四轴数控铣床加工进瓶螺旋的教学

毕长波

（秦皇岛职业技术学院,河北 秦皇岛 066000）

进瓶螺旋是由黑色含油尼龙制成，是啤酒、饮料等罐装食品生产线上使用的核心零件。由于不同的设备具有不同的工作参数，进瓶螺旋的结构尺寸也存在较大差异，为保证运动平稳和定位可靠，通常瓶子要作变速运动，所以螺旋上设有变导程弧形螺旋面，这正是该种零件的加工难点。

在普通铣床上加工进瓶螺旋，通常是用与瓶子等径的立铣刀的圆周刃铣削加工，其进给运动包含螺旋作等速旋转，同时铣刀作直线变速运动，从而形成连续的螺旋面。这种方法存在许多不便，首先，与瓶子等径的立铣刀通常不是标准刀具，当瓶子直径改变时，就需另制一把刀具。其次，在普通铣床上进行的变导程加工，精度无法保证。此外，产量较大的厂家将旧车床改造成加工进瓶螺旋的专用铣床，驱动刀架移动的丝杠与进瓶螺旋的导程相同，当进瓶螺旋的导程改变时，就需另制一根丝杠。

加工过程中将螺旋水平放置，做匀速旋转，同时瓶子作直立滑动，它们的轴线互相垂直。由于进瓶螺旋存在螺旋升角，其螺旋面轴剖面的形状不是与瓶子直径相一致的圆弧形，而是与瓶子直径和导程相关的近似圆弧形。这样，轴剖面的弧形随着导程的变化而变化，从而导致成型车刀的廓形也在不断变化，所以车削加工无法完成这一特殊螺旋面。

使用四轴数控铣床加工变导程进瓶螺旋，可以考虑以下几个方案：

（1）使用与瓶子等径的立铣刀，采用宏程序来解决刀具变速运动问题；

（2）使用直径小于瓶子的标准立铣刀，采用宏程序使刀具包络出与瓶子直径大小相同的圆弧，同时可以解决刀具变速运动问题；

（3）首先通过三维软件创建螺旋模型，随后生成四轴加工程序。但就我们当前熟悉的几种软件，如UG、Pro/e和Master CAM，尚无法直接创建出变导程输瓶螺旋的三维模型。通过扫描方式，像制作弹簧、螺纹、麻花钻等零件一样，做出的螺旋无法驱动瓶子。由于存在螺旋升角，螺旋槽无法与直立的瓶子相吻合，如图1 所示，瓶子背后的高亮区域正是发生干涉的体积。只有使瓶子与螺旋这两个圆柱体保持有一定的中心距，通过做各自的运动实现动态的布林减操作，才能形成适合的螺旋曲面。或者说，瓶子实体沿螺旋线扫描所形成的螺旋面才是适合的进瓶螺旋面。而当前的三维软件仅能实现曲线沿曲线的扫描，而无法实现实体沿曲线的扫描。所以第三种数控加工方法只有等到软件升级后才有可能实现。

图1

我们在实践中尝试在西门子802D四轴数控铣床上，采用R参数化程序，使用直径小于瓶子的标准立铣刀加工进瓶螺旋，这也是当前能够保证进瓶螺旋运动参数的唯一有效方法。如图2 所示，进瓶螺旋的外径R1=100，瓶子的直径R2=90，铣刀的直径R3=30，弧形槽的深度R4=23，中心距R6=(R1+R2)/2-R4。铣刀走过AB弧，便可铣削出瓶子直径大小的圆弧，AB弧对应的圆心半角R10=ACOS((R6-R1/2)/(R2/2))。

进瓶螺旋总长为366 mm，其中开始为150 mm，瓶子作等速运动；中间为126 mm，瓶子作等或减速运动；最后为90 mm，瓶子作等速运动。螺旋在这三段转过的角度分别为150、210和360°。在四轴铣床上运行的完整程序如下：

N2 G54

N4 G0 x0 y0 z50 A0 M03 S400；瓶子中心的初始位置为原点

图2

N6 R1=100；R1为螺旋外径

N8 R2=90；R2为瓶子直径

N10 R3=30；R3为铣刀直径

N12 R4=23；R4为弧形槽深度

N14 R5=5；R5为刀具沿AB弧运动的步进值——角度

N16 R6=(R1+R2)/2-R4；R6为螺旋与瓶子的中心距——确定工件原点

N18 R10=ACOS((R6-R1/2)/(R2/2));R10为AB弧对应的圆心半角

N20 R20=R10+R5

N22 MA1:R20=R20-R5；外循环标志

N24 R30=(R2/2-R3/2)*SIN(R20)

N26 R40=(R2/2-R3/2)*COS(R20)

N28 Z=-R1/2

N30 G1 X=R30 Y=R40 F500

N32 G91 A150 X-150

N34 R50=30；为参照前一段的速率

N36 MA2:R50=R50-3；为内循环标志

N38 A30 X=-R50

N40 IF R50>9 GOTOB MA2

N42 A360 X-90

N44 G0 Y=-30

N46 G90 X=R30

N48 Y=R40

N50 IF R20>-R10 GOTOB MA1

N52 G0 Z50

N54 X0 Y0

N56 M30

程序中的N6至N30行，外加N50行为外循环。间隔5°，刀具走完AB弧，外循环结束后，螺旋加工完毕。只需修改R1、R2和R4参数便可适合不同的产品；修改R3和R5可调整刀具和切削参数。刀具每转过5°后停下，插入一个内循环，即刀具沿螺旋轴线方向的分阶段运动，同时伴随有螺旋转动。N32行为匀速运动，在螺旋转过150°的同时，刀具移动150 mm。N34至N40行为等或减速段的循环，当螺旋每转过30°角的同时，刀具移动一个距离，这个距离每次递减3 mm，直至递减至9时停止。这个循环合计转过角210°，移动距离126mm。N42行为等速运动。外循环不需改变程序结构，而内循环程序灵活多样。由于螺旋驱动瓶子速度和瓶子间距因设备运行参数的不同而不同，因此进瓶螺旋的导程变化较大。