梯形螺纹的数控车削加工

梯形螺纹的数控车削加工
摘要：梯形螺纹的加工是数控车削的一个难点, 针对在数控车床加工梯形螺纹时容易出现扎刀等现象，本文介绍使用GSK980TDa系统的数控车床，运用调用子程序和编制宏程序两种编程方法，对梯形螺纹进行分层切削加工，较好的解决了加工过程中梯形螺纹车刀各切削刃的受力分配问题，有效避免了扎刀现象，为数控车削梯形螺纹提供一个实用的加工方法。

关键词：梯形螺纹；数控车削；宏程序；调用子程序；分层切削法
一、前言
梯形螺纹在传动中应用越来越广泛, 精度要求越来越高, 这就对梯形螺纹提出了高精度高效率的制造要求。

在车床上加工梯形螺纹是一项技术难度较高的工作, 梯形螺纹的车削在普通车床上应用比较广泛, 但要求工人要有比较熟练的操作技巧, 劳动强度大，螺纹加工的精度和效率受人为因素影响比较大，废品率较高。

数控车床稳定的高精度加工性能为梯形螺纹的车削提供了良好的加工基础, 但在数车上加工梯形螺纹编程与控制比较困难, 因此有人错误地认为数车不适合用来车削梯形螺纹, 实际上如果所编制的梯形螺纹加工程序工艺合理, 在数车上车削梯形螺纹也会取得很好的效果。

二、数控车加工梯形螺纹的难点
1．数控车不能直接使用普通车床的梯形螺纹加工方法
普通车床所使用的梯形螺纹加工方法如左右切削法、直槽法、阶梯槽法等都不能直接用于数控车。

因为数控车取消了普通车床上的机械传动链，通过装在主轴末端的同步传动带与主轴脉冲编码器连接，从而构成了主轴与大滑板传动丝杆之间的传动链。

主轴脉冲编码器在车螺纹时，同时输出两路信号：一路是按编程人员在加工程序中给定的主轴转速和螺距值，确定伺服电机的转速，保证主轴和伺服电机两种转速形成严格的传动比；另一路是控制彳轴的定位，保证螺纹车刀在多次循环切削过程中，车刀刀尖始终在螺旋槽内而不乱牙。

如果在加工过程中因出现扎刀或刀具损坏需要更换螺纹车刀而使数控车床停止旋转时，主轴脉冲编码器停止工作，上述两路信号停止输出，此时重新安装的螺纹车刀就很难准确地落在前一把螺
纹车刀车出的螺旋槽内，从而加大对刀难度，甚至出现乱牙现象。

2、数控车削加工中梯形螺纹车刀容易出现扎刀现象
由于数控车床上没有小滑板装置，无法实现梯形螺纹车刀在切削过程中的左右移动，导致车刀的3条切削刃同时参加切削，从而产生很大的切削力，出现扎刀现象。

在普通车床上加工梯形螺纹时，整个加工过程均在操作者的控制中，一旦发现扎刀或其他不正常现象，可及时中断加工而采取相应措施以防刀具损坏。

而数控车加工梯形螺纹时，其加工过程是由事先编制的数控程序控制的，当出现扎刀等不正常现象时操作者极有可能因无法及时中断加工而导致刀具损坏。

三、梯形螺纹车削加工方法分析
1、直进法
直进法加工螺纹时（如图1所示），螺纹车刀沿横向间歇进给至牙深处，车刀的三刃都参加切削，排屑困难，车刀所受的切削力大，散热条件差，因此车刀容易磨损。

在切削螺距较大的梯形螺纹时，由于切削深度较大．当进刀量过大时，容易产生“扎刀”，甚至于折断刀具，很显然不适合于加工梯形螺纹。

2、斜进法
斜进法加工螺纹时，螺纹车刀沿牙型角方向斜向间歇进给至牙深处（如图2所示），螺纹车刀仍然有两个刃参加切削，随切削深度的增加，切削力增大，也易产生卡刀现象，对于大螺距的梯形螺纹车削，也不是理想的加工方法。

3、分层切削法
分层切削法实际是“直进法”和“左右切削法”的综合应用（如图3所示）。

在车削较大螺距的梯形螺纹时，分层法通常不是一次性就把梯形槽切削出来，而是把牙槽根据螺纹牙型深度分成若干层，转化成若干个较浅的梯形槽来进行切削，从而降低了车削难度。

