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        數(shù)控宏程序車削凹圓弧異形螺紋探索

        2017-08-13 12:42:20張孟陶
        關(guān)鍵詞:刀尖異形圓弧

        張孟陶

        (安徽阜陽技師學(xué)院機(jī)電工程系,安徽 阜陽 236000)

        [摘 要] 數(shù)控車削中,異形螺紋的編程和加工有別于普通螺紋,在沒有成形刀具的情況下,單純使用固定指令手工編程或使用編程軟件自動編程都很難完成,而運(yùn)用數(shù)學(xué)思想,建立數(shù)學(xué)模型,編寫具有邏輯運(yùn)算功能的宏程序,使用常規(guī)刀具也能夠車削異形螺紋,這也是當(dāng)前數(shù)控車削教學(xué)中的難點(diǎn)。通過具體試驗,可以找到車削凹圓弧異形螺紋幾種較為實(shí)用的編程方法,對數(shù)控教學(xué)及技能比賽有一定的幫助。

        [關(guān) 鍵 詞] 數(shù)控;宏程序;車削;凹圓??;異形螺紋

        [中圖分類號] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603(2017)09-0117-03

        一、引言

        近年來,隨著我國對制造業(yè)發(fā)展的重視,數(shù)控加工作為先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表,逐漸被人們所熟知。許多高職和中職院校相繼開設(shè)了數(shù)控專業(yè),為使用數(shù)控設(shè)備的企業(yè)培養(yǎng)數(shù)控人才,數(shù)控技能比賽也在全國各省市陸續(xù)舉辦??v觀近幾年教育系統(tǒng)和人社系統(tǒng)舉辦的數(shù)控車工技能比賽,異形螺紋的車削,被作為難點(diǎn)項目考查參賽人員的編程和加工水平。

        所謂異形螺紋是指螺紋的牙型和尺寸與普通螺紋不同的螺紋,而異形螺紋的編程和加工也有別于常見螺紋(如三角螺紋和梯形螺紋)的編程和加工。三角螺紋和梯形螺紋的加工方法通常是采用機(jī)夾成形螺紋刀,對螺紋進(jìn)行直進(jìn)法或斜進(jìn)法加工,在FANUC數(shù)控系統(tǒng)下,手工編程指令一般使用單行程螺紋切削指令G32、螺紋切削單一循環(huán)指令G92、螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令G76。另外也可以使用數(shù)控車編程軟件將螺紋的大徑和小徑畫出,通過設(shè)置軟件中的加工參數(shù),自動生成螺紋加工程序,再將程序傳輸?shù)綌?shù)控車床中。相對于常見螺紋固定的編程指令和簡單的加工方式而言,異形螺紋的編程和加工較為復(fù)雜。無論使用哪種編程指令和編程方式,只有刀具的形狀符合螺紋的牙型,才能加工出合格的螺紋。異形螺紋作為考查難點(diǎn),比賽題目會盡量避免參賽選手賽前準(zhǔn)備成形刀具,編程時采用固定指令直進(jìn)法車削,而使用數(shù)控車編程軟件也很難自動生成異形螺紋的加工程序,因此很多選手會感到束手無策,無從下手。本文依據(jù)試驗結(jié)果,結(jié)合實(shí)物,以凹圓弧異形螺紋為例,根據(jù)圖紙建立數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用高等數(shù)學(xué)中微積分的思想,使用常規(guī)刀具,在FANUC Series 0i Mate—TC數(shù)控系統(tǒng)下,采用宏程序的變量編程、邏輯運(yùn)算和條件轉(zhuǎn)移,套用固定指令的方法,從多個角度編寫凹圓弧異形螺紋的加工程序。

        二、試驗設(shè)備、工量刃具和材料

        試驗使用的設(shè)備是沈陽第一機(jī)床廠生產(chǎn)的CAK4085di數(shù)控車床,配置的是FANUC Series 0i Mate—TC系統(tǒng)。工量刃具有:主偏角93°刀尖角35°的右偏外圓刀、主偏角72.5°刀尖角35°的中置外圓刀、游標(biāo)卡尺、千分尺、卡盤扳手、刀架扳手、加力桿等。試驗材料是45#圓鋼,直徑50mm。

        三、分層車削法加工凹圓弧螺紋

        (一)加工圖紙

        如圖1所示,零件的主要尺寸為:圓弧螺紋外徑40,長度40,圓弧半徑R2,牙深1,螺距P=6。

        (二)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

        零件的外圓可以用右偏外圓刀車削,包括螺紋的外徑部分,可以直接控制到40,圓弧螺紋可以使用中置外圓刀車削,單獨(dú)取出一個螺紋牙進(jìn)行分析,如圖2所示。要完成車削,只需使用刀尖將螺紋牙中的材料去除即可,也就是讓刀尖的軌跡布滿螺紋牙中的空隙,利用高等數(shù)學(xué)中微積分的思想,將空隙分為若干層,刀具在每層所占的點(diǎn)位連成一條直線,相鄰兩層之間的距離足夠小,這樣刀尖所占的所有點(diǎn)即是空隙中的材料。宏觀上再結(jié)合固定指令G92進(jìn)行車削,即可完成凹圓弧螺紋的加工。

