宏程序編程在（zài）圓弧螺紋車削加工中的（de）應用

以FANUC係統數控車床後置式刀架為例對（duì）圓弧（hú）螺紋加工方法及宏程序編程進行探討，通過具體示例進行闡述，希望對實際生產和數控大（dà）賽中圓弧螺紋的加工提（tí）供參考。

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序 言

隨著數控技術的高速發展，數控機（jī）床（chuáng）加工（gōng）不再局限於直線、圓（yuán）弧等輪廓的加工（gōng），各種複雜非圓曲線、異形螺旋（xuán）線等輪廓的（de）加工（gōng）日益（yì）增多。近年來，數控技能大賽以考（kǎo）核（hé）選手（shǒu）的計算機編程能力為主，選手要熟練運用CAD/CAM自動編（biān）程軟件完成零件程序的編製，隨著數（shù）控技能大賽的深入發展，競賽內（nèi）容日漸豐富，經常出現CAD/CAM編程軟件難以單獨完（wán）成的題目，旨在考核選（xuǎn）手手工編程的能力（lì）。例如異形螺紋加工，而圓弧螺紋在各類異形螺紋加工中（zhōng）最具有普遍性和代表性。圓弧螺紋是一種在（zài）輪廓表麵（miàn）形成圓弧螺旋線的非標螺紋，在數控車床上比較難加工，但隻要製定（dìng）合理的加（jiā）工工藝（yì）、加工（gōng）方法和加工程序，完全可以在數控車床上完成高精度、高性（xìng）能的（de）圓（yuán）弧螺紋。

CAD/CAM自動（dòng）編程省（shěng）力，但生成的程序（xù）冗長，空刀行程比較多，且非圓曲麵上的圓弧螺（luó）紋用（yòng）CAD/CAM編程軟件根本不能實現。因此隨著（zhe）工件複雜程度不斷增加（jiā），宏程序的（de）手工編製能力顯得（dé）尤為重要。實踐證明，通過螺（luó）紋編程指令G32/G92和宏程序功能的有機結合，可以比較容易地實現圓弧螺紋的（de）加工[1,2]。

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圓弧螺紋的車（chē）削加工工藝分析

2.1加（jiā）工方法

螺紋的加工方法主要有直進法、斜進法、左右切削法、分層法和側向進刀法等。由於圓（yuán）弧螺紋的牙型（xíng）、螺距較大，因此，在螺紋車削（xuē）過程中，背吃（chī）刀量大、走刀快且切削（xuē）阻力大，導致圓弧螺紋車削難度加（jiā）大，容易發（fā）生“爆刀”和“紮刀”現象。為防止此類現象出現，筆者認為采用（yòng）宏程序編程進行“分層法”切削圓弧螺紋可（kě）以（yǐ）有效解決問題。

“分層法”加工圓弧螺紋，實際上就是將螺紋背吃刀量根據實際情況分成若幹層，而且每層的背吃刀量很小，切削力也大大減小，從而有效降低了車削難度。在圓弧螺紋車削過程中，刀具（jù）始終保持隻有一個（gè）側刃參與切（qiē）削，切屑流出順暢，受力和受熱情況得到有效改善[3,4]。

2.2刀具選擇（zé）

圓弧（hú）螺紋加（jiā）工最好選用（yòng）圓弧車刀。因為圓弧車刀圓弧較長，所以，加工時刀痕較均勻，工件表麵質量較好。對於較大螺距螺紋加工，特別需要（yào）考慮機床和刀具的（de）剛性，盡量避免選用與圓弧螺（luó）紋牙型半徑相（xiàng）等的圓弧車刀，否則容易（yì）在加工（gōng）過程中出現“紮（zhā）刀”現象。對於凹半圓的圓弧螺紋，刀具圓角半徑要小於圓弧螺紋牙型（xíng）半徑，為（wéi）考慮刀具（jù）的剛性，刀具圓角半徑也不宜過小（xiǎo）。

