1 序言
在大力發(fā)展先進制造業(yè)、改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢下，機械零部件結(jié)構(gòu)必然會朝更加復(fù)雜、精度更高的方向發(fā)展。異形螺紋在起重設(shè)備、船舶、航空航天等行業(yè)零件聯(lián)接中都廣泛使用，加工該類螺紋，傳統(tǒng)采用成形刀或手工編制宏程序來完成。成形刀因切削力大，對操作人員技能要求高，加工表面粗糙度差等原因并不適合加工大導(dǎo)程或精度高的異形螺紋，同時在質(zhì)量上也難以進行有效地控制。使用手工編制宏程序的方法在精度上較成形刀有較大提升，但其特點是運用數(shù)學(xué)幾何公式指令來控制刀具的加工路徑，但編制宏程序的難度較大，對程序編制人員技術(shù)文化水平要求較高，需要將螺紋截面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成具有復(fù)雜邏輯判斷的數(shù)控加工程序，由于出錯概率較大，因此無法廣泛應(yīng)用。針對以上不足，通過積極探索和大膽創(chuàng)新，成功開發(fā)了一種使用CAM軟件車削異形螺紋的方法。
2 技術(shù)分析及難點
2.1 異形螺紋牙形的分析
梯形圓螺紋（見圖1）螺距為44mm，牙形高度為0.55P＝24.2mm，螺紋大徑400mm，牙頂圓弧R1＝6.76mm，底部圓弧R2＝9.72mm，其牙形角和圓螺紋、梯形螺紋相同，均為30°，螺紋接觸高度介于圓螺紋和梯形螺紋之間。在加工編程時，需用刀具圓弧逼近零件輪廓的節(jié)點計算，讓刀具圓弧去擬合工件的外形曲線，如用傳統(tǒng)宏程序編制必須用函數(shù)公式計算出每段圓弧的半徑及圓心、起始點和結(jié)束點的坐標值。
圖1 梯形圓螺紋示意
鋸齒形螺紋（見圖2）螺距為10mm，牙形高度為0.575P＝5.75mm，螺紋大徑300mm，牙頂圓弧R1＝0.75mm，底部圓弧R2＝1.24mm，該螺紋旋合后，大徑無間隙便于對中，牙形角為45°，兼有矩形螺紋傳動效率高和梯形螺紋牙形螺紋牙根強度高的特點，是用于單向受力的傳動螺紋。
圖2 鋸齒形螺紋示意
大導(dǎo)程螺紋加工時需要采用先分層擬合再逐步車削的方法，梯形螺紋（見圖3）可直觀展現(xiàn)出此加工方法，將牙槽深度進行分層，刀具通過程序控制改變螺紋循環(huán)的切削起點，逐層加工，使刀具背吃刀量減少，在切削過程中螺紋刀有一側(cè)切削刃沿牙形截面進行分層切削，具有排屑順暢和加工余量均勻的特點。
圖3 梯形螺紋分層車削示意
2.2 加工刀具設(shè)計
?。?）刀具選擇 螺紋加工的效率和表面質(zhì)量取決于螺紋刀規(guī)格選擇是否合理，加工常規(guī)的三角螺紋和梯形螺紋會選用螺紋成形刀，以上螺紋由于導(dǎo)程大、牙形深，切削量比普通螺紋大得多。如采用普通螺紋加工方法，選擇大刀具加工，大螺距異形螺紋由于螺紋的升角相對于較大工件與機床需要承受巨大相互作用力，從而容易導(dǎo)致工件變形及增加機床傳動部件磨損，因此普通加工方法既難以滿足螺紋精度要求，也會減少機床壽命。選用刀具沿著螺紋輪廓線依次分層進刀，這樣就會顯著降低切削阻力。一般選用螺紋刀會考慮以下幾點。
1）待加工螺紋牙形與刀具形狀的匹配性。
2）刀具寬度和R 角需小于螺紋牙底最小截面尺寸。
3）刀片材質(zhì)是否能滿足被切削材料的加工性能。
4）刀具能否與螺紋截面形狀建立便捷的運算邏輯關(guān)系。
