基于MasterCAM的等牙顶宽变螺距螺杆的数控四轴铣削加工

孔杰，覃岭，高文博，揭晓

(1.贵州电子信息职业技术学院，贵州凯里556000;2.顺德职业技术学院，广东顺德528333;3.台州科技职业学院，浙江台州318020)

变螺距螺杆广泛应用在塑料、橡胶、造纸、饮料灌装、航空机械、船舶工业等领域[1]。所以，此类螺杆的加工也日益成为工程技术人员需要考虑的问题。

变螺距螺杆的加工方法较多，目前主要有如下几种:(1)仿形铣削加工法[2]，这种方法是铣刀在绕自身轴线旋转的同时，工件一方面作旋转运动，另一方面作不等速的轴向移动，刀具在工件上加工出变螺距螺旋槽;(2)刀具变速移动加工法[3]，这种方法采用普通车床加工，在工件作匀速旋转的同时，刀具根据螺杆螺旋线变化的规律沿工件轴向作进给运动;(3)数控车削加工[4]，是用数控加工程序控制刀具运动轨迹，得到要求的变螺距螺杆;(4)数控铣床加工法[5]，特别是四轴联动数控铣床加工，由于可以降低夹具、刀具成本，同时提高产品加工精度，因此应用越来越多，已逐步成为企业加工变螺距螺杆的主要方法。

1 等牙顶宽变螺距螺杆结构分析

这里以图1所示等牙顶宽变螺距螺杆进行螺杆的结构分析。

图1 等牙顶宽变螺距螺杆

该螺杆为右旋变螺距螺杆，螺杆的初始螺距为16 mm，螺杆螺距增量为2 mm，螺旋线为8圈，牙顶宽为3 mm，螺杆螺距的排列符合等差数列规律，即:

式中:Pn为第n圈螺旋线的螺距，单位为mm;

n为螺旋线圈数;

P1为初始螺距，单位为mm;

K为螺距增量，单位为mm。

将已知条件代入式(1)，得到螺杆的最大螺距为:

Pn=16+(8+1)×2=34 mm

螺杆螺旋线上任意点至螺旋线起始点，在螺杆轴线方向上的距离为Sn，Sn符合等差数列前n 项和规律，即:

将已知条件代入式(2)，得到螺杆螺旋部分轴向总长为:

由计算机图形学及解析几何学可知，螺杆螺旋部分是由一梯形截面绕螺旋线导动形成，根据圆的参数方程得到螺旋线参数方程为:

2 等牙顶宽变螺距螺杆四轴加工工艺

2.1 数控加工工艺流程分析

采用四轴立式加工中心进行螺杆螺旋槽的铣削加工，通过x轴与A轴的联动完成铣削螺旋槽的加工任务(即A轴旋转一周，铣刀x 向走刀一个螺距)，用分层斜进法通过z轴进给进行分层铣削[6]。由于径向加工余量较大，应采用径向(即z 向)分层法进行铣削，又因为其最大螺距已达34 mm，为了减小刀具加工时的切削力，保证刀具安全，沿螺杆轴向 (即x向)的切削余量必须分为多次进刀加工。在加工工艺上，把径向(即z 向)加工余量分为若干层，如图2所示(图中的梯形为螺杆中一个牙槽的总余量)，首先在螺旋槽中线上粗加工，再由外至内分层加工，具体层数可由铣刀背吃刀量确定，各层加工沿梯形牙槽左侧向下斜进，斜壁锥角为15°。

图2 分层铣削法图解

为了保证螺旋槽的加工质量和精度，在加工工艺上分为螺旋槽整体形状的粗加工、螺旋槽侧面的精加工、螺旋槽底部精加工和槽底部清根等几个工序。

2.2 装夹方法

在螺杆的加工过程中，为保证工艺系统具有足够的刚度，在工艺上采用一端用卡爪夹持、另一端用顶尖支撑的方法进行装夹。

2.3 刀具选择

根据不同的加工工序，选择不同的刀具。粗加工螺旋槽整体形状时，应优先考虑刀具的硬度和耐磨性，通过选择合理的刀具角度和切削用量来弥补刀具强度和韧性的不足，所示粗加工工序选用刀具材质为硬质合金YT15、直径为φ8的四刃平底刀进行立铣粗加工;精加工时选择R3 球刀精加工螺牙两侧，φ6 平刀精加工牙槽底及清根。