        刀尖所在深度不同,每層左右兩端的極限位置也就不同,可以構(gòu)造直角三角形,利用三角函數(shù)算出極限位置的坐標(biāo)。

        (三)編寫螺紋程序

        O3;(程序名)

        G00 G40 G97 G99;(程序初始化)

        M03 S400 T0303;(確認(rèn)主軸轉(zhuǎn)速和刀位)

        G00 X45.0 Z10.0;(定位循環(huán)起始點(diǎn))

        #1=1.0;(根據(jù)圖紙定義螺紋單邊牙深變量初始值)

        N1 #1=#1-0.1;(每次分層切深0.1,即前面所說的相鄰兩層之間的距離)

        #2=SQRT[2.0*2.0-[2.0-#1]*[2.0-#1]];(根據(jù)構(gòu)造的直角三角形,利用勾股定理計算出每層Z方向開始切削的極限位置)

        #3=#2;(定義每層從極限位置開始切削)

        N3 #3=#3-0.1;(每次Z方向進(jìn)刀0.1,即同一層刀尖軌跡相鄰兩點(diǎn)之間的距離)

        G00 X45.0 Z[#3+10.0];(根據(jù)變量定位每一刀的切削循環(huán)起始點(diǎn))

        G92 X[38.0+2.0*#1] Z-40.0 F6.0;(螺紋底徑38,根據(jù)牙深變量計算每層X方向直徑值,利用G92循環(huán)指令車削螺紋)

        IF [#3 GT -#2] GOTO 3;(建立邏輯判斷語句,完成一層的循環(huán)車削)

        IF [#1 GT 0.1] GOTO 1;(建立邏輯判斷語句,完成所有層的循環(huán)車削)

        G00 X100.0 Z100.0;(返回?fù)Q刀點(diǎn))

        M30;(程序結(jié)束)

        注:最后一層放棄不車,不能將程序?qū)懗蒊F [#1 GT 0] GOTO 1;如果車,機(jī)床會報警“引數(shù)指定錯誤”,原因是#2與#3的邏輯關(guān)系會計算錯誤,當(dāng)車削到最后一層時,根據(jù)勾股定理計算出#2=0,此時#3是不能存在于#2和-#2之間的,即當(dāng)#2=0時,不能滿足-#2<#3<#2。

        四、極坐標(biāo)仿形車削法加工凹圓弧螺紋

        (一)加工圖紙

        圖紙同圖1加工圖紙

        (二)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

        零件的整體加工思路與圖2大致相同,同樣用到高等數(shù)學(xué)中微積分的思想,都是讓刀尖的軌跡布滿螺紋牙中的空隙,只是在去除螺紋牙中的材料時,刀尖的軌跡組成的線路與圖2有所不同。圖2的是分層直線,而此方法是根據(jù)圓弧的形狀組成仿形線路,如圖所示。

        刀尖在圓弧上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過在極坐標(biāo)下構(gòu)造直角三角形,利用三角函數(shù)表示。以最后車削的圓弧軌跡為例,以圓弧圓心為極坐標(biāo)系原點(diǎn),車削起始點(diǎn)的坐標(biāo)可以用∠α表示,即起始角,終止點(diǎn)的坐標(biāo)用∠β表示,即終止角(為編程方便∠α和∠β都是負(fù)值),也就是說刀尖軌跡組成的圓弧是從∠α到∠β,起始角和終止角之間的任意角可以用三角函數(shù)代入變量表示,而其他軌跡圓弧上的對應(yīng)點(diǎn)可以在此基礎(chǔ)上加一個深度變量即可表示。

        (三)編寫螺紋程序

        O4;(程序名)

        G00 G40 G97 G99;(程序初始化)

        M03 S400 T0303;(確認(rèn)主軸轉(zhuǎn)速和刀位)

        G00 X45.0 Z10.0;(定位循環(huán)起始點(diǎn))

        #1=1.0;(根據(jù)圖紙定義螺紋單邊牙深變量初始值)

        N1 #1=#1-0.2;(每次仿形進(jìn)刀0.2,即相鄰兩條圓弧線之間的距離)

        #2=-ASIN[1/2] ;(圓弧起點(diǎn)相對圓弧圓心的初始角,用負(fù)值表示,即圖中的∠α)

        N2 #2=#2-1.0;(極坐標(biāo)下每次角度變化量1°)

        G00 X45.0 Z[2.0*COS[#2]+10.0];(根據(jù)角度和圓弧半徑,計算定位每一刀Z方向的切削循環(huán)起始點(diǎn))

