■航天科工集團(tuán)第四研究院 （湖北孝感 432100）　孫武兵

基于宏程序自定義螺紋車削循環(huán)的應(yīng)用

■航天科工集團(tuán)第四研究院 （湖北孝感 432100）孫武兵

為了提高數(shù)控車削螺紋的加工精度、刀具壽命及編程效率。針對(duì)FANUC 0iT數(shù)控系統(tǒng)的螺紋切削功能進(jìn)行二次開發(fā)，通過自定義G代碼，使用宏程序編寫出一個(gè)新的螺紋切削循環(huán)。它采用了改進(jìn)式側(cè)向進(jìn)刀方式、通過指定走刀次數(shù)進(jìn)行恒切削量的加工方法，并且簡(jiǎn)化了編程格式，擴(kuò)展了數(shù)控系統(tǒng)的功能。

使用現(xiàn)代化的切削刀具加工螺紋是一種有效和可靠的加工工藝。當(dāng)正確使用時(shí)，能加工出高質(zhì)量的螺紋。刀片可以用不同的進(jìn)給方式加工工件，所獲牙型都是相同的，但是以不同的方式加工，對(duì)切屑形狀、刀具磨損和螺紋質(zhì)量具有不同的影響。在山特維克可樂滿、山高、肯納等刀具切削手冊(cè)中均提出采用改進(jìn)式側(cè)向進(jìn)刀的方法，進(jìn)給角應(yīng)控制在3°～5°之間小于螺紋角，是大多數(shù)螺紋切削的首選，易于斷屑和控制切屑，提高表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命。

1. 提出問題

我公司數(shù)控車床多為FANUC 0i系統(tǒng)，常采用G76螺紋切削循環(huán)進(jìn)行螺紋加工。它沿齒側(cè)面進(jìn)刀的進(jìn)給角為0°，切削刃右側(cè)切削深度一直為0mm，單側(cè)刀刃切削工件，經(jīng)常出現(xiàn)加工的螺紋面不直，刀尖角發(fā)生變化﹑刀具磨損較大等現(xiàn)象。G76編程格式較為復(fù)雜,需要計(jì)算多個(gè)參數(shù)，而且難以精確控制走刀次數(shù)和恒切削量進(jìn)給。

2. 解決問題

在常見的加工問題及解決方案中均提出使用改進(jìn)式側(cè)向進(jìn)刀。本人根據(jù)實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，分析常規(guī)數(shù)控螺紋加工循環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)，編制出改進(jìn)式側(cè)向進(jìn)刀的G176螺紋切削循環(huán)。創(chuàng)新方法：①采用改進(jìn)側(cè)向進(jìn)刀方式，特別是在內(nèi)螺紋加工時(shí)采用反向側(cè)向進(jìn)給方式。②指定走刀次數(shù)進(jìn)行加工，恒切削量的方式。③自定義G代碼編寫出一個(gè)新的螺紋切削循環(huán)，由宏程序參數(shù)化編程的方法來實(shí)現(xiàn)。

（1）沿齒側(cè)面進(jìn)刀是許多CNC機(jī)床最常且只能使用的方法，對(duì)于改進(jìn)式側(cè)向進(jìn)刀方式，需要用戶自編程。它包括了優(yōu)化進(jìn)給方式側(cè)向進(jìn)刀角度為5?，走刀次數(shù)、進(jìn)給量和編程格式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。下面為兩種進(jìn)刀方式的比較，如圖1、圖2所示。

沿齒側(cè)面進(jìn)刀的優(yōu)點(diǎn)：利用刀片側(cè)刃進(jìn)給切削,使切屑容易排出切削區(qū)域,這就減少刀片后沿形成毛刺的問題。切削力小，不容易引起振動(dòng)。

沿齒側(cè)面進(jìn)刀缺點(diǎn)：刀片可能有拖曳或摩擦的現(xiàn)象而使刃口崩刃。右側(cè)后刀面磨損大。在切削軟而粘性的金屬，如低碳鋼、鋁和不銹鋼時(shí)，容易引起破損或表面質(zhì)量較差。

圖1　沿齒側(cè)面進(jìn)刀

圖2　改進(jìn)式側(cè)向進(jìn)刀

改進(jìn)式側(cè)向進(jìn)刀優(yōu)點(diǎn)：刀片同時(shí)切削螺紋牙形兩側(cè)，可以抑制后刀面的磨損。雖然也會(huì)形成V形，但是由于切屑厚度不平均，有利于排屑。切削力小，不容易引起振動(dòng)。這是比較好的進(jìn)刀方法，尤其是使用有斷屑槽的刀片時(shí)。在切削內(nèi)螺紋時(shí)宜采用反向側(cè)向進(jìn)刀方式，它能改變切屑排出方向，使其向孔外方向排出，防止切屑堵塞內(nèi)孔。如圖3所示。