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外圓柱麵上（shàng）圓弧螺紋（wén）的加工

3.1 圖樣分析（xī）

如圖（tú）1所示，零件（jiàn）右端外圓柱（zhù）麵的圓弧螺紋分布（bù）在φ34mm的外圓柱麵上，螺紋的牙型為R2.5mm的圓弧，導程為6mm，槽（cáo）深為1.5mm，圓弧螺紋（wén）牙型的中心（xīn）位於φ36mm的外圓上，將編程（chéng）坐（zuò）標係（即工件（jiàn）坐標係）原點定在零件（jiàn）右端麵中心上，螺紋的加工起始位置為Z0mm，終止位置為Z-36mm。

圖1 外圓柱（zhù）麵上的圓弧螺紋

3.2 編（biān）程思路

本例中選用R1.5mm 的圓弧車（chē）刀，由於（yú）圓弧螺紋的半徑為2.5mm，而圓弧車刀的刀位點在（zài）圓心，數控機床的（de）運動軌跡實（shí）際上就是刀具刀位點與工件坐標係的位置關係，因此本例中圓弧車刀的圓心（xīn）軌跡其實就是（shì）半徑為1mm的圓弧AB，其圓心軌跡半徑值的大小為螺紋圓弧半徑與刀具（jù）圓角半徑的（de）差值，如圖（tú）2所示。根據“分層法”和“左右切削法”螺紋加工方法，將（jiāng）圓弧（hú）螺紋背吃刀量1.5mm分成若幹層進（jìn）行切削，當切削第一層時，向左借刀時刀具的（de）圓心位於（yú）B點，向右借（jiè）刀時刀具的圓心位於A點，這就決定了圓弧車刀圓心軌跡牙型（xíng）背（bèi）吃刀（dāo）量的起始（shǐ）角度30°和終（zhōng）止角度-90°。以角度為自變量，分（fèn）別把圓心軌（guǐ）跡上每一個點的坐標依次求出來，每（měi）求出一（yī）個坐標（biāo）（X，Z）采用（yòng）G92螺紋加工指令加工一遍，每一層完（wán）成左右切削，通過宏程序的判斷語（yǔ）句實現循環加工，從而完成分層加工，最後把完整的圓弧走（zǒu）完即可（kě）[5,6]。

圖2 圓弧車刀及加工軌跡（jì）

3.3 數學計（jì）算

如圖3所示，圓弧上（shàng）任意點A的坐標可以（yǐ）通過三角函數關係求得，AC=AD×sinθ（X方（fāng）向（xiàng）），DC=AD×cosθ（Z方向）。角度（dù）θ作為自（zì）變量，變化範圍-90°～30°，用#1表示；圓弧螺（luó）紋X方向的變量用#2表示，即#2=1sin[#1]；圓弧螺紋Z方向的變量用#3表示，即#3=1cos[#1]；當前層X方向的螺紋直徑用#4表示，由於圓弧螺紋（wén）圓心位於φ36mm外圓直徑（jìng）上（shàng），#2計算的（de）是X方向單邊值，要換成直徑值，所以需要乘以2，即#4=36+2 [#2]。

