宏编程在立车加工大型梯形螺纹中的应用

陈小波 许 凯 谢如平 陈 刚

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

随着科技的发展，对设备制造也提出了更高的要求。某大型设备零部件采用大直径大螺距梯形结构螺纹，该工件属于大直径非标梯形螺纹，结构尺寸大，公差要求高，加工难度大，其结构如图1所示。目前车间内仅有几台大型数控立车，之前也无螺纹车削经验，加工难度较大。

图1 某大型梯形螺纹Figure 1 A heavy trapezoidal thread

1 梯形螺纹加工方案

车间现有的立车数控系统，分别为西门子802D和840D两种型号，支持的螺纹切削指令有简单螺纹切削G33指令和CYCLE97高级切削指令。区别如下：

(1)G33简单指令只能使用恒定深度进给，一般可以加工螺距小于4 mm或精度要求不高的工件，但是加工梯形螺纹时，前面部分切削较浅时，刀具切削宽度尚可，随着切削深度不断加大，整个刀具切削宽度越来越大，切削阻力也越来越大，螺纹车刀的三个切削刃都将参与切削，导致加工排屑困难，切削力和切削热陡增，刀头磨损严重，容易产生“扎刀”和“崩刃”现象，因此这种方法不太适合加工大螺距螺纹。G33恒定深度进给加工图如图2所示。

图2 G33恒定深度进给加工示意图Figure 2 G33 constant depth feed machining

(2)CYCLE97高级指令可通过参数设定，实现每个切削层车刀沿螺纹一侧进刀，或者分别沿左、右牙型交叉进刀，直至牙底。故CYCLE97高级指令非常适合加工梯形螺纹。CYCLE97加工螺纹的切削方式如图3所示。

图3 CYCLE97加工螺纹的切削方式示意图Figure 3 Cutting manner of CYCLE97 machining thread

根据车间几台数控立车实际情况，鉴于5 m车铣加工中心精度较好，带X、Z轴光栅尺，立车花盘带高精度圆光栅尺，且只有该设备支持螺纹切削高级指令CYCLE97，故优选5 m车铣加工中心试加工。

2 第一次加工试验

准备好试验件，在5 m车铣加工中心开展试加工。通过加工试验发现，加工的梯形螺纹顶径、底径、螺距均正常，但是梯形螺纹的横截面完全不正确，如图4所示，试验失败。

图4 5 m车铣加工中心加工后试验件横截面示意图Figure 4 Cross section of specimen processed by 5 m turn-milling machining center

3 试验失败原因分析

经过多次分析CYCLE97加工程序，确认编程方法、程序中的切削参数均严格按照西门子840D编程手册执行，操作步骤也正确无误，无法从程序和操作步骤中分析出失败的原因。

技术人员从设备方向入手分析，并与设备组技术员反复研究，发现5 m数控车铣加工中心有圆光栅尺和旋转编码器两套角度测量系统。设备在执行车削功能时，选择设备主电机上的旋转编码器进行旋转定位，而在执行铣削功能时，选择花盘中心的圆光栅尺进行精准定位，如图5所示。

图5 5 m车铣加工中心结构示意Figure 5 Structure of 5 m turn-milling machining center

在执行车削加工时，立车读取主电机上的旋转编码器的角度值，根据公式传动比i=从动轮齿数Z2÷主动轮齿数Z1，间接计算出花盘的角度数值。在此机床上，因齿轮箱是多级齿轮传动，同时因数控系统中角度位置计算精度的误差，造成系统计算花盘旋转的角度值和实际旋转角度值出现微小偏差。

经反复测量验证，确认执行车削功能时，系统读取主电机上的旋转编码器数据计算的花盘旋转角度值与花盘实际旋转角度值存在微小偏差。即系统计算的角度数据和花盘实际旋转角度并不匹配，存在较小偏差，造成每一次进给比上一次偏移一个小角度，最终车出了图4所示横截面完全不正解的梯形螺纹。

4 方案改进

对此情况，只能更换其他设备，但其余几台数控立车均不支持CYCLE97指令。技术人员仔细研究840D编程手册后，通过循环指令，编制宏程序，利用简单的G33指令实现每一层左右切削法加工梯形螺纹。

4.1 具体方案

设定参数变量R1～R11，根据判断语句IF，判断当前加工量，当加工余量大于0.8 mm时，执行粗加工，当加工余量大于0.3 mm时，执行半精加工，当加工余量等于0.1 mm时，执行精加工，并空走一刀。每一层加工中，都分左右两侧分别进刀，公式为：

每层Z向左侧起刀值=Z-进给深度×tanα，每层Z向右侧起刀值=Z+进给深度×tanα。

通过公式计算，达到左右分别进刀的目的。通过以上函数宏程序，在普通数控机床上实现复杂数控指令CYCLE97，达到高效加工大直径梯形螺纹的目的。

4.2 梯形螺纹加工的数控程序

梯形螺纹加工的数控程序如下：

;该程序为半径编程

G54 G17 G40 G64 G90

DIAMOF ;半径编程

F1000 S20 M03

;

R1=864.5 ;螺纹顶径(半径)

R2=8 ;螺纹深度

R3=23.8 ;螺距P

R4=R1 ;当前螺纹直径(半径)

R5=-500 ;螺纹加工长度

R6=870 ;X轴退刀安全直径

R7=0.3 ;X轴粗加工进给

R8=0.2 ;X轴半精加工进给

R9=0.1 ;X轴精加工进给

R10=10 ;Z轴起刀点

R11 ;当前Z轴起刀点

;

G90 G01 X=R4 Z=R10

MARK1:

R4=R4-R7

R11=R10-(R1-R4)*tan29

G01 Z=R11

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

R11=R10+(R1-R4)*tan29

G01 Z=R11

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

IF R2-(R1-R4)>0.8 GOTOB MARK1

;

MARK2:

R4=R4-R8

R11=R10-(R1-R4)*tan29

G01 Z=R11

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

R11=R10+(R1-R4)*tan29

G01 Z=R11

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

IF R2-(R1-R4)>0.3 GOTOB MARK2

;

MARK3:

R4=R4-R9

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

IF R2-(R1-R4)>0.1 GOTOB MARK3

R4=R1-R2

G33 X=R4 Z=R5 K=R3 SF=0

G0 X=R6

Z10

M30

;end

通过更换机床后，按照以上宏程序，顺利完成大型梯形螺纹加工，加工后经过尺寸测量，样板检验，满足设计要求。同时后续的试装配也合格，加工试验成功。

5 结语

详细分析了5 m车铣加工中心加工螺纹试验失败的根本原因。通过对比分析西门子数控系统中G33指令和CYCLE97指令区别，提出了一种用简单指令编制宏程序，实现高级螺纹切削的编程方法，解决了大型螺纹零件加工的难题，并完成了模拟件加工试验和装配，解决了大型梯形螺纹的加工难题，对大型螺纹数控编程和加工具有一定的指导意义。