基于螺纹铣削数控宏程序的优化设计
2012-07-03万海鑫张宣升
杨 辉，万海鑫，张宣升，韩 江
（1.阜阳职业技术学院，阜阳 236031；2.合肥工业大学，合肥 230009）
0 引言
随着数控机床被广泛应用，CAD／CAM软件编程越来越广泛，手工编程仅局限于简单的零件。在数控机床螺纹的铣削加工时，采用自动编程是无法完成，但利用“宏程序”手工编程有其独特的效果。如果采用G84刚性攻丝是远远不能满足高精度、大公称直径的螺纹的要求，且手工编程有利于精度的调整。数控机床具有的宏程序功能，远远没有被用户掌握和使用。如果能熟练掌握数控加工和系统原理，对用户宏程序进行优化，不仅数控加工程序简单，加工时间短，且精度更易控制，数控技术人员更应该熟练掌握和应用好“宏程序”。
1 数控用户宏程序原理
1.1 螺纹的加工方法
1）螺纹的车削加工
在数控车床上加工螺纹，在位置控制、速度控制和精度控制能得到很好的保证，但是只用于回转体和易装夹、易找正的工件。其他箱体等难以装夹，难以找正的不规则工件，就不能保证螺纹加工的有效性。
2）刚性攻丝
在数控铣床上采用的刚性攻丝，只能对一些公称直径较小的螺纹，精度要求不高的螺纹，且是标准螺纹。其精度等级受到丝锥或板牙的限制，且尺寸也有一定的局限性，否则机床的力矩和刀具装夹都不能满足要求。
3）螺纹的铣削加工
螺纹的铣削加工具有的优点：
（1）大型零件上的螺纹加工,在加工好螺纹底孔后不用搬移的零件；
（2）非回转体且难装夹和找正的零件上的螺纹；
（3）非标准的螺纹加工，没有相对应的丝锥或板牙，螺纹铣刀都可以刃磨和修正；
（4）新产品试制时没有相应的丝锥或板牙，并且在试制过程中需要不断的更改，螺纹铣削能满足更改的要求；
（5）高精度螺纹只能应用铣削的方法，通过各种补偿，能满足高精度要求。
1.2 数控铣削螺纹实现原理
1）螺纹牙型
无论是英制螺纹，还是公制螺纹，单刃螺纹铣刀加工内螺纹的螺纹牙型，如图1所示。
2）螺纹的一个螺距铣削编程
图1 螺纹牙型形成图
图2 圆弧刀位点轨迹
按照数控铣床加工圆弧的原理，其插补指令用G17 G02 X_ Y_I_J_Z_F_；走刀轨迹如图2所示。
螺纹的单个螺距铣削编程采用单个圆弧走刀程序G17 G02 X_Y_I_J_Z_F_；走刀轨迹如图3所示。
图3 单个螺距刀位点轨迹
3）螺纹的多个螺距铣削编程
多个螺距铣削螺纹编程时，可以把完整的单个螺纹，每加工一个螺纹作为一次循环，在加工中只需判断铣削螺距的深度是否达到要求。通过改变螺纹螺距的数量，按螺距个数设置为变量。
G17 G02 I_ J_ ZB2 F_；
G17 G02 I_ J_ ZB1 F_；
G17 G02 I_ J_ ZBn F_；走刀轨迹如图4所示。
图4 多个螺距刀位点轨迹
4）程序流程图，如图5所示。
采用宏程序编程时，按其加工工艺路线确定其流程图，根据流程图实施程序的编制。
图5 螺纹程序流程图
1.3 用参数化编制编程
1）多个螺距的参数模型
根据螺纹的加工原理，实现多个螺距的螺纹加工，其参数模型如图6所示。
图6 多螺距螺纹模型分析图
2）循环语句程序
程序 变量含义…WHILE [#8 GT #2] DO1；#2为螺纹终点Z坐标，判断螺纹铣削深度是否到位，即条件不满足则退出循环体；#8 = #8 - #11； #11为加工螺纹的螺距H，计算螺距的个数，确定螺纹深度；G17 G02 I_ J_ Z#8 F_； #8螺纹加工Z坐标，螺旋铣削螺纹。END 1；…
3）多螺距的参数化编程
程序 注释…#3为刀具回转半径#5=#1 - #3；G00 X#5；Z[#8+1.0]；G01 Z#8 F_；WHILE [#8 GT #2] D1；#8 = #8 - #11；G17 G02 I-#5 Z#8 F_；END 1；GO1 X[#5-3.0]；GOO Z30.0；…
1.4 铣削螺纹的粗、精加工
1）螺纹零件的加工工艺要求：粗加工和精加工。参数与工艺如图7所示。
图7 铣削螺纹的粗、精加工
2）螺纹零件的加工粗加工、精加工程序
2 数控用户宏程序螺纹铣削加工
加工如图8所示内螺纹,毛坯初孔:Φ39，毛坯为110mm×110mm×18mm合金铝材,底孔(小径)为 Φ40.3760+0.3，加工设备是KVC-1050A加工中心，采用平口钳装夹。
2.1 加工工艺分析
1）零件图分析
如图8所示，要在一工件材质为合金铝，
毛坯尺寸为110mm×110mm×18mm上加工图示的螺纹，
精度等级为6H，螺距为1.5mm。
图8 内螺纹零件图
图9 坐标系与基准选择
2）编程思路
