圓弧螺紋精加工程序靜態(tài)刀路分析

劉文寬，閆濤，阮玉瑭，楊禮朝

（浙江大豐實(shí)業(yè)股份有限公司，浙江 寧波 315400）

0 引言

數(shù)控車床加工大螺距圓弧螺紋的程序一般采取宏程序或是編程軟件進(jìn)行編制，宏程序編制時(shí)將螺紋所有尺寸及計(jì)算中所涉及到的邏輯關(guān)系設(shè)置成變量，若尺寸參數(shù)發(fā)生變化，只需將參數(shù)的數(shù)值直接修改進(jìn)行應(yīng)用，操作簡單、安全可靠。軟件編程時(shí)根據(jù)不同類型的軟件有著不同的操作方式和編程刀路，以Mastercam2021 及Caxacam2020兩類編程軟件為例，對(duì)圓弧螺紋編程操作都很簡單，特別是Mastercam2021可以自定義螺紋參數(shù)化輸入，極為便捷。但兩種編程軟件的刀路策略完全不同，文中以舞臺(tái)工程（北京國際戲院）主舞臺(tái)升降部位的卷筒組件為案例零件，分別以宏程序、Mastercam2021、Caxacam2020對(duì)其進(jìn)行圓弧螺紋精加工程序編制及執(zhí)行程序的靜態(tài)刀路分析。

圖1 卷筒組件

零件圓弧螺紋的基本參數(shù)如圖1所示，R1部位使用成型倒角車刀加工非常方便，所以文中僅對(duì)R12圓弧螺紋部分進(jìn)行精加工編程，設(shè)置的參數(shù)盡可能相同或是接近，由于案例零件的圓弧螺紋的牙型寬度和螺距較大，車削圓弧螺紋時(shí)切削余量和切削抗力均比較大，為了盡量避免車削熱和車削阻力給加工帶來誤差，以及切削過程中刀具刃口損傷，因此應(yīng)采用低速車削方式。

數(shù)控車床加工螺紋有3種進(jìn)刀方式：側(cè)向式進(jìn)刀、徑向式進(jìn)刀、交替式進(jìn)刀。

側(cè)向進(jìn)刀的切屑更厚，但僅在刀片的一側(cè)產(chǎn)生，傳遞給刀片的熱量少，因此需要較少的走刀，并可用于2個(gè)螺紋面(反向、側(cè)向)以沿最佳方向引導(dǎo)切屑，用于消除振動(dòng)問題；徑向進(jìn)刀時(shí)刀具2個(gè)后刀面磨損均勻，適用于小螺距螺紋，且刀片的刀尖暴露于高溫中，限制了可能的進(jìn)刀深度，大螺距工況下存在振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)且切屑控制差；交替式進(jìn)刀是加工較大螺紋牙型的首選，工作時(shí)切屑被雙向引導(dǎo)，從而使切屑控制變得困難，在加工非常粗的螺紋時(shí)可確保均勻的刀片磨損和最長的刀具壽命，交替式進(jìn)刀可適用任何槽型[1]。案例零件的3種編程方法在進(jìn)刀方式上存有較大差異。

1 宏程序圓弧螺紋編程

宏程序編程的基本思路是考慮在圓柱面上加工圓弧螺紋時(shí)會(huì)形成多個(gè)加工基準(zhǔn)點(diǎn)，相對(duì)每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)在循環(huán)時(shí)螺紋軌跡上的位置是不發(fā)生變化的，改變的只是基準(zhǔn)點(diǎn)偏移后形成軌跡的變化，各基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離為加工所需要的螺距，圍繞基準(zhǔn)點(diǎn)偏移后所運(yùn)行的圓弧軌跡就是所需加工的螺旋線的弧面軌跡，即牙型，也可理解為圍繞基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行X、Z向的偏移。使用R4的圓形車刀，那么刀片圓心的軌跡必在與R12同圓心R8的圓周之上，所以對(duì)于此類零件編程的較好方法是使用參數(shù)方程，以角度作為自變量[2]，計(jì)算出齒形的起始角度和終止角度，角度變量相同則每次的切削量也是相同的，如圖2 所示按照角度自變量每次 2° 計(jì)算，那么R12 圓弧的截面每2°會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰，最大輪廓高度Ry=0.004 mm，此程序經(jīng)過多年生產(chǎn)驗(yàn)證，安全可靠，并可以此為模板修改相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行類似結(jié)構(gòu)不同尺寸圓弧螺紋的加工[3]。按照如圖1尺寸以零件右端螺紋起點(diǎn)中心截面作為編程坐標(biāo)系原點(diǎn)[4]，F(xiàn)ANUC Series Oi Mate-TD數(shù)控系統(tǒng)為例，側(cè)向式進(jìn)刀精加工程序如下：

