1、基于宏程序的等牙顶宽变螺距螺杆的数控四轴铣削加工摘要加工大螺距螺杆是一个较为复杂的技术问题，尤其是变螺距螺杆的加工则难度更大。本文介绍了一种使用西门子SINUMERIK 802D系统的四轴数控加工中心，依据较全面的工艺分析及相关数学计算, 编制多重循环的宏程序，采用分层加工法铣削等牙顶宽变螺距螺杆的方法。经实践证明，该方法可行有效,加工精度及效率令人满意。关键词四轴铣削 工艺分析 分层加工法 等牙顶宽 变螺距螺杆 宏程序 引言变螺距螺杆在实际生产中应用并不鲜见，如在塑料、橡胶、造纸等行业使用的挤出设备中，一些变螺距螺杆是其中的关键零部件，它挤出性能优良，吃料情况好且压缩比可变，应用在送料机构上
2、，它可以实现物料送进速度的调整及物料送进位置的改变。又如，在很多饮料罐装机械中，为了在饮料灌装过程中，需要将包装容器定时定距平稳地输送到包装工位，完成一定要求的装置称为定距分隔定时供给装置，这样就可实现依次定距供送容器的目的，其主传动部分就是变螺距螺杆(见图1)。图1 定距定时供给装置的工作原理图此外,变螺距螺杆在航空机械、船舶工业等领域都有相当关键的应用。所以，对于此类螺杆的设计与加工也日益成为机械工程人员需要攻关的课题之一。如图2所示为一用于挤压设备中的挤压螺杆，因此类螺杆螺距大,笔者尝试用车削的方法进行加工,发现加工难度大且不容易保证精度及表面粗糙度，采用立式四轴加工中心铣削则效率可提高
3、很多且表面粗糙度较好；而笔者同时发现对于铣削等牙顶宽的第 页 共11页1螺杆时，使用软件编程反而致使工作量变大（如后置处理方面及多番数学建模）或精度难以保证，相比之下，用宏程编写此类程序则相对简短直观，加工柔性较强。据笔者查阅资料，目前尚无此类加工论文发表，并且有些发表的资料对于等牙顶宽螺杆问题的解决还不够准确，基于此，笔者对这类问题进行略微深入的探讨。正文1、变螺距螺杆简介本文所谓变螺距螺杆是指螺杆上各螺距依次增大一个固定的螺距增量,即各螺距长度呈等差数列分布。此类变螺距螺杆大致分为等槽宽变螺距螺杆(图1)和等牙顶宽变螺距螺杆(见图2)两种，本文将对加工后者的加工工艺方案及编程方法进行详细介
4、绍。图2 等牙顶宽变螺距螺杆3D图2、等牙顶宽变螺距螺杆结构分析图3 等牙顶宽变螺距螺杆主视图2.1 已知此变螺距螺杆为右旋螺杆，材料为45钢，其初始螺距为18(单位为毫米，第 页 共11页2本文未注单位均为毫米),螺距增量为2，螺旋线圈数为6,牙顶宽为3( 介于可能涉及相关商业机密，已对其实际尺寸进行部分修改)，其螺距的排列符合等差数列规律:（） 1()nPK6n其中，为螺旋线圈数 为第圈螺旋线的螺距 为初始螺距 为螺距增1PK量将已知条件代入得最大螺距为: 18(6)28nP螺旋线上任意点至起始点在螺杆轴线方向上的距离为,其符合等差数列前n项和S公式,则：（） 1()2nSPR6n将已知条
5、件代入得螺旋部分轴向总长为: 6(1)18238S2.2 由计算机图形学及解析几何学可知，此螺杆螺旋部分实际是由一梯形截面绕螺旋线做固接导动形成的, 由式结合圆的参数方程得出其螺旋线参数方程为:（）10sin(36)co8xyz 6n此公式可用于编辑公式法绘制曲线，对研究此螺旋类问题大有裨益。图4 在CAXA中该螺杆的螺旋线方程的图形4、加工工艺方案4.1 基本加工方法采用四轴立式加工中心(西门子SINUMERIK 802D系统)进行铣削，通过X轴与A轴的联动控制来实现铣削螺旋槽（即A轴旋转一周，铣刀X向走刀一个螺距），通过X轴与Z轴的联动来实现用分层斜进法进行铣削。第 页 共11页3以粗加工
