数控车曲面螺纹的加工方法

【摘要】数控车技能竞赛日趋激烈，异形螺纹是大赛新的考点和难点，本文以椭圆面上车圆弧螺纹为例探讨非圆曲面和螺纹的编程，加工和比赛是的技巧，通过FANUC系统数控机床加工，验证和分析程序的可行性，解决生产加工难题。

【关键词】宏程序；非圆曲线；椭圆；圆弧螺纹；步距；坐标系

1.前言

非圆曲面（如椭圆，双曲线，抛物线等）螺纹工件可用于紧固工件或装饰工艺品，现有数控系统没有现成曲面螺纹循环指令，这时可用宏程序手工编程方式实现，简单高效，可扩大机床的加工范围。

本文以如图1所示工件为例，介绍FANUC系统宏程序的编程，探讨非圆曲面螺纹的加工方法。已知椭圆的长半轴a=50，短半轴b=20，方程式：小圆直径为5，深度为1，槽底直径24，宽10，螺距6。

2.编程思路

非圆曲线的加工很容易，关键是螺纹。曲面螺纹的加工是刀具沿着曲面路径加工而成。当刀具的切削起点有规律的变化，每次还沿着曲线的轨迹车螺纹，就形成了曲面异形螺纹。本例椭圆曲面圆弧螺纹的切削起点有规律的变化（沿着R2.5小圆的圆周作等步距的变化），每次螺纹还都走椭圆曲线，最终形成椭圆面上圆弧螺纹，所以编程的关键是小圆的圆心坐标系与椭圆坐标系叠加起来找到与工件坐标系的关系，再计算出小圆圆心角的变化范围和椭圆曲线的变化范围，问题就迎刃而解了。

3.圆弧螺纹的切削加工

3.1 刀具的选择

该螺纹如果使用Φ5的圆弧刀，圆弧刀要磨出一定的螺旋升角，防止刀具的后刀面与工件发生干涉。螺纹到达底部时切削刃与工件接触过多，容易引起振动，切削高强度材料时容易崩刀。若使用93?尖刀，排屑比较容易，加工牙型表面质量比较好，但螺纹曲面要平缓，牙型深度不宜过深.防止刀具与工件发生干涉。

3.2 螺纹切削用量的选择

螺纹切削时，在考虑刀具的寿命的同时要保证螺纹质量和最佳切削速度，合理的走刀次数和进刀量对螺纹的质量有决定性的影响，圆弧刀转速取200r/min（转速公式N≦1200/P-K），尖刀转速可以高一些300r/min，切削深度不宜过大，进给速度为一个螺距F=6，当然转速和吃刀量还要根据机床的刚性，刀具的强度和切削材料的强度等具体情况而定。

3.3 螺纹的切削指令选择

FANUC系统螺纹的加工指令有G32，G92，G76，G35/G36，但对于非圆曲面螺纹的加工，数控车系统没有现成的螺纹加工指令，只有利用G32指令结合非圆曲线轮廓宏程序加工。G32螺纹切削指令格式为：

G32X（U）_Z（W）_F_X（U），Z（W）为螺纹切削的终点坐标值，F为导程

3.4 编程加工方法

方法一，使用尖刀加工圆弧螺纹。

（1）螺纹行程的确定

在数控加工螺纹时，由于车床伺服系统本身有滞后性，在螺纹的起始段和停止段发生螺距不规则现象，也就是车螺纹时起始时有一个加速过程，结束时有一个减速过程，所以车螺纹时设置导入量和到处量。如上图将螺纹进，退刀点偏移工件一个螺距。

（2）小圆圆心角和椭圆起始，终止角的变化范围

通过绘图软件CAD可以方便标出小圆1圆心坐标O2（24.0，19.02），小圆1到9起始和终止角度的变化范围在[25，155]之间，（比赛的时候不需要标出小圆的起始和终止角，直接取[0，180]）.椭圆曲线的起始角α和终止角β为：α=arccos（24/51.5）=62.2°β=180-α=117.7°

（3）坐标系的叠加

工件坐标系，椭圆坐标系和小圆坐标系的坐标原点分别为O，O1和O2（如图2所示）任意切削点A的确定，在小圆坐标系下圆的参数方程和在椭圆坐标系下椭圆的方程分别为：

以上程序阴影部分椭圆曲线的程序也可以用椭圆的标准方程编写，值得注意的是椭圆的标准方程和参数方程编程时，由于逼近椭圆曲线的方式不同的，为了减少螺纹的误差，椭圆曲线和螺纹的编程方法要统一。椭圆曲线加工精度与步距有关，步距越小，椭圆的精度越高。

方法二，使用成型刀加工圆弧螺纹。

（1）宏程序的调用

功能：当指定G65时，调用以地址P指定的用户宏程序，数据（自变量）能传递到用户宏程序中。

格式：G65P（p）L（I） （自变量赋值）

（p）要调用的程序号

（I）重复次数（省略时默认为1）

（自变量赋值）：传递到宏程序的数据

（2）吃刀量和刀具轨迹

由于使用圆弧刀车螺纹时，越靠近底部吃刀刃越宽，切削力越大，也容易振动，根据机床，刀具的具体情况分配吃刀量，第一刀量可以多一点，最后一刀量少点，刀具的轨迹如图4所示（O1为螺纹切削起点，圆弧刀对刀时Z方向必须是圆弧刀的中心）。

上面程序也可使用单一循环修改刀补值的方法来实现，在机床的摩号中修改每一刀切削深度值，其程序省略。

4.加工方法比较和分析

从以上的加工方法看，使用尖刀编程繁琐，但加工表面质量更好，必须注意的是牙型深度不宜过大否则刀具与工件发生干涉。使用直径为5MM的成型刀使用单一循环修改刀补值的方法编程非常简单，在技能比赛中非常实用，但有一定的局限性，有时没有牙型形状的刀子。当牙型深度过大甚至大于于小圆半径时，必须选择小于小圆半径的圆弧刀，采用尖刀的编程方法，将上述方法结合起来就可以了。

5.结束语

笔者巧用非圆曲线轮廓宏程序结合G32螺纹切削指令的方法，解决了曲面螺纹编程问题，只要改变变量赋值，曲线方程或成型刀的形状，就能适应同类零件非圆曲面螺纹的编程与加工，在生产中有着实际意义。

参考文献

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[2]周维泉，数控车铣宏程序的开发和应用[M].机械工业出版社，2012：3-5.

[3]王金泉，黄伟斌，马勇.数控车床综合实训[M].中国轻工业出版社，2008：146-175.

作者简介：闫申（1985—），男，数控车技师，主要从事机车齿轮数控车床编程调试。