蓋立武，劉 斌，顧 星，郭彩芬

(1.蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104; 2.江蘇省吳中中等專業(yè)學校 電氣工程系，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

變距螺紋是相鄰螺距不等的螺紋，常用的變距螺紋分為等槽寬變齒寬變距螺紋、等齒寬變槽寬變距螺紋、變槽寬變齒寬變距螺紋三種情況。其共同點是螺距按一定規(guī)律逐漸變化，然后再相應地進行齒寬或槽寬的變化就會得到不同種類的變距螺紋。

變距螺桿是食品包裝機、注塑機、冷凍機、壓縮機等設(shè)備的關(guān)鍵零件，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，變距螺桿加工質(zhì)量的好壞直接決定著這些設(shè)備的性能。但變距螺桿編程和加工都較困難，制約了其應用[1-3]。

目前螺桿加工的編程方法主要有手工編程和自動編程。常用手工編程的數(shù)控指令代碼主要針對的是定螺距的螺桿，不能實現(xiàn)對復雜變距螺桿的編程。高端的 CAD/CAM 自動編程軟件雖然能完成采用銑削的方法對變距螺桿的自動編程，但是不能完成采用成型刀具通過車削方法的自動編程，而車削加工螺桿不僅效率高，螺桿的表面質(zhì)量也較采用銑削加工的螺桿好，因此在實際生產(chǎn)中很多型號的變距螺桿是采用車削的加工方法完成的。本文以等齒寬變槽寬變距螺桿為例，采用數(shù)控機床的宏程序功能對變距螺桿進行通用宏程序設(shè)計，然后在普通數(shù)控車床上進行加工，可以經(jīng)濟、高質(zhì)量地加工出變距螺桿。

1 車削工藝方案設(shè)計

1.1 工藝分析

某等齒寬變槽寬變距螺桿的零件圖如圖1所示，牙型角為30°的梯形，材質(zhì)為45鋼，零件的大徑為Φ38 mm，小徑為Φ32 mm，起始螺距為6 mm，螺紋的每轉(zhuǎn)增量ΔP為1 mm，螺桿總長為300 mm。從零件圖上可以看出其長徑比比較大，屬于細長軸的加工，為了減少螺桿的變形采用一夾一頂?shù)难b夾方式；螺紋的牙型深度較大，且槽寬是逐漸變化的，走刀路線復雜，采用通用數(shù)控指令進行編程較為困難。

圖1 等齒寬變槽寬變距螺桿零件圖

1.2 刀具選擇

變距螺桿的表面質(zhì)量要求較高，加工余量也較多，因此，粗加工選擇刀具時主要考慮刀具的耐用度和減少切削力的因素，精加工選擇刀具時主要考慮保證螺桿的牙型精度和工件的表面質(zhì)量。為此粗加工刀具的材質(zhì)選擇YT15硬質(zhì)合金，刀尖角選擇28°～29°，前角選擇10°～12°，主后角選擇5°～6°，副后角選擇6°～8°，刀尖寬度為1/3螺距，如圖2(a)所示。精加工刀具的材質(zhì)選擇W18Gr4V高速鋼，刀尖角選擇30°，前角選擇0°，主后角選擇15°～16°，副后角選擇6°～8°，刀尖寬度比第一個槽寬小0.5 mm即可，如圖2(b)所示。

圖2 螺紋刀幾何角度

1.3 走刀路線設(shè)計

螺桿的車削方法主要有直進法、斜進法和左右進給法三種，如圖3所示。從刀具所受切削力的大小考慮，直進法加工中刀具所受切削力較大，因此只適合加工螺紋深度較小的螺桿;左右進給法和斜進法在螺桿車削加工中切削力較小，可以應用于變距螺桿的車削加工，但加工變距螺桿的走刀路線復雜，每一段螺距是有規(guī)律增減的，如采用左右進給法，程序設(shè)計將變得非常復雜，給編程工作造成較大的困難，綜合考慮采用斜進法和分層切削的工藝方法對圖1所示的變距螺桿進行加工[4]。

圖3 螺桿車削的走刀路線

1.4 切削用量選取

變距螺桿車削加工中切削力較大，刀具磨損嚴重，為了提高螺桿的加工質(zhì)量和效率，選取切削深度ap、切削寬度ae、主軸轉(zhuǎn)速n建立3因素3水平的正交試驗表，粗加工以刀具耐用度作為評定標準，精加工以表面粗糙度作為評定標準，通過正交試驗得出變距螺桿粗加工時的最優(yōu)方案為ap=0.25 mm、ae=0.21 mm、n=300 r/min；變距螺桿精加工時的最優(yōu)方案為ap=0.15 mm、ae=0.1 mm、n=150 r/min。