6、为例,铣削此类螺杆与车削大螺距的梯形螺纹有相近之处，由于径向加工余量较大，应采用径向(即Z向)分层法进行铣削；又因为其最大螺距已达28，为了减小加工时的切削力，保证刀具安全，应在轴向（即X向）分为多刀加工。具体为先预先把加工余量分为若干层(图5中的梯形为螺杆中一个牙槽的总余量),由外至内分层加工（层数可由铣刀背吃刀量确定）,各层加工沿梯形牙槽左侧向下斜进；而每层又分为若干刀进行加工（各刀数由铣床刀侧吃刀量确定-后述）, 使得每刀铣削时的用量基本相同,降低了加工难度。如图5。图5 分层斜进铣削法图解4.2 实现等牙顶宽变螺距螺杆的关键工艺处理（1）结合运用微分方法及等差数列公式的方法，可编辑出铣
7、削变螺距螺旋线的宏程序主体。（2）车削时，由于在螺纹切削的开始及结束部分X轴及Z轴有加减速过程，因此应在实际的螺纹起点与结束点留出螺纹引入长度与引出长度的距离，否则容易造成过切。这时设引入段为一个螺距，引出段设为半个螺距，由于是变螺距螺杆，所以螺纹引入段长度（或称引入段螺距）应取：l 其中 为首螺距 K为螺距增量18216lPK1P而加工时总螺旋圈数为 0.57n（3）分层铣削加工螺纹牙余量时，往往需分数刀进行拓宽。加工等槽宽螺杆时只要经计算平移起刀点,就可实现“拓宽”槽宽的目的,但加工等牙宽变螺距螺杆时则不那么容易实现，因为不可能使铣刀在加工过程中刀具直径“自动变大”，所以只能另辟奚境。如图
8、6a-b，首先，刀具由右至左（即X轴正方向）进给时,我们注意到刀具在某第 页 共11页4层加工的第一刀和最后一刀刀具的极限位置可以看出，其加工时掠过的螺距同样符合等差数列排列，但初始螺距是不同的,在左极限位置即第一刀加工时初始螺距为16,而右极限位置即最后一刀初始螺距为18,相差一个螺距增量2，由此可知: 每层切削时各刀初始螺距介于16至18之间，各刀初始螺距呈等差数列，如螺距增量为2，每层分5刀时，其公差为25=0.4，螺距分别为第一刀16，第二刀16.4，第三刀16.8以此类推； 铣刀各起刀点的X值介于AB之间，如每层分5刀时，仍如初始螺距一样，各起刀点X值仍呈等差数列，公差为AB/5而
9、2*ABPSTANHD其中 P为螺距 D为刀具直径 S为牙顶宽度 为牙型角(图3所示为30度) 为图6-b中所示长度H所以在分层加工时，每层的的走刀要同时修改起刀点及初始螺距才可以，这也是解决车铣此类等牙宽变螺距螺杆问题的关键所在。图6中虚线螺牙是为了明确引入段螺距，实际加工中并不存在。图6-a 分层斜进法各层加工刀具左极限位置（第一刀） 图6-b 分层斜进法各层加工刀具右极限位置（第m刀）第 页 共11页54.3 装夹方法此工件为细长螺杆，为增强其刚性，故采用在第四轴(A轴)上一夹一顶的方法进行装夹。4.4 刀具选择粗加工时，应优先考虑到刀具的硬度和耐磨性，强度和韧性由不足由选择合理的刀具角
10、度和切削用量来弥补，故选用硬质合金YT15四刃平底立铣刀。由已知计算得最小牙底宽为7.64(见图9)，所以刀具直径应小于7.64，可选6平刀；精加工时选择R3球刀精加工螺牙两侧，6平刀精加工牙槽底及清根。 4.5 切削用量的选择粗加工时，由金属切削速查速算手册查得每齿进给量，切削速度0.3zf切削深度为，但考虑到有全径切削的情况及工艺系统刚性较120/mincV1pam差，避免切削时震动，故根据经验降低切削速度及进给量。最终选择 .2zf，则有：5/ic主轴转速 （圆整后为）105102654/in3.CVnrd650/minr进给速度 1mzFf精加工时，经计算，可选择 0/inr30/iF
11、4.6 工艺路线：（1）6平刀开粗，螺牙两侧及底边留余量0.2。由牙高H=10，切削深度，1pa径向分10层(n=10)加工；又由式可知其最大螺距为28，牙顶宽3，经计算得到最大牙底宽为19.64，则粗加工时每层加工至少为4刀，故设定每层分4刀（m=4）加工。（2）R3球刀精加工侧面，6平刀精加工底面及清根，如图7。图中R11与R107均为宏程序中参数而非尺寸。第 页 共11页6图7 精加工示意图5、程序的编辑5.1 加工采用手工编制多重循环的宏程序(西门子SINUMERIK 802D系统)，径向分层为一重循环，轴向走刀为二重循环，变螺距螺旋线为三重循环，所以此程序总共为三重嵌套宏程序。为方便