?。?）走刀路線設(shè)計 走刀路線是指數(shù)控車床加工過程中刀具相對于被加工工件的運動軌跡，由于走刀軌跡的優(yōu)劣與零件的加工精度和表面質(zhì)量密切相關(guān)，因此它的設(shè)計合理性非常重要。雖然減小步距的方法，可以在一定程度上提高表面粗糙度和精度，但這樣會使加工時間延長，加工效率降低。為了兼顧精度和效率，刀具可以用不同的進給方式加工工件，它對切屑形狀、刀具磨損和螺紋質(zhì)量具有不同的影響，應(yīng)根據(jù)機床、工件材料、刀片槽形和螺距確定進給方法。目前常用的有3種進給法：側(cè)向進給法、徑向進給法和交替進給法。確定走刀路線一般有以下原則。
1）選用合適的切削步距保證零件加工精度。
2）縮短走刀路徑，減少多余的抬刀時間。
3）方便數(shù)值計算，降低編程難度，易于檢查錯點。
4）控制程序段數(shù)，減輕機床讀取負擔(dān)。
2.3 異形螺紋加工程序設(shè)計
異型截面螺紋有各式各樣的牙形，為了得到良好的螺紋質(zhì)量，使用現(xiàn)代化的切削刀具和科學(xué)的走刀路線來加工螺紋是有效可靠的工藝保證。異形螺紋基本為大螺距曲面螺紋，刀具對工件產(chǎn)生的切削力不易掌握。加工刀具一般為帶R 圓弧槽刀。主體思路是利用NX三維軟件銑削編程功能采集異形螺紋截面坐標點位，并通過科學(xué)的替換和驗證最終獲得車削加工的程序。異形螺紋程序開發(fā)流程如圖4所示。
圖4 異形螺紋程序開發(fā)流程
3 開發(fā)實施過程
使用該方案開發(fā)的螺紋程序已成功加工了上述所提到的梯形螺紋、鋸齒形螺紋和梯形圓螺紋等。需要說明的是，該方法同樣適用于加工矩形螺紋和圓錐螺紋（拋物線、雙曲線）等，下面所剖析的是TY400X44梯形圓螺紋加工程序制作方法。
3.1 確定螺紋截面
TY400X44螺紋（見圖5）螺距為44mm，牙形高度為0.55P＝24.2mm，螺紋大徑400mm，牙頂圓弧R1＝6.76mm，底部圓弧R2＝9.72mm，螺紋中徑公差為
。根據(jù)GB/T 10051.5－2010標準得到理論輪廓截面數(shù)據(jù)，并使用CAD按1∶1繪制。在加工編程時需用圓弧逼近零件輪廓的節(jié)點計算，讓刀具圓弧去擬合螺紋的外形曲面切削，來保證表面粗糙度值Ra＝3.2μm和螺紋公差。
圖5 TY400X44螺紋基本截面
3.2 分析截面選用刀具
選用8mm寬槽刀沿著螺紋輪廓線依次分層進刀，如圖6所示，這樣會顯著降低切削阻力。使用CAM編程選用螺紋刀需要保證以下幾點：①刀頭的排屑槽須順暢。②刀具寬度和R角需小于螺紋牙底最小截面尺寸。③刀片材質(zhì)是否能滿足被切削材料的加工性能。④軟件刀具庫參數(shù)與實際螺紋刀相匹配。
圖6 刀具與螺紋牙形分析
3.3 二維數(shù)據(jù)導(dǎo)入NX三維軟件
經(jīng)過確認無誤的二維輪廓需要轉(zhuǎn)換成三維模型，具體操作如下。
打開NX軟件點擊：文件→導(dǎo)入→dxf/dwg→選擇你要導(dǎo)入的dxf或dwg文件（默認導(dǎo)入的是英制單位，點擊修改設(shè)置可改為公制單位）→確定。
3.4 笛卡爾坐標設(shè)置
螺紋在數(shù)控機床上加工一般都會將X零點設(shè)到理論軸線上，Z值起刀點會至少空開一個螺距，在三維軟件里就需要事先將原始坐標系設(shè)置在理論（紅色）軸線上，然后將XM +朝向螺紋外圓，ZM +朝向螺紋端面，如圖7所示。
圖7 坐標系設(shè)置
進入加工模塊還需要設(shè)置加工坐標系，一般為了操作方便會將XM、ZM零點與Xc、Zc坐標原點重合。Y值在車床坐標系中是不存在的，它存在于笛卡爾坐標系中。后續(xù)運用銑削螺紋截面功能會用到，但最終在程序轉(zhuǎn)換成車削加工過程中會被省略掉。
3.5 制作銑削加工刀路
