宏程序編程在圓（yuán）弧螺紋車削加工中的應用

以FANUC係統數控車床後置式刀架為例對圓（yuán）弧螺紋加工方法及宏程序編程進行探討（tǎo），通過具（jù）體示例進行闡述，希望對實際生產和數（shù）控大（dà）賽中圓弧螺紋的加工提供參考。

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序 言

隨著數控技術的高速發展，數（shù）控機床加工不再局（jú）限於直線（xiàn）、圓弧等輪廓的加工，各種複雜非（fēi）圓曲線、異形螺旋線等輪廓的加工（gōng）日（rì）益增多。近年來，數（shù）控技（jì）能大賽以考核選手的計算機編程（chéng）能力為主，選手要熟練運（yùn）用CAD/CAM自動編程軟件完成零件（jiàn）程序的編製，隨著數控技能大賽的深入發展，競賽內容日漸豐富，經常出現CAD/CAM編程軟件難以單獨完成的題目，旨（zhǐ）在考核（hé）選手手（shǒu）工編程（chéng）的能力。例如（rú）異形螺紋加工，而圓弧螺紋在各類異形（xíng）螺紋加工中最具（jù）有普遍性（xìng）和代表性。圓弧螺紋是（shì）一種在輪廓表（biǎo）麵形成（chéng）圓弧螺旋線的（de）非標螺紋，在（zài）數控車床上比較難加工（gōng），但隻要製定（dìng）合理的（de）加工工藝、加工方法和加工（gōng）程序，完全可（kě）以在數控車床上完成高精度、高（gāo）性能的圓弧（hú）螺紋。

CAD/CAM自動編程省力，但生成（chéng）的程序冗長，空刀行程比較多，且非圓曲麵上的圓弧螺（luó）紋用（yòng）CAD/CAM編程軟件根（gēn）本不能實現。因此（cǐ）隨著工件複雜程度不斷增加，宏程序的（de）手工編製能力顯得尤為重要。實踐證明，通過螺紋編程指令G32/G92和宏程序功能的有機結合，可（kě）以比較容（róng）易（yì）地（dì）實現圓弧螺紋（wén）的加工（gōng）[1,2]。

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圓弧螺紋的車（chē）削加工工藝分（fèn）析

2.1加工方法

螺紋的加工方（fāng）法（fǎ）主要有直（zhí）進法、斜進法、左（zuǒ）右切削（xuē）法、分層法和側向進刀法等。由於（yú）圓弧螺（luó）紋的牙型、螺（luó）距較大，因此，在（zài）螺紋車削過程中，背吃刀量大、走刀快（kuài）且切削（xuē）阻力大，導致圓弧螺紋車削難度加大，容易發生“爆刀”和“紮刀”現象。為防止此類現（xiàn）象（xiàng）出現，筆者認為（wéi）采用宏程序編程進行“分層法”切削圓弧螺紋（wén）可以有效解決（jué）問題。

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

2.2刀具選擇

圓弧螺（luó）紋加工最好選用圓（yuán）弧車刀。因為圓（yuán）弧車（chē）刀圓弧較長，所以，加工時刀痕較（jiào）均勻，工件表麵（miàn）質量較好。對於較大螺距螺紋加工，特別需要考慮（lǜ）機床和刀具的剛性，盡量避免選（xuǎn）用與圓弧螺紋牙型半（bàn）徑相等（děng）的圓弧車刀，否則容易在加工（gōng）過（guò）程中出現“紮刀”現象。對於凹半圓的圓弧螺紋，刀具圓角半徑要小於圓弧螺紋牙型半徑，為考慮刀具的剛（gāng）性，刀具（jù）圓角半徑也不宜過小。

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外圓柱麵上圓弧螺紋的加工

3.1 圖樣分析

如圖1所示，零件右端外圓柱麵的圓弧螺紋分布在φ34mm的外圓柱麵上，螺紋的牙型為R2.5mm的（de）圓（yuán）弧，導程為6mm，槽深為（wéi）1.5mm，圓（yuán）弧螺紋牙型的中心位於φ36mm的（de）外圓上，將編程坐標係（即工件坐標（biāo）係）原點（diǎn）定在零件右端麵中心上，螺紋的加工起始位置為Z0mm，終止位置為Z-36mm。