12、编程可先画程序框图再行编程。如图8。图8 加工程序框图5.2 以O为编程原点，编写宏程序,如图9。第 页 共11页7图9 加工开始时示意图5.2.1 粗加工程序及其简要说明如下：O7502（粗加工程序）G91G28Z0T1 M6 (6平刀)G90G54G00X0Y0A0M3S2650G00X-20.0Z40.R3=40. (螺杆大径) R11=9.8 (螺纹牙高/粗加工余量，牙底留0.2余量)R21=5. (径向加工层数)R23=6. (轴向加工刀数)R18=18 (首螺距)R19=3.4 (牙顶宽，牙两侧各留0.2余量)R20=30. (牙型角)R13=7.5 (螺旋总圈数)R6=2. (螺
13、距增量)R7=6 (铣刀直径)R8=R18-R6 (引入段基本螺距)R17=R8-R19-2*TAN(R20/2)*R11 (引入段螺距槽底宽)R22=R11/R21 (径向每层切削深度h=H/U)R1=1 (径向分层序数n)MAKE2:IF R1R21 GOTOF MARK1 (若R1U层执行循环体1程序)R100=R3/2-R22*R1 (径向分层加工时各层的Z坐标)R106=-R8+R7/2+R22*R1*TAN(R20/2) (径向分层加工时各层起刀点的X坐标)R2=1 (各层轴向走刀序数m)MAKE4:IF R2R23 GOTOF MAKE3 (若R2W刀执行循环体2程序)R105=
14、R11-R22*R1 (中间变量H-h*n)R24=R105*TAN(R20/2)*2+R17-R7 (各层加工时第一刀与最后一刀切削起点右移总量Q)第 页 共11页8R25=R24/(R23-1) (中间变量Q/(W-1)R26=R25*(R2-1) (各层加工时各刀轴向右移量)R101=R106+R26 (各刀切削起点的X坐标)R27=R6/(R23-1) (螺距增量K/(W-1)R28=R8+R27*(R2-1) (各刀初始螺距)G00 X=R101 (刀具X快速定位)G00Z25. (下刀)G01Z=R100 F400 (进刀到切削起点)R4=0 (螺旋圈数)MAKE6:IF R4R1
15、3 GOTOF MAKE5 (若R4M圈执行循环体3程序)R102=R4*360. (螺旋圈数化为所对应的角度)R103=R28*R4+R4*(R4-1)*R6/2+R101 (切削终点的X坐标)G64 G01 X=R103 A=R102 F210 (执行加工)R4=R4+0.02 (螺旋圈数自增)GOTOB MAKE6MAKE5: G00 Z25.0 (抬刀)G00 A0 (A轴回零)R2=R2+1 (刀序数自增)GOTOB MAKE4MAKE3: R1=R1+1 (层序数自增)GOTOB MAKE2MAKE1: G00 Z80.G00X0Y0M5M25.2.2 精加工时，以球刀球心为刀位点
16、进行对刀，程序仍可参照粗加工程序编写，除需修改切削用量之外，还需修改：首末层间Z向距离（如R11） 球刀参与切削的实际X向直径（如R107）径向分层加工时各层的Z坐标（如R100） 各刀切削起点的X坐标（如R101）其中相关参量计算可参照图7。程序中带下划线且字体倾斜的信息字为与粗加工程序的不同之处O7503（精加工程序）G91G28Z0T2 M6 (R3球刀)G90G54G00X0Y0A0M3S5000G00X-20.0Z40.R3=40. (螺杆大径) R11=10. (螺纹牙高)第 页 共11页9R11=R11+R7*SIN(R20/2)/2-R7/2 (分层加工时首末层间Z向距离)R2