2.4 切削用量的选择

粗加工时，每齿进给量fz=0.02 mm，切削速度vc=50 m/min，切削深度为ap=1 mm。则主轴转速为:经圆整后为n=2 000 r/min。

进给速度F=fz×z×n=0.02×4×2 650=212 mm/min。

精加工时，可选择n=3 500 r/min，F=300 mm/min。

2.5 工艺路线

(1)选择φ8 平底刀进行粗加工，螺牙两侧及底边留余量0.2 mm。由于牙高H=10 mm，设置切削深度ap=1 mm，因此，径向分10层进行切削加工。

(2)选择R3 球刀进行侧面精加工，φ6 平底刀精加工底面及清根，如图3所示，图中R107与R11均为宏程序中参数而非尺寸。

图3 精加工示意图

3 图形绘制与加工程序编制

3.1 绘制螺旋槽的二维图

按照图纸要求，利用MasterCAM软件的几何图形设计工具，绘制等牙顶宽变螺距螺杆的引导螺旋线[7]，如图4所示。为方便使用四轴数控铣床进行铣削加工，该螺旋线需展开成平面曲线，如图5所示。

图4 螺杆螺旋线图形

图5 螺旋线的展开曲线

平面曲线C1为0°位置的螺旋线展开线，平面曲线C2为位置角度180°的螺旋线展开线，将平面曲线C1左右偏置1/2 牙顶宽后形成两条平面曲线，联接两曲线形成封闭曲线C3。

3.2 粗加工数控程序的编制

螺杆螺旋槽的粗加工必须除去螺旋槽里的大部分加工余量，避免精加工时加工量过大，影响零件的加工精度、表面质量和加工效率。

数控加工程序采用MasterCAM软件编制，在加工工艺参数的选项中设置有关参数，其中加工中刀具参数设置如图6所示。

图6 刀具参数设置

由于螺旋式渐斜垂直下刀的加工方式能有效减少空刀，提高效率，所以采用螺旋式渐斜进刀方式。其参数设置如图7所示，产生的刀具路径如图8所示。

图7 渐降斜插参数设置

图8 螺旋槽中线粗加工刀路

3.3 二次粗加工

对变螺距螺杆螺旋槽中线进行粗加工后，螺旋槽内的加工余量还是比较大而且不均匀，如果接着对螺旋槽进行精加工，将会影响零件的精度和表面质量，因此还需要对螺旋槽进行二次粗加工。

串联平面曲线C3，对螺旋槽进行二次粗加工，分层加工的参数设置如图9所示。

图9 分层加工参数

3.4 精加工

串联平面曲线C3进行螺旋槽侧壁的精加工，刀具选R3 球刀，在z轴进行分层铣削，切削深度设为0.2 mm，φ6 平刀精加工牙槽底及清根，清根最大切削深度设为0.1 mm。

3.5 模拟实体验证

进行相关的设置后，模拟仿真加工后的效果如图10所示。

图10 模拟实体加工效果

4 结束语

使用MasterCAM 编制变螺距螺杆零件的加工程序，采用四轴数控铣床进行加工，与使用手工编程的数控加工相比，大大缩短了加工程序的编写和输入时间，降低了手写加工程序因不便检测而造成加工损失的风险，因此，提高了编程的效率。应用计算机编程技术，使刀具路径的密度合理增大，这有利于保证零件的加工精度及表面质量。通过应用后处理生成的加工程序，在四轴数控铣床上加工该零件，顺利完成了试切加工，达到了零件图纸规定的精度和表面质量要求。

【1】孙伟，范成岩.基于变螺距螺杆加工的普通机床改造[J].机床与液压，2006(1):167－168.

【2】白宇，王平.变螺距螺杆的加工方法[J].现代制造工程，2008(1):24－26.

【3】王永康.变螺距螺杆加工方法[J].食品机械，1987(2):7－8.

【4】刘伟，余英良.大尺寸变螺距丝杆的数控加工[J].农业机械学报，2006，37(5):148－152.

【5】张延.等牙顶宽变螺距螺杆的数控四轴铣削加工[J].金属加工，2011(2):66－69.

【6】揭晓，覃岭.大导程、变螺距螺杆的研制[J].机床与液压，2011，39(24):31－33.

【7】李云龙.MasterCAM9.1数控加工实例精解[M].北京:机械工业出版社，2004.