        G92 X[42.0-2.0*ABS[2.0*SIN[#2]]+2.0*#1] Z-40.0 F6.0;(圓弧圓心位置42,根據(jù)角度、圓弧半徑和牙深變量計算每條仿形軌跡X方向直徑值,利用G92循環(huán)指令車削螺紋)

        IF [#2 GT [ASIN[1/2]-180.0]]GOTO 2;(建立邏輯判斷語句,完成一條仿形軌跡的循環(huán)車削,用反三角函數(shù)表示圓弧終點(diǎn)相對圓弧圓心的終止角,即∠β)

        IF[#1 GT 0]GOTO 1;(建立邏輯判斷語句,完成所有仿形軌跡的循環(huán)車削)

        G00 X100.0 Z100.0;(返回?fù)Q刀點(diǎn))

        M30;(程序結(jié)束)

        注:因為角度變量是在負(fù)值范圍內(nèi)變化,而所有的長度都是正值,所以根據(jù)角度利用三角函數(shù)計算出的長度,如果是負(fù)值,之前應(yīng)該加絕對值符號“ABS”,如程序中的G92一段指令。

        五、直角坐標(biāo)仿形車削法加工凹圓弧螺紋

        (一)加工圖紙

        圖紙同圖1加工圖紙

        (二)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

        零件的整體加工思路與圖3相同,唯一不同的是刀尖軌跡組成的仿形線路不再用極坐標(biāo)下的角度變量表示,而用直角坐標(biāo)下的長度變量表示,計算方法不再用三角函數(shù),而用勾股定理,如圖所示。

        以最后車削的圓弧軌跡為例,以圓弧圓心為直角坐標(biāo)系原點(diǎn),構(gòu)造直角三角形,車削起始點(diǎn)的坐標(biāo)可以用SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]表示,終止點(diǎn)的坐標(biāo)用-SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]表示,起始點(diǎn)和終止點(diǎn)之間的任意一點(diǎn)的坐標(biāo)可以利用勾股定理代入變量表示,其他軌跡圓弧上的對應(yīng)點(diǎn)可以在此基礎(chǔ)上加一個深度變量即可表示。

        (三)編寫螺紋程序

        O5;(程序名)

        G00 G40 G97 G99;(程序初始化)

        M03 S400 T0303;(確認(rèn)主軸轉(zhuǎn)速和刀位)

        G00 X45.0 Z10.0;(定位循環(huán)起始點(diǎn))

        #1=1.0;(根據(jù)圖紙定義螺紋單邊牙深變量初始值)

        N1 #1=#1-0.2;(每次仿形進(jìn)刀0.2,即相鄰兩條圓弧線之間的距離)

        #2=SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0];(車削起始點(diǎn)Z方向初始值)

        N2 #2=#2-0.1;(直角坐標(biāo)下每次Z方向長度變化量0.1)

        #3=SQRT[2.0*2.0-#2*#2];(代入變量,利用勾股定理表示任意一點(diǎn)X方向的長度)

        G00 X45.0 Z[#2+10.0];(根據(jù)變量定位每一刀的切削循環(huán)起始點(diǎn))

        G92 X[42.0-2.0*#3+2.0*#1]Z-40.0 F6.0;(圓弧圓心位置42,根據(jù)牙深變量計算每條仿形軌跡X方向直徑值,利用G92循環(huán)指令車削螺紋)

        IF [#2 GT -SQRT[2.0*2.0-1.0*1.0]]GOTO 2;(建立邏輯判斷語句,完成一條仿形軌跡的循環(huán)車削,利用勾股定理表示終止點(diǎn)Z方向坐標(biāo))

        IF [#1 GT 0]GOTO 1;(建立邏輯判斷語句,完成所有仿形軌跡的循環(huán)車削)

        G00 X100.0 Z100.0;(返回?fù)Q刀點(diǎn))

        M30;(程序結(jié)束)

        六、結(jié)束語

        本文探索出三種車削凹圓弧異形螺紋的宏程序編程方法,在4.3和5.3的程序中的深度變量也可在操作機(jī)床時,通過改變刀補(bǔ)來替代,分層車削的變化量一定要能整除牙深量。在實(shí)際加工時,可根據(jù)機(jī)床性能、刀具強(qiáng)度、工件剛性等適當(dāng)調(diào)整切削參數(shù),以減少空行程,提高切削效率。利用宏程序車削異形螺紋,是通過點(diǎn)的密集構(gòu)成螺紋的輪廓線,此方法車削的螺紋表面粗糙度較差,如何提高表面質(zhì)量,還有待于今后進(jìn)一步試驗和研究。

        參考文獻(xiàn):

        [1]沈春根,徐曉翔,劉義.數(shù)控車宏程序編程實(shí)例精講[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

        [2]張運(yùn)強(qiáng),穆瑞.FANUC數(shù)控系統(tǒng)宏程序編程方法、技巧與實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

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