圖1 外圓柱麵上的圓弧螺紋

3.2 編（biān）程思路

本例（lì）中選（xuǎn）用R1.5mm 的圓弧車刀，由（yóu）於圓弧螺紋的半徑（jìng）為2.5mm，而圓弧車刀的刀位點在圓心，數控機床的運動軌跡實際上就是刀具刀位點與工件坐標係的位置關係（xì），因此本例中圓弧車刀的圓心軌跡其實就是半徑為1mm的圓弧AB，其（qí）圓心軌跡半徑值的大小為螺紋圓弧半徑（jìng）與（yǔ）刀具圓角半徑的差值，如圖2所示。根據“分層法”和“左右切削法”螺紋加工方法，將圓弧螺紋背吃刀量（liàng）1.5mm分成若幹層進（jìn）行切削，當切削第一層時，向左借（jiè）刀時刀具的圓心位於B點，向右借刀時刀具的圓心位於A點，這（zhè）就決定了圓弧（hú）車（chē）刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始角（jiǎo）度30°和（hé）終止角度-90°。以角度為自變量，分別把圓（yuán）心軌跡（jì）上每一個點的坐標依次求出來，每求出（chū）一個坐標（X，Z）采用G92螺紋（wén）加（jiā）工指令加工（gōng）一遍，每一層完成左右切（qiē）削，通過宏程序的判斷語句（jù）實現循環加工（gōng），從而完（wán）成分層加工，最後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 數學計算

如圖（tú）3所示，圓弧上任意點A的坐標可以通過三角（jiǎo）函（hán）數關係求得，AC=AD×sinθ（X方向），DC=AD×cosθ（Z方向）。角度θ作為自變量，變化範圍-90°～30°，用#1表示；圓弧螺紋（wén）X方（fāng）向（xiàng）的變量用#2表示，即#2=1sin[#1]；圓弧螺紋Z方向的變量用（yòng）#3表示，即（jí）#3=1cos[#1]；當前層X方向的螺紋直徑用#4表示，由於圓弧螺（luó）紋圓心位於φ36mm外圓直徑上，#2計算的是X方向單邊值，要（yào）換成直徑值，所以需要乘以2，即#4=36+2 [#2]。

圖3 圓心軌跡坐標計算

3.4 編程示例

采（cǎi）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（chéng）的（de）刀位點。

O0003;程序名

G99 G97 G40;程序初始化

T0202;選用R1.5mm的（de）圓弧車刀

M04 S300;後（hòu）置式刀架，主軸反轉（zhuǎn），轉速300r/min

G00 X40.Z9.;刀具快速定位到定刀（dāo）位置

#1=30;  切削第一層圓弧螺紋時牙（yá）型背吃刀量的（de）起始角度30°

N1 #2=1*SIN[#1];圓弧螺紋X方（fāng）向的變（biàn）量（1為螺（luó）紋圓（yuán）弧半徑減去刀具（jù）圓角半徑的值）

#3=1*COS[#1];圓弧螺紋Z方向的（de）變量，即左右切削（xuē）時的借（jiè）刀量

#4=36+2*[#2];螺紋加工時的X坐標（#2計算的是X方向單邊（biān）值（zhí），要換成直徑值，所以需要乘以2）

G00 X40.Z[9-#3];螺（luó）紋刀向左借刀切削

G92 X#4 Z-44.F6.;螺紋加工

G00 X40.Z[9+#3];螺（luó）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;判斷角度是否在範圍之（zhī）內（-90°為背吃刀（dāo）量終止角度）

G00 X100.; X向退刀

Z100.; Z向退刀

M05;主（zhǔ）軸停止

M30; 程序結（jié）束

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橢圓麵上圓弧螺（luó）紋的加工

4.1 圖樣（yàng）分析

如圖4所示，零件右端的圓弧螺紋分布在（zài）橢（tuǒ）圓麵上，橢圓（yuán）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，導程為6mm，槽（cáo）深為1mm，將（jiāng）編程坐標係（即工件坐標係）原點定在零件右端（duān）麵中心上，螺紋的加工起始位置（zhì）為Z0mm，終止位置為Z-30mm。

a）圓弧螺紋示意

b）圓弧螺紋實物

圖4 橢圓麵上的圓弧螺紋（wén）

4.2 編程思路

選用R1.5mm 的圓弧車（chē）刀，加工橢圓麵上的圓弧螺紋時，圓弧車（chē）刀既要按照圓弧螺紋（wén）R2.5mm圓弧軌跡運動（dòng），又要按照橢圓（yuán）的規律車削（xuē）螺（luó）紋。根據（jù）刀具刀位點與工件坐標係的關係，刀具圓心實際上走的是半徑為1mm的圓弧，並（bìng）且刀具圓心是按照長半軸39.5mm、短半軸17mm的橢圓規律進行螺旋線運動（dòng）。考慮到螺（luó）紋升降（jiàng）速（sù）的影響，分別在導入段和導出段（duàn）延伸一個導程進行（háng）螺紋加工，故（gù）螺（luó）紋的加工起始位置變為Z6mm，終止位置變為Z-36mm。加工軌跡如圖5所示。