每一层的切削都采用先直进后左右的车削方法，由于左右切削时槽深不变，刀具只须向左或向右的纵向进给即可。

因此，分层切削法能够有效地避免直进法和斜进法来的不良影响，而且其在大螺距螺纹或蜗杆加工过程中所表现的优势更为明显。

四、数控车削梯形螺纹实例
1．梯形螺纹基本尺寸参数
(1)基本牙型(见图4)：如图4所示，对梯形螺纹的基本牙型而言，其尺寸参数有：内螺纹大径D，外螺纹大径(公称直径)d，内、外螺纹中径D2、d2，内、外螺纹小径D1、d1，螺距P；基本牙型高H1。

(2)设计牙型(见图5)：根据设计牙型，可以列出相关尺寸的计算公式(见图6)。

图6
2、调用子程序加工梯形螺纹举例
下面我们将以图7零件为例，介绍调用子程序加工梯形螺纹Tr28×4-7e 的车削方法
图7
根据图6计算出螺纹各个参数：
大径：d=28 螺距：P=4
牙高： h3=2.25 牙槽底宽：W=1.33
小径：d3=d-2h3=23.5 牙槽顶宽：f3=2.56
梯形螺纹槽分层计算
根据螺纹的牙高分层以及计算特殊点位置：
k1=(2.56-1)/2-0.5tan15º=0.65 第一层分别向左右赶刀0.65/0.1=6次
k2=(2.56-1)/2-tan15º=0.51 第二层分别向左右赶刀0.51/0.1=5次
k3=(2.56-1)/2-1.5tan15º=0.38 第三层需要分别向左右赶0.38/0.1=3次k4=(2.56-1)/2-2tan15º=0.24 第三层需要分别向左右赶0.24/0.1=2次（1.33-1）/2=0.17 最后一层需要分别向左右赶刀0.1/0.1=1次用主程序调用子程序的加工方法编程(粗加工)：
O0001；主程序
G0 X99 Z99；
M3 S250 T0303；
G0 X30 Z5；
G92 X28 Z-65 F4；
G0 X28；
M98 P100002；第一层X向进刀
M98 P60003；左赶刀
G0 Z5；返回中间点
M98 P60004；右赶刀
G0 Z5；返回中间点
M98 P100002；第二层
M98 P50003；左赶刀
G0 Z5；返回中间点
M98 P50004；右赶刀
G0 Z5；返回中间点
M98 P100002；第三层
M98 P30003；左赶刀
G0 Z5；返回中间点
M98 P30004；右赶刀
G0 Z5；返回中间点
M98 P100002；第四层
M98 P20003；左赶刀
G0 Z5；返回中间点
M98 P20004；右赶刀
G0 Z5；返回中间点
M98 P50002；最后一层
M98 P10003；左赶刀
G0 Z5；返回中间点
M98 P10004；右赶刀
G0 Z5；返回中间点
G0 X99；
Z99；返回安全点
M30；程序结束
O0002；子程序（X向进刀）G0 U-0.1；每次进刀0.1
G32 Z-65 F4；车螺纹
G0 U9；X向退刀
G0 Z5；Z向退刀
G0 U-9； X向定位
M99；返回主程序
O0003；子程序（左赶刀）
G0 W-0.1；每次想左赶刀0.1
G32 W-65 F4；车螺纹
G0 U9；
G0 W65；
G0 U-9；
M99；返回主程序
O0004；子程序（右赶刀）
G0 W0.1；每次向右赶刀0.1
G32 W-65 F4；车螺纹
G0 U9；
G0 W65；
G0 U-9；
M99；返回主程序
以上的程序通过分层并且左右切削的方法，尽量减少了个刀面同时受力,走刀路线如下图所示：
图8
精加工：
O0005；
G0 X99 Z99；
M3 S200 T0303；
G0 X30 Z5；
G0 W-0.165；
G92 X23.5 Z-65 F4；
G0 W0.33 ；
G92 X23.5
Z-65 F4；
从上程序可见，使用调用子程序的编程方法大大减小了程序的段数以及输入程序的时间，但是每一层都需要计算赶刀的次数，所以调用子程序的编程方法比较适合加工牙高不大梯形螺纹。

对于牙高比较大的梯形螺纹可以引入宏变量来进行编程，有利于减小计算量。

3、宏程序编程方法加工梯形螺纹实例
（1）宏变量的功能以及格式
尽管调用子程序对编制相同操作的程序非常有用，但宏程序由于允许使用变量、算术和逻辑运算及循环和转移，使得编制相同加工的操作的程序更方便、更容易。

GSK980TDa数控车系统提供了类似于高级语言的A类宏代码，用户宏程序可以实现变量赋值，算术运算，逻辑判断及条件转移，利于编制不同尺寸零件加工的程序，减少手工编程时进行繁琐的数值计算，精简用户程序。

运算命令和转移命令指令G65
一般代码格式：
G65 Hm P#i Q#j R#k；
其中；m：表示运算命令或转移命令功能
#i：存入运算结果的变量名
#j：进行运算的变量名1，可以是常数。