（1）創(chuàng)建單齒毛坯輪廓[1] 在創(chuàng)建模型操作后續(xù)加工設(shè)置中只需要一個齒的曲面數(shù)據(jù)即可，如果將螺紋全部設(shè)置成實體模型，會對后續(xù)生成刀路產(chǎn)生多余的計算時間，影響生成效率。操作步驟為：進入草圖→繪制拉伸區(qū)域線框→選擇拉伸命令→選中需拉伸輪廓→拉伸厚度5mm→確認。創(chuàng)建模型如圖8所示。
圖8 創(chuàng)建模型
（2）指定加工方式[2] 進入加工應(yīng)用模塊，它可以提供互交式編程和后處理等功能。此加工方案主要思路是運用NX強大的銑削功能生成的刀路軌跡轉(zhuǎn)換成車削加工程序來完成異形螺紋的加工。選定的加工方式為 Mill contour子工序，子類型為CAVITY_MILL（型腔銑），這種加工方式主要運用在粗加工時，可以設(shè)定待加工區(qū)域的毛坯形狀，通過移除垂直于固定刀軸的平面切削層中的材料，對輪廓形狀進行粗加工。由于其可以精準控制刀具規(guī)律和清晰地分層銑削，因此特別適合用作大導(dǎo)程異形螺紋的粗車刀路程序。
（3）輸入刀具規(guī)格參數(shù) 將選用好的刀具規(guī)格輸入在參數(shù)表中，此次確定的粗車刀具為8mm槽刀，刀尖兩側(cè)有R＝0.8mm的圓弧角可以提高在長時間的螺紋粗車時的使用壽命并提供良好的切屑控制。
?。?）選定切削區(qū)域 在創(chuàng)建的數(shù)模中選取需要加工單個齒的曲面輪廓。進入草圖界面畫出需要修剪的圖框，數(shù)模拉伸厚度為5mm，修剪框?qū)挾仍O(shè)定為3mm，目的是在加工時可以用修剪邊界命令修剪出輪廓清晰分明的刀路。為了增加生成程序的精度，還需要將切削參數(shù)里的內(nèi)外公差選項設(shè)置成0.01mm。
?。?）調(diào)整刀軸加工矢量 因為在銑削加工方式中通常默認的加工矢量為Z+，而在車床中螺紋截面法向是X 軸，軸向為Z 軸，所以必須將刀軸加工矢量調(diào)整為X+，這跟笛卡爾坐標設(shè)置的意圖一致，即為了方便生成程序的X值和Z值可直接用于車床加工坐標系。
?。?）刀路軌跡設(shè)置[3] 這項設(shè)置是制作銑削加工刀路中最關(guān)鍵的一項，通過這里的參數(shù)設(shè)置，可以確定進刀方式、步距、層深及余量控制等。將最大步距設(shè)置為恒定6mm，切削模式為單向，每刀公共切削深度為0.1mm，設(shè)置部件的側(cè)面余量與地面余量均為0.2mm。
3.6 生成仿真銑削刀路
經(jīng)過前面一系列的準備后在操作模塊生成仿真刀路，如圖9所示，通過刀軌可視化界面來驗證刀路是否合格，進入3D可視化模擬加工觀察切削順序和下刀路徑的邏輯性。如果驗證中發(fā)現(xiàn)刀路的軌跡和切削的參數(shù)不合理應(yīng)再次進行調(diào)整。
圖9 仿真銑削刀路
3.7 后處理導(dǎo)出程序
把確認好的刀路導(dǎo)出為加工程序，由于使用的加工車床系統(tǒng)是西門子 SINUMERIK 840D sl ，所以需要西門子840D的后處理來導(dǎo)出程序。一般程序頭使用數(shù)控G代碼指令來定義刀具尺寸、起始加工坐標及轉(zhuǎn)速走刀等基本指令，程序后面是走刀路徑的坐標和快速退刀等。
3.8 替換程序格式和驗證
因為生成的是銑床加工程序，并不能運用于數(shù)控車床的加工，所以需要將程序中的G代碼替換掉，使程序適用于車床加工。具體操作步驟如下。螺紋程序替換與驗證如圖10所示
圖10 螺紋程序替換與驗證
1）程序頭增加循環(huán)賦值[4]，包括螺紋的加工長度R44、螺紋大徑R45、螺距R4、徑向退刀位置R47、主軸轉(zhuǎn)速和機床半徑讀取轉(zhuǎn)換等。