此零件加工的内容为内螺纹，可以将铣螺纹分为多个螺距铣螺纹的组合。每加工一个螺距作为一次循环，在加工中只需判断螺距的深度是否达到要求。如图4所示，为刀具刀位点运动的轨迹， 根据精度要求分成几个点，当刀具到达A点后，进行X-Y面的整圆加工，再到下一点后，再进行整圆加工，直到B点完成整圆加工即可，如果精度达不到要求，可以再细分。坐标设计与基准设计如图9所示。
（1）参数设定说明
#1 42.0 螺纹公称直径；
#8 1.0 螺纹起点Z坐标值；
#2 -20.0 螺纹终点Z坐标值；
#3 13.5 刀具回转半径。
（2）刀具的选择
选择镗孔刀、倒角刀和螺纹刀具，
刀具编号如为：
T15— 45°倒角刀；
T16—镗刀；
T17—单刃螺纹铣刀，回转半径13.5mm，螺纹刀的刀具系统如图10 所示。
图10 螺纹刀具系统图
（3) 加工工艺步骤
按照数控加工工艺安排加工路线，采用倒45°角—T15号刀；
毛坯初孔加工到Φ39，镗孔小径为Φ40.3760+0.3—T16号刀；
铣削螺纹—T17号刀(分三次加工：粗加工、半精加工、精加工)。
（4）加工工艺参数
单边加工余量=(42-40.376)/2=0.812，按三次加工分配加工余量，具体余量的分配为：第一次加工余量为0.512，粗加工；第二次加工余量为0.20，半精加工；第三次加工余量为0.10，精加工。
2.2 螺纹铣削加工程序的优化
1）螺纹零件的加工主程序：（FANUC系统）O0001; （主程序号）
N2 G17 G21 G40 G49 G80; （取消各种补偿）
N4 T15 M06; （换45°倒角刀）
N6 MO1;
N8 G00 G90 G54 G43 Z100.0 H15 ；（设 置 长度补偿）
N10 X0 Y0 M03 S300；
N12 G98 G81 X0 Y0 Z-1.5 R5.0 F60; （倒45°角）
N14 G00 G80 Z100.0;
N16 M05;
N18 M01;
:
N20 T16 M06; （换镗刀）
N22 M01;
N24 G00 G90 G54 G43 Z100.0 H16;
N26 X0 Y0 M03 S600;
N28 G98 G76 X0 Y0 Z-20.0 Q0.3 R5.0 F60; （镗孔）
N30 G00 G80 Z100.0;
N32 M05;
N34 M01;
:
N36 T17 M06; （换螺纹铣刀T17）
N38 M01; （选择暂停，调整刀尖方向）
N40 M03 S1600; （主轴旋转）
N42 G00 G54 G90 G43 Z100.0 H17; （选择长度补偿，铣刀到安全平面）
N44 X0 Y0; （刀位点运动到螺孔中心）
N46 Z30.0; （刀位点定位于安全高度）
N48 G65 P2012 A20.7 B-20.0 C13.5 E1.0 H1.5;(调用宏程序，粗加工)
N50 G65 P2012 A20.9 B-20.0 C13.5 E1.0 H1.5;(调用宏程序，半精加工)
N52 G65 P2012 A21.0 B-20.0 C13.5 E1.0 H1.5;(调用宏程序，精加工)
N54 M30; （程序结束）
%
2）螺纹零件的加工宏程序
O2012；（宏程序号）
N2 #5= #1-#3；（设置吃刀深度）
N4 G00 X#5；（刀位点运动到螺纹加工位置）
N6 Z[#8+1.0]；（快速下刀至螺纹起始点上方1mm）
N8 G01 Z#8 F200；（切削进给到螺纹起始点）
N10 WHILE [#8 GT #2] DO1；（执行循环语句）
N12 #8=#8-#11； （增加螺距）
N14 G02 I-#5 Z#8 F400；（螺纹加工）
N16 END 1； （循环结束）
N18 G01 X[#5-3.0]；（刀具回退，防止刮伤已加工螺纹）
N20 G00 Z30.0 ；（抬刀）
N22 M99；（子程序结束，返回主程序）
%
2.3 螺纹零件加工参数与效果
按加工余量设置参数的变量，完成粗加工、半精加工和精加工。参数与效果图如图11～图13所示。
3 结论
图11 粗加工效果图
图12 半精加工效果图图
图13 螺纹精加工效果图
依据数控加工原理，对原有程序进行参数化优化设计，即可通过不同的赋值加工形状相同而尺寸不同的螺纹，也可在此基础上作相应更改，加工外螺纹、内外圆角铣削等。宏程序编程中最为关键的问题是变量的选择，变量间的相互关系。找出加工对象结构的规律性，恰当选择变量，选择合理参数，可以很方便的通过函数、表达式对刀具轨迹进行描述，实现循环进给，即对宏程序的合理优化。
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