#k：进行运算的变量名2，可以使常数。

代码意义：#i=#j □#k；方框表示运算符号，由Hm的具体含义决定；例：P#100 Q#101 R#102 表示#100=#101□#102 ；
（2）宏运算、跳转格式
（3）实例编程与加工分析
下面以图9中梯形螺纹Tr36×6-7e为例，介绍如何运用宏程序来加工梯形螺纹，以及加工过程中需要注意的问题。

图9
根据图6计算出螺纹各个参数：
大径：d=36 螺距：P=6
牙高： h3=3.5 牙槽底宽：W=1.928
小径：d3=d-2h3=29 牙槽顶宽：f3=2.196
编出具体编程(梯形螺纹粗加工部分)及说明如下：
O0023；程序号
M3 S300 T0303；选定转速与刀号
G0 X99 Z99；参考点
G0 X38 Z-15；循环起点
G65 H1 P#101 Q36；定义大径
G65 H1 P#102 Q29；定义小径
G65 H1 P#103 Q0； X方向的进刀累加量
G65 H1 P#104 Q-55；设定螺纹的长度
G65 H1 P#105 Q1；设定刀宽
G65 H1 P#106 15000；定义牙型半角（宏程序中角度的单位为0.001）G65 H1 P#107 Q1.928；设定槽底宽
G65 H1 P#108 Q3.8；设定顶宽
G65 H1 P#109 Q6；设定导程
G65 H1 P#110 Q0.2；设定X向每刀进刀量
G65 H1 P#111 Q0.2；设定Z向每刀进刀量
G65 H3 P#112 Q#208 R#105；
G65 H5 P#113 Q#112 R2；
G92 X#101 Z#104 F#109；
N1 G65 H2 P#103 Q#103 R#110； X向每刀进给累加
G65 H5 P#114 Q#103 R2；
G65 H1 P#121 Q0； Z向进刀累加量归零
G65 H33 P#115 Q#114 R#106；
G65 H3 P#116 Q#113 R#115；关键计算：
G65 H3 P#117 Q#101 R#103；
G65 H84 P3 Q#117 R#102；判断是否到达小径，是则跳出循
环，否则继续执行
N2 G92 X#117 Z#104 F#109；加工螺纹
G65 H2 P#121 Q#121 R#111； Z向左移累加量
G65 H83 P1 Q#121 R115；判断是否到达两侧，是则加工
下一层
G65 H4 P#122 Q#121 R2； Z向右移量
G0 W-#121 ；左移
G92 X#117 Z#104 F#109；车螺纹
G0 W#122；右移
G92 X#117 Z#104 F#109；车螺纹
G0 W-#121；回循环起点
G65 H80 P2；跳转到N2
N3 G0 X99 Z99；回参考点
M30；程序结束
以上程序通过引入宏变量，可以使加工时的分层更加多，同时又不会让程序变得繁琐，这样有利于加工更大牙高的梯形螺纹。

用宏程序方式进行程序编制，将所有的尺寸和相应的数学逻辑关系用变量的形式表示。

用变量的运算代替数字的运算，这样可以简化计算；用条件跳转来自动计算分层和左右切削的次数，这样可以简化程序。

而且利用宏变量编程可以再加工其他尺寸的梯形螺纹时，不用重新编程和重新计算，只需要把参数改动即可加工，在实际生产中可以大大缩短编程和计算工作。

程序充分考虑了A类宏程序的特点，合理的设置了工艺参数和变量，并在实际加工中取得良好的效果。

其宏程序编程的流程如图10所示：
图10程序示意图
五、结论
在GSK980TDa数控车加工梯形螺纹的研究中，通过在工艺和编程方法两方面的改进，很大程度上改善了加工梯形螺纹时存在的工艺和编程上的困难，提高了生产效率和加工质量。

工艺方面：采取分层切削法加工梯形螺纹，大大减少了扎刀、断刀现象。

编程方面：
（1) 使用调用子程序加工梯形螺纹，能够一定程度简化程序。

（2) 用宏变量进行编程能能够大程度地解决梯形螺纹计算复杂和编程繁琐的问题，使效率大大提高，使编程简单化。

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（3) 宏程序的编制更加灵活和实用，在实际生产中，加工不同尺寸的梯形螺纹，只需修改螺纹参数相关的变量，不必重新编程和计算，可以提高生产效率。

参考文献
（1）广州数控设备有限公司.《GSK980TDa系类车床CNC使用手册》[M].广州：2009. （2）沈建锋.《数控加工生产实例》[M]. 北京：化学工业出版社,2007.225—260.。