17、1=10 (径向加工层数)R23=2 (轴向加工刀数)R18=18 (首螺距)R19=3 (牙顶宽)R20=30. (牙型角)R13=7.5 (螺旋总圈数)R6=2. (螺距增量)R7=6 (铣刀直径)R107=R7*COS(R20/2) (球刀参与切削的实际X向直径)R8=R18-R6 (引入段基本螺距)R17=R8-R19-2*TAN(R20/2)*R11 (引入段螺距槽底宽)R22=R11/R21 (径向每层切削深度h=H/U)R1=1 (径向分层序数n)MAKE2:IF R1R21 GOTOF MARK1 (若R1U层执行循环体1程序)R100=R3/2-R22*R1+R7*SIN(R
18、20/2)/2 (径向分层加工时各层的Z坐标)R106=-R8+R7/2+R22*R1*TAN(R20/2) (径向分层加工时各层起刀点的X坐标)R2=1 (各层轴向走刀序数m)MAKE4:IF R2R23 GOTOF MAKE3 (若R2W刀执行循环体2程序)R105=R11-R22*R1 (中间变量H-h*n)R24=R105*TAN(R20/2)*2+R17-R7 (各层加工时第一刀与最后一刀切削起点右移总量Q)R25=R24/(R23-1) (中间变量Q/(W-1)R26=R25*(R2-1) (各层加工时各刀轴向右移量)R101=R106+R26-(R7-R107)/2 (各刀切削起
19、点的X坐标)R27=R6/(R23-1) (螺距增量K/(W-1)R28=R8+R27*(R2-1) (各刀初始螺距)G00 X=R101 (刀具X快速定位)G00Z25. (下刀)G01Z=R100 F400 (进刀到切削起点)R4=0 (螺旋圈数)MAKE6:IF R4R13 GOTOF MAKE5 (若R4M圈执行循环体3程序)R102=R4*360. (螺旋圈数化为所对应的角度)R103=R28*R4+R4*(R4-1)*R6/2+R101 (切削终点的X坐标)G64 G01 X=R103 A=R102 F350 (执行加工)R4=R4+0.02 (螺旋圈数自增)GOTOB MAKE6
20、MAKE5: G00 Z25.0 (抬刀)G00 A0 (A轴回零)R2=R2+1 (刀序数自增)GOTOB MAKE4MAKE3: R1=R1+1 (层序数自增)第 页 共11页10GOTOB MAKE2MAKE1: G00 Z80.G00X0Y0M5M25.2.3 精加工牙底及清根可参照粗加工程序。(具体程序略)6、实际加工的经验总结与探讨：（1）在实际加工时，与X轴联动的第四轴可能出现断续转动现象（如使用西门子802D系统加工时会出现），使用连续切削指令G64可有效解决这一现象。（2）因四轴加工是工件旋转会产生较大背向顶力，加工中可用两刃铣刀开粗，避免旋转的背向刀顶崩刀具；也可以编程时让
21、刀具在Y向偏移一个刀具半径，但这样会影响加工精度。（3）加工梯形螺纹牙时，可先选择大直径刀开粗到一定直径，后选择小直径刀粗到牙底部，此法可适当提高加工效率。（4）使用此程序虽可顺利完成试切削，但在实际加工中还有很多工艺问题值得进一步探讨和实践。结束语经加工实验过后，发现此法实用可靠，切削用量合理，加工高效。且可推广性较强，通过修改主程序中的螺杆大径，螺纹牙高，牙型角，刀具直径等参数，即可加工各类螺距呈等差数列分布的变螺距梯形牙或矩形牙螺杆，有效解决一般方法加工难的或须采用专用机床及高端机床加工的问题。参考文献1 机械加工工艺手册（软件版） 机械加工工艺手册编委会 机械工业出版社2 SINUMERIK 802D sl操作编程-铣削 西门子公司 2006年10月版3 金属切削速查速算手册 陈宏钧 马素敏 机械工业出版社4 包装机械变螺距螺杆数控铣削自动编程系统研究及设计 王瑛璐等 维普资讯5 基于GSK980TD系统的等牙顶宽变螺距螺杆的数控车加工 张延 机械工程师09年第10期