圖3　兩種不同的側(cè)向進(jìn)給

（2）走刀次數(shù)和進(jìn)給量對(duì)于螺紋切削加工具有決定性的影響。走刀次數(shù)所示可作為初始值的推薦值，合適的走刀次數(shù)可通過試驗(yàn)來決定(見附表)。

進(jìn)給量的計(jì)算方法采用是恒定的切屑面積：該方法是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上最常用的方法并且通常加工效率最高。根據(jù)螺紋牙型深度，切深起始值相對(duì)較大，之后逐漸減小并最終達(dá)到0.02～0.09mm。每次走刀切削刃都具有均勻負(fù)荷，這從刀具壽命來說是有益的。圖4所示為恒切削量。采用恒切削量方式時(shí)，每次走刀的進(jìn)刀量的計(jì)算。

式中，Δapx為徑向進(jìn)給；x為實(shí)際走刀順序數(shù)（從1到總的走刀次數(shù)）；ap為螺紋總深度；nap為軸向進(jìn)給次數(shù)；φ為第1次走刀=0.3，第2 次走刀=1，第3 次走刀=x–1。

圖4　恒切削量的示意圖

（3）宏程序參數(shù)化編程以及自定義G代碼的方法：①使用用戶宏程序時(shí)，除了可直接指定數(shù)值外，還可以指定變量號(hào)。根據(jù)變量號(hào)，可以將變量分為局部變量、公共變量、系統(tǒng)變量，各類變量的用途和特性各不相同。②編寫的宏程序中使用了IF條件轉(zhuǎn)移語句和WHILE循環(huán)語句。在WHILE后指定條件表達(dá)式：當(dāng)指定的條件表達(dá)式滿足時(shí)，執(zhí)行從DO到END之間的程序；當(dāng)指定的條件表達(dá)式不滿足時(shí)，進(jìn)入END后面的程序段。在IF后指定＜條件表達(dá)式＞：如果指定的＜條件表達(dá)式＞（真）滿足，則轉(zhuǎn)移到順序號(hào)為n的語句；如果條件表達(dá)式不滿足，程序執(zhí)行下一程序段。IF[<條件表達(dá)式>]THEN：如果＜條件表達(dá)式＞成立（真），則執(zhí)行指定在THEN之后的宏語句。③用G代碼調(diào)用宏程序，在FANUC系統(tǒng)中參數(shù)No.6050～No.6059中設(shè)置。

用這種方式調(diào)用宏程序的優(yōu)點(diǎn)是，即使編程經(jīng)驗(yàn)很少的程序員也能使用一些預(yù)定義的宏程序，而不用知道宏程序知識(shí)。新的G代碼可以像標(biāo)準(zhǔn)G代碼一樣使用，甚至不用知道它所調(diào)用的宏程序號(hào)。

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O1234(加工M24螺紋程序)

T0202

G97M3S1000

G0X30Z5M8

G176 A8 X24 Z-20 F1.5

G0X200Z200

M30

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O9010（G176調(diào)用的宏程序）

#30=#5041 （X軸當(dāng)前值）

#31=#5042 （Z軸當(dāng)前值）

#2=0.3（第一刀進(jìn)刀常量）

#3=#9*0.65（外螺紋牙型高為螺距×0.65）

#4=#9*0.54（內(nèi)螺紋牙型高為螺距×0.54）

#15=#9*0.06 （斜向退刀量）

#16=60/2-5（60°ISO螺紋側(cè)向進(jìn)刀角度為5°）

IF[#1EQ1]THEN#1=2（A=#1走刀次數(shù)的設(shè)定）

IF[#17EQ#0]THEN#17=0（Q=#17螺紋切削開始角度設(shè)定）

IF[#30GT#24]GOTO100（如果為外螺紋跳轉(zhuǎn)到N100程序段）

IF[#30LT#24]GOTO200（如果為內(nèi)螺紋跳轉(zhuǎn)到N200程序段）

螺紋車削走刀次數(shù)的建議表

N100#14=#3/SQRT[#1-1.]*SQRT[#2]（N100加工外螺紋）

#5=#14*TAN[#16]

IF[#31LT#26]THEN#5=-#5

IF[#31LT#26]THEN#15=-[ABS[#15]]

#10=#31+ABS[#26]-#5

#11=#10*TAN[#18]

G0Z[#31-#5]

X[#24-2*[#14+#11]]

G32X[#24-2*#14]Z[#26+#15] F#9Q#17

X#24Z#26

GOTO300

N200#14=#4/SQRT[#1-1]*SQRT[#2]（N200加工內(nèi)螺紋）

#5=#14*TAN[#16]