2 基于宏程序的變螺距加工編程

在普通的數(shù)控程序中只能指定常量，常量之間不能進行運算，且代碼的功能是固定的，在一些復雜零件的數(shù)控編程中采用普通的數(shù)控代碼進行編程比較困難，甚至實現(xiàn)不了。宏程序是采用變量組合方式形成的加工程序，類似于計算機高級編程語言，可以給變量賦值，變量之間可以靈活地進行算術(shù)和邏輯運算、轉(zhuǎn)移和循環(huán)等控制，變導程螺桿就是利用了宏程序的這種特點來進行編程的[5-7]。

變距螺桿具有牙型深度大、螺紋軌跡復雜等特點,在實際編程時使用宏程序能對切削深度和軸向移動量進行變量賦值，使刀具沿著設(shè)計的走刀路線逐步調(diào)整徑向和軸向的進給深度，實現(xiàn)分層切削和復雜走刀路線，最終加工出等齒寬變槽寬的變距螺桿[8-11]。

3 變距螺桿車削宏程序設(shè)計

3.1 宏程序流程

實際加工中，由于螺紋刀的寬度不會發(fā)生變化，要加工出如圖1所示的等齒寬變槽寬變距螺桿，先采用斜進法加工出和圖1所對應的等槽寬變齒寬變距螺桿，然后改變螺桿加工的起始螺距將多余的材料切除掉，即可加工出等齒寬變槽寬變距螺桿。變距螺桿加工程序設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 變距螺桿加工程序設(shè)計流程

3.2 程序設(shè)計

以 FANUC 0i-TD 系統(tǒng)為例，利用宏程序功能編制的加工如圖1所示變距螺桿的數(shù)控程序如下所示:

o0123;

T0101 M08;

G97 G99 S300 M03;

#101=6.0;(零件上螺紋的起始螺距)

#102=1.0;(螺距每轉(zhuǎn)增量)

#103=#101-#102;(程序中螺紋的起始螺距)

#104=38.0;(車削直徑，初值為螺紋大徑)

#105=32.0;(螺紋小徑)

#106=160;(Z向移動刀具對螺紋進行車削加工的總次數(shù))

N100 #104=#104-0.2;(車削直徑依次遞減0.2)

IF[#104LT#105]GOTO 200;(如果車削直徑小于螺紋小徑，結(jié)束循環(huán))

#107=[#104/2-#105/2]*TAN[15];(計算刀具加工起點相對位移量)

G00 Z[#103+#107];(Z向定位)

G00 X#104;(X向進刀)

G34 Z-225.0 F#103 K#102;(車削變距螺紋)

G00 X45.0;(X向退刀)

GOTO 100;(跳轉(zhuǎn)到程序段100)

N200 #102=#102+1.0/#106;(計算螺距每轉(zhuǎn)增量)

IF[#102 GT2.0]GOTO 300;(如果程序中螺距每轉(zhuǎn)增量大于2.0，結(jié)束循環(huán))

G00 Z#103;(Z向定位)

G00 X#105;(X向進刀)

G34 Z-225.0 F#103 K#102;(車削變距螺紋)

G00 X45.0;(X向退刀)

GOTO 200;(跳轉(zhuǎn)到程序段200)

N300 G28 U0 W0;(返回參考點)

M05;(主軸停轉(zhuǎn))

M09;(冷卻液關(guān))

M30;(程序結(jié)束，光標返回程序起點)

4 實驗及結(jié)論

采用上述的工藝方案及宏程序?qū)D1所示的變距螺桿在沈陽第一機床廠生產(chǎn)的Viva Turn 2C/500數(shù)控車床上進行了加工，如圖5所示。加工后的螺桿實物如圖6所示。經(jīng)檢測變距螺桿的螺旋面誤差小于0.04 mm,其精度完全滿足實際使用要求。

圖5 變距螺桿在機床上加工

圖6 變距螺桿加工后的實物

本文對等齒寬變槽寬變距螺桿運用宏程序功能編制的加工程序，實現(xiàn)了分層切削和復雜走刀路線的工藝設(shè)計，有效地減少了車削加工中的切削力，提高了螺桿的加工質(zhì)量。通過修改宏程序模板中螺紋參數(shù)的變量值，可以適應不同尺寸規(guī)格變距螺桿的柔性加工。