圖2 宏程序刀路

2 Mastercam2021軟件圓弧螺紋編程

Mastercam2021軟件編程此零件圓弧螺紋部分是極為簡單的。如圖3所示，需畫出一個(gè)圓弧截面，使用自定義螺紋命令設(shè)置參數(shù)，其中步進(jìn)可以理解為相鄰切削刀路刀片圓心或刀尖的距離，如圖4中的CD兩點(diǎn)間的距離，在其軟件設(shè)置中有3個(gè)切削方向供選擇，如果步進(jìn)設(shè)置成0.279 mm，切削方向選擇負(fù)向編程，選取程序中任意相鄰兩刀路，例?。╖-7.406，X646.901）、（Z-7.638，X646.588）兩程序點(diǎn)位進(jìn)行捕獲刀片圓心C、D繪制刀路圖4，步進(jìn)（刀片圓心距）CD=0.279 mm與圖2中宏程序2°為自變量的圓心距AB=0.279 mm數(shù)值完全吻合。所以如使用軟件進(jìn)行圓弧螺紋編程，步進(jìn)可參考角度變量進(jìn)行設(shè)置，此軟件還可以對(duì)部分自定義螺紋進(jìn)行參數(shù)化編程（如圖5）。

圖3 Mastercam2021 編程設(shè)置

圖4 Mastercam2021 程序刀路

3 Caxacam2020軟件圓弧螺紋編程

圖5 Mastercam2021 自定義螺紋

Caxacam2020軟件編程將以宏程序和Mastercam2021的參數(shù)設(shè)置為參照，前兩者對(duì)R12圓弧螺紋精加工程序執(zhí)行車削（180°-16°×2）/2°=74次，Caxacam2020軟件編程模塊中有異型螺紋選項(xiàng)（如圖6），與Mastercam2021部分類似的操作，也是畫出一個(gè)圓弧截面，但其進(jìn)給數(shù)據(jù)是按照徑向方向等距設(shè)置[5]，R12圓弧刀片R4，則精加工進(jìn)刀徑向位移5.667 mm（如圖7），計(jì)算徑向進(jìn)給5.667 ÷74×2=0.153 mm，取0.16 mm，在程序中相鄰刀路的刀片圓心距離，從圓弧螺紋上邊緣到其底部由緩到急發(fā)生變化，接近圓弧底徑時(shí)變化為最大，區(qū)間0.179～1.000 mm，相應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果為接刀痕跡逐漸增大，兩刀路間未去除材料的輪廓高度最大值在圓弧底部Ry=0.052 mm，按此設(shè)置加工的零件是不合格的，所以需要進(jìn)行徑向參數(shù)調(diào)整設(shè)置為0.10 mm，要特別注意此版本軟件暫不支持最后刀路徑向進(jìn)給自動(dòng)調(diào)整，必要時(shí)需要將圓弧截面進(jìn)行X向位移以確定最終加工尺寸。因?yàn)槭穷惐鹊堵贩治觯?.16 mm徑向進(jìn)給選取程序中依次運(yùn)行三點(diǎn)刀路（Z-4.449，X644.338）、（Z-18.507，X644.338）、（Z-4.539，X644.018）捕獲刀片圓心E、F、G繪制刀路（如圖8），從圖中可辨別徑向進(jìn)給0.16 mm，默認(rèn)交替式進(jìn)刀，且不可選。

圖6 Caxacam2020 編程設(shè)置

圖7 Caxacam2020 編程刀位設(shè)置

圖8 Caxacam2020 程序刀路

4 結(jié)語

Mastercam2021及Caxacam2020軟件進(jìn)行案例零件圓弧螺紋精加工工序編程時(shí)，發(fā)現(xiàn)程序初始內(nèi)容有部分無效的刀路，為提升生產(chǎn)效率應(yīng)當(dāng)去除，通過以上3種圓弧螺紋精加工的編程及靜態(tài)刀路分析，可為圓弧螺紋加工提供宏程序參照模板，同時(shí)為不同規(guī)格和精度要求的圓弧螺紋自變量角度設(shè)置、軟件編程步進(jìn)等相關(guān)參數(shù)設(shè)置提供思路和依據(jù)，并且對(duì)于其它異型螺紋使用宏程序編程困難時(shí)，對(duì)選取編程軟件及其使用提供參考。