圖5 加工（gōng）軌跡分析

根據“分層法”和“側向進刀法”螺紋加工方法，將圓弧（hú）螺紋背吃刀量（liàng）1mm分成若幹層進（jìn）行切削。當進行圓弧螺紋切削時，刀具圓（yuán）心在長半軸39.5mm、短半軸17mm的（de）橢圓軌跡上變化，同時分別處（chù）於位置1、位置2、……位置8共8個（gè）位置。比較（jiào）各圓的起始角度（dù）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值，終止角度也（yě）均為（wéi）負值；而位置5、位置6、位置7及位置8各圓的起始角（jiǎo）度為（wéi）正值，而終止角度均為負值，其中（zhōng）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（yuán）心軌跡牙（yá）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（jiǎo）度為自（zì）變量，分別把圓心軌跡上每（měi）一（yī）個點的坐標依（yī）次求出來，每求出一個（gè）小圓坐標係下的坐標（X，Z），就換算到橢圓坐標係下的（X，Z），最後再換算到工件坐標係下的（X，Z），采用G32螺紋加工指令加工，完成當前（qián）層（céng）螺紋切削，通過宏程序的判斷語句實現循環加工（gōng），完成分（fèn）層加工，最後把完整的圓弧走完即可。

a）起（qǐ）始角度    b）終止角度    c）坐標示意

圖6 圓弧車刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始角度（dù）和終止角度

4.3 數學計算

如圖6c所（suǒ）示，圓弧上任意（yì）點（diǎn）D的坐標可以通（tōng）過三角函數關係求得（dé），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（huà）範圍（wéi）從-194.31°～14.31°，圓弧螺紋X方向的變量（liàng）用#2表示，即#2=1×sin[#1],圓弧（hú）螺紋Z方向的（de）變量用#3表示,即#3=1×cos[#1]；然後，將小圓整體平移到橢圓坐標係下，圓弧螺紋加工起始位置用#4表示，其變（biàn）動範圍為-21～21，通過橢圓（yuán）方程Z2/39.52+X2/172=1計算橢圓坐標係下（xià）位置1小圓（yuán）中（zhōng）心的X值，用#6表示（shì）,即#6=17SQRT[1-#4×#4/1560.25]；最後，將小圓整體平移到（dào）工件坐標（biāo）係下，變量#7表示工件坐（zuò）標係下小圓上任意點的（de）X坐（zuò）標，由於#2和#6計算的是X方向單（dān）邊值，要換成直徑值，所以需要乘以2，即#7=2 [#2+#6],變量#8表示工件坐標係下小圓上任意（yì）點的Z坐標，即（jí）#8=#4+#3-15。

4.4 編程示（shì）例

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

O0004;程序名

G99 G97 G40;程序初始化

T0303;選用R1.5mm的（de）圓弧車刀

M04 S300;後（hòu）置式刀架，主軸反轉，轉速（sù）300r/min

G00 X40.Z15.;刀具快速定位到定刀位置（zhì）

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

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

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

#4=21;橢圓（yuán）坐標係下位置1小圓中心Z值

N20 #5=#4*#4;

#6=17*SQRT[1-#5/1560.25];橢圓坐標係下位置（zhì）1小圓中（zhōng）心X值

#7=2*[#6+#2];工件坐標係下小圓上任意點的X坐標（#2和#6計算的是X方（fāng）向（xiàng）單邊值，要換成直徑值，所以需要乘（chéng）以2）

#8=#4+#3-15;工件坐標係下小圓上任意點的Z坐標，即（#7，#8）為工件坐（zuò）標係下小圓上任意（yì）點的坐標

G32 X#7 Z#8 F6.;螺紋加（jiā）工（按橢圓（yuán）規（guī）律車削圓弧螺紋）

#4=#4-6; Z向步距一個螺紋導程

IF [#4GE-21] GOTO 20;判斷螺紋加工（gōng）是否到終止位置（橢圓坐標係下（xià）位（wèi）置8小圓中心Z值）

G01 X40.; X向（xiàng）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;判斷角度是否在範圍之內（-194.31°為背吃刀量（liàng）終止角度）

G00 X100.; X向退（tuì）刀

Z100.; Z向退刀

M05;主軸停止

M30;程序結束

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結束語

宏程序編程是使用變量並利用變量的賦值和表達式判斷來對程序進行編輯，最（zuì）終達到循環執行功能的一種程（chéng）序編製方法，因此宏程序表達簡潔、精練且準確。利用宏程序進行圓（yuán）弧螺紋編程時，需要編（biān）程人員具備較高的（de）數（shù）學邏輯運算能力、程序編寫能力，並對螺（luó）紋加（jiā）工（gōng）方法有詳細地了解（jiě）與掌（zhǎng）握。本文以FANUC係統數控車床後置式刀架（jià）為例，若（ruò）變成前置式刀架，起（qǐ）始角（jiǎo）度、終止角（jiǎo）度及參數（shù）的計算都會有所變化（huà），希望編程者能（néng）夠觸（chù）類旁（páng）通，靈活變化。