下小圓上任意點(diǎn)的Z坐標(biāo),即#8=#4+#3-15。


4.4 編程示例


采用R1.5mm的圓弧車刀加工圓弧螺紋,以圓弧車刀的圓心作為宏程序編程的刀位點(diǎn)。


O0004;程序名

G99 G97 G40;程序初始化

T0303;選用R1.5mm的圓弧車刀

M04 S300;后置式刀架,主軸反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速300r/min

G00 X40.Z15.;刀具快速定位到定刀位置

#1=14.31; 切削第一層圓弧螺紋牙型時(shí)背吃刀量的起始角度為14.31°

N10 #2=1*SIN[#1]; φ2mm小圓坐標(biāo)系下刀具圓心的X坐標(biāo)(1為螺紋圓弧半徑減去刀具圓角半徑的值)

#3=1*COS[#1];φ2mm小圓坐標(biāo)系下刀具圓心的Z坐標(biāo),即(#2,#3)為φ2mm小圓坐標(biāo)系下的刀具圓心坐標(biāo)

#4=21;橢圓坐標(biāo)系下位置1小圓中心Z值

N20 #5=#4*#4;

#6=17*SQRT[1-#5/1560.25];橢圓坐標(biāo)系下位置1小圓中心X值

#7=2*[#6+#2];工件坐標(biāo)系下小圓上任意點(diǎn)的X坐標(biāo)(#2和#6計(jì)算的是X方向單邊值,要換成直徑值,所以需要乘以2)

#8=#4+#3-15;工件坐標(biāo)系下小圓上任意點(diǎn)的Z坐標(biāo),即(#7,#8)為工件坐標(biāo)系下小圓上任意點(diǎn)的坐標(biāo)

G32 X#7 Z#8 F6.;螺紋加工(按橢圓規(guī)律車削圓弧螺紋)

#4=#4-6; Z向步距一個(gè)螺紋導(dǎo)程

IF [#4GE-21] GOTO 20;判斷螺紋加工是否到終止位置(橢圓坐標(biāo)系下位置8小圓中心Z值)

G01 X40.; X向退刀

G00 Z15.;快速回到螺紋定刀位置

#1=#1-5;牙型角度變量減小

IF [#1GE-194.31] GOTO10;判斷角度是否在范圍之內(nèi)(-194.31°為背吃刀量終止角度)

G00 X100.; X向退刀

Z100.; Z向退刀

M05;主軸停止

M30;程序結(jié)束



5


結(jié)束語

宏程序編程是使用變量并利用變量的賦值和表達(dá)式判斷來對(duì)程序進(jìn)行編輯,最終達(dá)到循環(huán)執(zhí)行功能的一種程序編制方法,因此宏程序表達(dá)簡潔、精練且準(zhǔn)確。利用宏程序進(jìn)行圓弧螺紋編程時(shí),需要編程人員具備較高的數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算能力、程序編寫能力,并對(duì)螺紋加工方法有詳細(xì)地了解與掌握。本文以FANUC系統(tǒng)數(shù)控車床后置式刀架為例,若變成前置式刀架,起始角度、終止角度及參數(shù)的計(jì)算都會(huì)有所變化,希望編程者能夠觸類旁通,靈活變化。

本文發(fā)表于《金屬加工(冷加工)》2022年第4期第54~57頁,作者:上海市大眾工業(yè)學(xué)校  盧紅。
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