圖3 圓心軌跡坐標計算

3.4 編程示例

采用R1.5mm的圓弧車刀加工圓弧螺紋，以（yǐ）圓弧車刀的圓心作為宏程序編程的刀位點（diǎn）。

O0003;程序名

G99 G97 G40;程序初始化

T0202;選用R1.5mm的圓弧車刀

M04 S300;後置（zhì）式刀（dāo）架，主軸反轉，轉速300r/min

G00 X40.Z9.;刀具（jù）快速定位到定刀位置

#1=30;  切削第一層圓弧螺紋時牙型背吃刀量的起始角度30°

N1 #2=1*SIN[#1];圓弧螺紋X方向的變量（1為螺紋圓弧半徑減去刀具圓角半徑的值）

#3=1*COS[#1];圓弧螺紋Z方向的變量，即左右切（qiē）削時的借（jiè）刀（dāo）量

#4=36+2*[#2];螺紋加工時的X坐標（#2計算的是X方向單邊值，要換成直徑值，所以需要乘以2）

G00 X40.Z[9-#3];螺紋刀向左借刀切削

G92 X#4 Z-44.F6.;螺紋加工

G00 X40.Z[9+#3];螺紋刀向右借刀切削

G92 X#4 Z-44.F6.;螺紋加工

#1=#1-5;牙型角度變量（liàng）減小

IF [#1GE-90] GOTO1;判斷角度是否在範圍之內（-90°為背吃刀量終止角度）

G00 X100.; X向退刀

Z100.; Z向退（tuì）刀

M05;主軸（zhóu）停（tíng）止

M30; 程序結束

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橢圓麵上圓弧螺紋的加工

4.1 圖樣分析

如圖4所（suǒ）示（shì），零件右端的圓弧（hú）螺紋分布在橢圓（yuán）麵上，橢圓（yuán）的長半（bàn）軸長為38mm，短半軸（zhóu）為長15.5mm，螺紋的（de）牙型為R2.5mm的圓弧，導（dǎo）程為6mm，槽深為1mm，將編程坐標係（即工件坐標（biāo）係（xì））原點定在零（líng）件右（yòu）端麵中心上，螺紋的加工起始位置為（wéi）Z0mm，終止位置為Z-30mm。

a）圓弧螺紋示意

b）圓弧螺紋實物

圖4 橢圓麵上的圓弧螺紋

4.2 編程思路

選用R1.5mm 的圓弧車（chē）刀，加工橢圓麵上的圓弧螺紋時，圓弧車刀既要按照圓弧螺紋R2.5mm圓（yuán）弧軌跡運動，又要按照（zhào）橢圓的規律車削螺紋。根據刀具刀位點（diǎn）與工（gōng）件坐標係的關係，刀具（jù）圓心實際上走的是半徑為（wéi）1mm的圓弧，並且刀具圓心是按照長半（bàn）軸（zhóu）39.5mm、短半軸17mm的橢圓規律進行螺旋（xuán）線運動。考慮到（dào）螺紋（wén）升降速的影響（xiǎng），分別在導入段和導出段延伸一個導程（chéng）進行螺紋加工，故螺紋的加工起始位（wèi）置變為Z6mm，終（zhōng）止位置變為Z-36mm。加工軌跡如圖5所示。

圖5 加工軌跡分析

根據“分層（céng）法”和“側向進刀法”螺紋加工方法，將圓弧螺紋背吃刀量1mm分成若幹層進行切削。當進行圓弧螺紋切削時，刀具（jù）圓心在長半軸39.5mm、短半軸17mm的橢圓軌跡上變化，同時分別處於位（wèi）置1、位置2、……位置8共8個位置。比較（jiào）各圓的起始角度和終止角度，位（wèi）置1、位置2、位置3及位置4各圓（yuán）的起始角（jiǎo）度為負值，終止角（jiǎo）度也均為負值；而位置5、位置6、位置7及位置（zhì）8各圓（yuán）的起始角（jiǎo）度為正值，而終止角度均為負值，其中位置（zhì）8的起始角度最大，位置1的終止角度最小，即圓弧車刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始角度為14.31°，終止角度為-194.31°，如圖6所示。以角度為（wéi）自變量，分別（bié）把圓心軌跡上每一個點（diǎn）的坐（zuò）標依次求出來，每求出一個小圓坐標係下的坐標（X，Z），就換算到橢圓坐（zuò）標係下的（X，Z），最後（hòu）再換算（suàn）到（dào）工件坐標係下的（X，Z），采用G32螺紋加工指令加工，完成當前層螺紋切削，通過（guò）宏（hóng）程序的判斷語句實現循環（huán）加工，完成分層加工，最後把完（wán）整的圓弧走完即可。