IF[#31LT#26]THEN#5=-#5

IF[#31LT#26]THEN#15=-[ABS[#15]]

#10=#31+ABS[#26]-#5

#11=#10*TAN[#18]

G0Z[#31+#5]

X[#24-#9+2.*[#14+#11]]

G32X[#24-#9+2*#14]Z[#26+#15] F#9Q#17

X[#24-#9]Z#26

N300G0X#30（X軸退刀）

Z#31（Z軸退刀）

#7=2.（加工次數(shù)設(shè)定）

WHILE[#7LE#1]DO1（加工次數(shù)的循環(huán)）

IF[#30GT#24]GOTO400（如果為外螺紋跳轉(zhuǎn)到N400程序段）

IF[#30LT#24]GOTO500（如果為內(nèi)螺紋跳轉(zhuǎn)到N500程序段）

N400#14=#3/SQRT[#1-1]*SQRT[#7-1.]

#5=#14*TAN[#16]

IF[#31LT#26]THEN#5=-#5

IF[#31LT#26]THEN#15=-[ABS[#15]]

#10=#31+ABS[#26]-#5

#11=#10*TAN[#18]

G0Z[#31-#5]

X[#24-2.*[#14+#11]]

G32X[#24-2*#14]Z[#26+#15] F#9Q#17

X#24Z#26

GOTO600

N500#14=#4/SQRT[#1-1.]*SQRT[#7-1.]

#5=#14*TAN[#16]

IF[#31LT#26]THEN#5=-#5

IF[#31LT#26]THEN#15=-[ABS[#15]]

#10=#31+ABS[#26]-#5

#11=#10*TAN[#18]

G0Z[#31+#5]

X[#24-#9+2*[#14+#11]]

G32X[#24-#9+2*#14]Z[#26+#15] F#9Q#17

X[#24-#9]Z#26

N600G0X#30（X軸退刀）

Z#31（Z軸退刀）

#7=#7+1.（走刀次數(shù)遞增）

END1

M99

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程序算法流程：①讀取當(dāng)前X軸Z軸的系統(tǒng)參數(shù)并儲(chǔ)存，作為螺紋循環(huán)加工起點(diǎn)。②根據(jù)螺距計(jì)算螺紋的切削深度。③設(shè)定沿齒側(cè)面進(jìn)刀的角度，在實(shí)際加工中推薦值為5°。④通過當(dāng)前儲(chǔ)存的X、Z軸坐標(biāo)值與G176循環(huán)里的X、Z值相比較，來區(qū)分內(nèi)外螺紋和螺紋旋向，選擇螺紋的切削深度。⑤根據(jù)G176循環(huán)里的A值指定的走刀次數(shù)進(jìn)行恒切削量的計(jì)算。⑥通過各種條件判斷及循環(huán)運(yùn)算來控制程序進(jìn)行螺紋切削。⑦當(dāng)設(shè)定條件滿足即螺紋切削完成，并返回主程序。

由于公司加工的螺紋多為ISO三角螺紋，所以本程序中的螺紋高度是根據(jù)ISO三角螺紋而設(shè)定的。在進(jìn)行英制螺紋或梯形螺紋加工改變 #3 和#4牙型高這個(gè)參數(shù)即可。

（4）加工中的使用情況：①在加工材料為高溫合金的螺釘時(shí)，由于G76螺紋循環(huán)的沿齒側(cè)面進(jìn)刀方式導(dǎo)致加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，刀具磨損較快，特別是零切深的一側(cè)后刀面磨損尤為嚴(yán)重。采用G176螺紋循環(huán)后，加工硬化的現(xiàn)象有所減輕，刀具耐用度提高40%。②在加工材料為金屬鉬的零件M6螺紋時(shí)，由于材料可加工性差，原有的加工方式螺紋牙型崩缺現(xiàn)象較嚴(yán)重，導(dǎo)致螺紋不能使用。采用G176螺紋循環(huán)后，螺紋牙型完整沒有崩缺現(xiàn)象，表面粗糙度值達(dá)到Ra=1.6μm以上。

3. 結(jié)語

通過實(shí)踐證明G176改進(jìn)式螺紋循環(huán)，不僅行之有效，而且方便快捷，簡(jiǎn)化了G代碼格式，使編程最簡(jiǎn)單化，降低了由編程產(chǎn)生錯(cuò)誤的可能性，提高了刀具壽命和生產(chǎn)效率。這種方法和思路同樣可以應(yīng)用在其他數(shù)控功能的開發(fā)。

[1] 彼得·斯密德.FANUC數(shù)控系統(tǒng)用戶宏程序與編程技巧[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

20150512）