大螺距圆弧螺纹的拟合法加工

严帅，王伶俐

(1.南通航运职业技术学院 机电系，江苏 南通 226010；2.南通福乐达汽车配件有限公司，江苏 南通 226300)

0 前言

在螺旋传动机构中，常采用大螺距的圆弧螺纹来传递运动，选择一种高效的圆弧螺纹加工方法很有必要。目前螺纹加工方法有多种，其中螺纹数控车削加工是一种自动化程度较高的螺纹加工方法，在现代制造业中广泛使用，在数控车削系统中有规则螺纹的切削指令，这些指令对应的切削方式和编程方法虽有所不同，但都属于仿形法加工，这些指令较适合加工螺距较小、牙深较浅的螺纹，大螺距圆弧螺纹由于深度大，利用数控系统自带的标准螺纹切削指令进行仿形加工时，易产生扎刀现象，从而会影响圆弧螺纹的加工品质[3]。为此，在加工大螺距圆弧螺纹时可采用拟合法加工，拟合法是建立在宏程序的基础上，依靠编程来解决螺纹加工中切削力过大的问题，采用拟合法数控车削加工大螺距圆弧螺纹，可减轻刀具制造难度，降低劳动强度，提高加工效率和螺纹加工精度。

1 圆弧螺纹拟合加工基础

1.1 拟合加工原理

拟合加工是通过不断改变刀具起点位置对螺纹进行赶刀加工，逐点逼近实际螺纹轮廓的一种加工方法[1]。

图1 分层切削示意图

切削每层圆弧时采用拟合法，通过不断改变刀具起点位置对螺纹进行赶刀加工，逐点逼近实际螺纹轮廓，如图2所示。

图2 分层拟合示意图

1.2 刀具选择

a) 刀具选择原则[2]

拟合加工中，刀具的选择不受螺纹牙型的限制，因此，大螺距圆弧螺纹拟合加工中刀具选择的原则是：

1) 确保刀具具有足够的强度；

2) 刀具不与螺纹牙型发生干涉。

b) 刀具形状

根据刀具选择原则，在采用拟合法加工半圆及大于半圆的圆弧螺纹时，常选用圆弧形车刀，车刀圆弧半径要小于等于螺纹的圆弧半径，以避免发生干涉，同时，为保证足够的强度，车刀圆弧半径不宜过小。

c) 刀具材料

圆弧螺纹拟合加工中，常选用硬质合金刀具或涂层刀具，以适应高速拟合切削，提高加工效率。

1.3 刀具中心轨迹数学模型

图3 刀具中心轨迹坐标系

在直角坐标系xoz中，刀具中心轨迹为圆，半径为R-r,若设刀具中心的方位角为θ，则刀具中心的轨迹方程为：

(1)

数控车削加工中，为了编程方便常取工件右端面中心o1为编程原点，在编程坐标系x1o1z1中，刀具中心起始坐标为(x为直径编程，z向考虑空行程导入量)：

(2)

x=(R-r)sinθm=R-hm-r

设终止角为θm'，由图3可知θm'=π-θm。

2 圆弧螺纹拟合加工程序编制

2.1 拟合加工程序流程图

拟合法是建立在宏程序的基础上，图4是圆弧螺纹加工的宏程序流程图。

图4 宏程序流程图

从图4中可知，圆弧螺纹拟合加工由两重循环组成：第一重循环实现同层圆弧螺纹加工，刀具从初始角θm开始，通过改变方位角，按方程组(1)所示的轨迹运动不断改变刀具起始位置，实现同层圆弧螺旋槽的加工，加工中，每刀方位角与终止角进行比较，当方位角大于终止角，开始第二重循环；第二重循环实现x向的分层切削，完成圆弧螺纹的粗加工，保留精加工余量。

2.2 拟合加工程序变量

为了便于编程，对宏程序中的变量进行如下定义：

#1：层切削深度h；

#2：螺纹圆弧半径R；

#3：刀具半径r；

#4：初始角θm；

#5：终止角θm'；

#6：方位角θ；

#7：刀具中心x坐标；

#8：刀具中心z坐标；

#9：精加工余量 。

2.3 加工程序

编制图5所示零件的圆弧螺纹加工程序，已知螺纹的螺距为10mm，圆弧半径为3.5mm，公称直径为80mm。

图5 圆弧螺纹

图5所示零件拟合加工宏程序如下：

T0101；

M3 S300；

F0.2；

G00x85z20；

#1=0.4； 第一次进刀深度h

#2=3.5； 圆弧半径

#3=2； 刀具半径

#9=0.2； 精加工余量

WHILE [#1 LT [#2-#9]] DO1 ；

#4=arcsin(#2-#3-#1)/(#2-#3)；

#5=π-#4；

#6=#4；

G00 X85；

WHILE [#6LT#5] DO2；

#7=80+2*(#2-#1+(#2-#3)*sin(#6))； 起刀点x向坐标

#8=(#2-#3)*cos (#6)+20 ； 起刀点z向坐标

G01x#7z#8 ；

G32 Z-70 F10；

G01x82；

G00z20；

#6=#6+1；

END 2；

#1=#1+0.4；

END 1；

G00 X85；

#1=3.5；

WHILE [#6LT#5] DO3；

#7=80+2*(#2-#1+(#2-#3)*sin(#6))；

#8=(#2-#3)*cos (#6)+20；

G01x#7z#8；

G32z-70 F10；

G01x82；

G00z20；

#6=#6+1；

END 3；

M30；

3 结语

以上介绍了圆弧螺纹的拟合加工方法，建立了拟合加工中圆弧刀具中心的数学模型，并利用宏程序进行了拟合加工程序的编制，采用拟合法数控车削加工大螺距圆弧螺纹，减轻了刀具制造难度，降低劳动强度，提高加工效率和螺纹加工精度。

[1] 郝继红、甄雪松，等.数控车削加工技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：252-254；.

[2] 严帅.数控车加工技术[M].上海：上海科学技术出版社，2011：12-14；.

[3] 夏静文，穆丽沙.数控车床上圆弧螺纹的宏程序编制与加工[J]，机械工程与自动化，2012，172(3)：68-70.