a）起始角度    b）終止角度    c）坐標示意

圖6 圓弧車刀圓心軌跡牙型背吃刀量的起始（shǐ）角度和終止角度

4.3 數學計算

如圖6c所示，圓（yuán）弧上任（rèn）意點D的坐標可（kě）以通過三角（jiǎo）函數關係求得，CD=OD×sinθ（X方向），OC=OD×cosθ（Z方向）。角度θ作為自變量，用#1表示，變化範圍從-194.31°～14.31°，圓弧（hú）螺紋X方向（xiàng）的變量用#2表示，即#2=1×sin[#1],圓弧螺紋Z方（fāng）向（xiàng）的變量用（yòng）#3表示,即#3=1×cos[#1]；然後，將小圓整體平移到（dào）橢圓坐標係下，圓弧螺紋加工起始（shǐ）位置用#4表示，其變動範圍為-21～21，通過橢圓方（fāng）程Z2/39.52+X2/172=1計算橢圓坐標係（xì）下（xià）位置1小圓中心的X值，用#6表示,即#6=17SQRT[1-#4×#4/1560.25]；最後，將小（xiǎo）圓整體（tǐ）平移到工件坐標係下，變量（liàng）#7表示工件坐標係下小圓上任意點的X坐標，由於#2和#6計算的是（shì）X方向單邊（biān）值，要換成直徑值，所以需要乘以2，即（jí）#7=2 [#2+#6],變量#8表示工件坐標係下（xià）小（xiǎo）圓（yuán）上任意（yì）點的Z坐（zuò）標（biāo），即#8=#4+#3-15。

4.4 編程示例

采用R1.5mm的圓弧（hú）車刀加工圓弧螺紋，以圓弧車刀的圓心作（zuò）為宏程序編程的刀位點。

O0004;程序名（míng）

G99 G97 G40;程序（xù）初始化（huà）

T0303;選（xuǎn）用R1.5mm的圓弧車刀（dāo）

M04 S300;後置式刀（dāo）架，主軸反轉，轉速300r/min

G00 X40.Z15.;刀（dāo）具快速定位到定刀位置

#1=14.31; 切削第一層圓弧螺紋（wén）牙型時背吃（chī）刀量的起始角度為14.31°

N10 #2=1*SIN[#1]; φ2mm小圓坐標係下刀具圓心（xīn）的X坐標（1為螺紋圓弧半徑（jìng）減去（qù）刀具圓角半徑的值）

#3=1*COS[#1];φ2mm小圓坐標係下刀具（jù）圓心的Z坐標，即（#2，#3）為φ2mm小圓坐標係下的刀具圓心坐標

#4=21;橢圓坐標係下位置1小圓中心Z值

N20 #5=#4*#4;

#6=17*SQRT[1-#5/1560.25];橢圓坐標係下位置1小圓中心X值

#7=2*[#6+#2];工（gōng）件坐標係下（xià）小圓上任意點的X坐標（biāo）（#2和#6計算的是X方向單邊（biān）值，要（yào）換成直徑值，所以需要乘以2）

#8=#4+#3-15;工件坐標係下小圓上任意點的Z坐（zuò）標，即（#7，#8）為工件坐標係（xì）下小圓上任意點（diǎn）的坐標

G32 X#7 Z#8 F6.;螺紋加工（按橢圓規律車削圓弧螺紋）

#4=#4-6; Z向步距一個螺紋（wén）導程

IF [#4GE-21] GOTO 20;判斷螺紋加工是否到終止位置（橢圓坐標係下（xià）位置8小圓中心Z值）

G01 X40.; X向退刀

G00 Z15.;快（kuài）速回到螺紋定刀位置

#1=#1-5;牙（yá）型角度變量減（jiǎn）小

IF [#1GE-194.31] GOTO10;判斷角度（dù）是（shì）否在範圍之內（-194.31°為背吃刀量終（zhōng）止角度）

G00 X100.; X向退刀

Z100.; Z向退刀

M05;主軸停止

M30;程序結束

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結束語

宏程序編程是使用變量並利用變量的賦值和表達式判斷（duàn）來對程序進行編輯，最終達到循環執行功（gōng）能的一種程序（xù）編製方法，因（yīn）此宏程序表達簡潔、精（jīng）練且準確。利用宏程序進行圓弧螺紋編程時，需要編程（chéng）人員具備較高的數學邏輯運算能力、程（chéng）序編寫能力，並對螺紋加工方法有詳細地了解與掌握。本文以FANUC係統數控車床後置式刀架為例，若變成前置式刀架，起始角度、終止角度及參數（shù）的計算（suàn）都會有（yǒu）所變化，希望編程者（zhě）能夠觸類（lèi）旁通，靈活變化。