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(guò)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(lái)，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(jìng)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(zhǎng)，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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(zhǎng)，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(guò)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(guò)小。

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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(lái)，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(guò)宏程序的判斷語(yǔ)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(guò)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(jué)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

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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(zhǎng)半軸長(zhǎng)為38mm，短半軸為長(zhǎng)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(zhǎng)半軸39.5mm、短半軸17mm的橢圓規(guī)律進(jìn)行螺旋線運(yùn)動(dòng)?？紤]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(zhǎng)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(lái)，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(guò)宏程序的判斷語(yǔ)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(guò)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(guò)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

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結(jié)束語(yǔ)

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(lái)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(jiǎn)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。