2）將G00快速抬刀值替換成X＝R47。
3）將Y值去程替換成 G33 Z＝R44 K＝R40。完成螺紋車削的指令。
4）把Y值回程替換成空格。
替換操作結(jié)束后使用模擬器對螺紋程序進行試切來驗證。由于此螺紋程序制作方法是首次研制，需要實際加工試件來驗證。在設(shè)備DVT160數(shù)控立式車床試車削螺紋（見圖11），驗證了此加工方法安全可靠。
圖11 螺紋試切
以上介紹的是螺紋粗車程序生產(chǎn)方法，實際加工還需要將軟件參數(shù)的余量設(shè)置調(diào)整為精車刀路，對螺紋進行精車。
4 研制過程創(chuàng)新點分析
在開發(fā)過程中主要圍繞刀具與異形截面的坐標點擬合來進行剖析。有以下幾個創(chuàng)新點。
4.1 刀具轉(zhuǎn)換思路
傳統(tǒng)異形螺紋會使用仿形刀具來加工，這樣加工效率低、出錯率高及質(zhì)量不穩(wěn)定。本方案中運用軟件設(shè)置立銑刀轉(zhuǎn)換成直槽刀來完成刀具創(chuàng)新。立銑刀的直徑為8mm，底部刃口R＝0.8mm，與螺紋槽刀寬度和R角一致，如圖12所示。這樣就可以方便的將NX生成銑削坐標點位轉(zhuǎn)換成車削坐標點位。操作過程中只需要考慮刀具的寬度和 R 角能否滿足牙底最小截面尺寸，不需要花時間人工分析復(fù)雜的邏輯運算關(guān)系。
圖12 刀具轉(zhuǎn)換
4.2 坐標軸轉(zhuǎn)換
由于軟件生成的是銑削刀路，程序中必然會存在Y 值，然而實際螺紋車削加工不需要Y 值，因此需要在設(shè)置銑削操作時預(yù)先將笛卡爾加工坐標系的X+朝螺紋徑向；Z 軸原點設(shè)置在軸線上；Y 軸朝平面法向；切削方向設(shè)置中把默認的刀軸Z+向改為X 軸正方向。這樣生成的加工程序就能和實際車削坐標軸一致。
4.3 程序格式轉(zhuǎn)換
由于生成的是銑床加工程序，并不能運用于數(shù)控車床的加工，因此需要將程序中的G代碼替換掉使程序適用于車床可以加工的程序。首先需要增加程序頭以增加循環(huán)賦值，包括螺紋的加工長度R44、螺紋大徑R45、螺距R40、徑向退刀位置R47、主軸轉(zhuǎn)速及增加機床半徑讀取轉(zhuǎn)換（DIAMOF）命令。將G00快速抬刀值替換成X＝R47，這樣螺紋每次X方向退刀位置都可以固定的空開一個螺距值。將銑削的Y值替換成 G33 Z＝R44 K＝R40，這是每次螺紋刀固定為一個起刀點后執(zhí)行的一步螺紋車削命令，賦值R44代表著螺紋車削長度。按照自動生成的起始坐標點X 值、Z 值循環(huán)的加工，一直到螺紋加工結(jié)束。
5 結(jié)束語
通過以上介紹的螺紋程序開發(fā)方案成功地加工出了吊鉤梯形圓螺紋（見圖13）、多頭梯形螺紋（見圖14）和鋸齒形螺紋（見圖15）。我公司目前生產(chǎn)的螺紋規(guī)格以梯形圓螺紋居多，鋸齒形螺紋和梯形螺紋其次，本次開發(fā)的程序同樣適用于其他各類圓弧、曲面無法計算的不規(guī)則截面的異形螺紋。依靠強大的CAM輔助制造生成坐標點位，不需要復(fù)雜的計算邏輯關(guān)系，只需簡便的操作即可實現(xiàn)對異型螺紋編程加工。通過生產(chǎn)加工優(yōu)化后可以充分發(fā)揮其加工效率快、產(chǎn)品精度高和品質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)勢，為今后的智能化制造業(yè)發(fā)展提供了新的思路。
圖13 吊鉤梯形圓螺紋
圖14 多頭梯形螺紋
圖15 鋸齒形螺紋
