使用CAM軟件加工異形螺紋的方法

提出一種使用CAM軟件車削各類圓弧、曲面無(wú)法計(jì)算的不規(guī)則截面的異形螺紋的方法，通過(guò)繪制螺紋截面，分析截面參數(shù)選用刀具，將CAD線型導(dǎo)入NX三維軟件；輸入刀具規(guī)格，創(chuàng)造單齒毛坯輪廓，指定加工方式，選定切削區(qū)域，調(diào)整刀軸加工矢量，刀路軌跡設(shè)置，以及生成仿真銑削加工刀路驗(yàn)證；后處理程序，替換程序格式，提取變量X值、Z值，程序?qū)肽M器驗(yàn)證，完成異型螺紋車削加工。1

序言在大力發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)、改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)下，機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)必然會(huì)朝更加復(fù)雜、精度更高的方向發(fā)展。異形螺紋在起重設(shè)備、船舶、航空航天等行業(yè)零件聯(lián)接中都廣泛使用，加工該類螺紋，傳統(tǒng)采用成形刀或手工編制宏程序來(lái)完成。成形刀因切削力大，對(duì)操作人員技能要求高，加工表面粗糙度差等原因并不適合加工大導(dǎo)程或精度高的異形螺紋，同時(shí)在質(zhì)量上也難以進(jìn)行有效地控制。使用手工編制宏程序的方法在精度上較成形刀有較大提升，但其特點(diǎn)是運(yùn)用數(shù)學(xué)幾何公式指令來(lái)控制刀具的加工路徑，但編制宏程序的難度較大，對(duì)程序編制人員技術(shù)文化水平要求較高，需要將螺紋截面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成具有復(fù)雜邏輯判斷的數(shù)控加工程序，由于出錯(cuò)概率較大，因此無(wú)法廣泛應(yīng)用。針對(duì)以上不足，通過(guò)積極探索和大膽創(chuàng)新，成功開(kāi)發(fā)了一種使用CAM軟件車削異形螺紋的方法。2

技術(shù)分析及難點(diǎn)2.1異形螺紋牙形的分析梯形圓螺紋（見(jiàn)圖1）螺距為44mm，牙形高度為0.55P＝24.2mm，螺紋大徑400mm，牙頂圓弧R1＝6.76mm，底部圓弧R2＝9.72mm，其牙形角和圓螺紋、梯形螺紋相同，均為30°，螺紋接觸高度介于圓螺紋和梯形螺紋之間。在加工編程時(shí)，需用刀具圓弧逼近零件輪廓的節(jié)點(diǎn)計(jì)算，讓刀具圓弧去擬合工件的外形曲線，如用傳統(tǒng)宏程序編制必須用函數(shù)公式計(jì)算出每段圓弧的半徑及圓心、起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的坐標(biāo)值。

圖1

梯形圓螺紋示意鋸齒形螺紋（見(jiàn)圖2）螺距為10mm，牙形高度為0.575P＝5.75mm，螺紋大徑300mm，牙頂圓弧R1＝0.75mm，底部圓弧R2＝1.24mm，該螺紋旋合后，大徑無(wú)間隙便于對(duì)中，牙形角為45°，兼有矩形螺紋傳動(dòng)效率高和梯形螺紋牙形螺紋牙根強(qiáng)度高的特點(diǎn)，是用于單向受力的傳動(dòng)螺紋。

圖2

鋸齒形螺紋示意大導(dǎo)程螺紋加工時(shí)需要采用先分層擬合再逐步車削的方法，梯形螺紋（見(jiàn)圖3）可直觀展現(xiàn)出此加工方法，將牙槽深度進(jìn)行分層，刀具通過(guò)程序控制改變螺紋循環(huán)的切削起點(diǎn)，逐層加工，使刀具背吃刀量減少，在切削過(guò)程中螺紋刀有一側(cè)切削刃沿牙形截面進(jìn)行分層切削，具有排屑順暢和加工余量均勻的特點(diǎn)。

圖3

梯形螺紋分層車削示意2.2

加工刀具設(shè)計(jì)（1）刀具選擇

螺紋加工的效率和表面質(zhì)量取決于螺紋刀規(guī)格選擇是否合理，加工常規(guī)的三角螺紋和梯形螺紋會(huì)選用螺紋成形刀，以上螺紋由于導(dǎo)程大、牙形深，切削量比普通螺紋大得多。如采用普通螺紋加工方法，選擇大刀具加工，大螺距異形螺紋由于螺紋的升角相對(duì)于較大工件與機(jī)床需要承受巨大相互作用力，從而容易導(dǎo)致工件變形及增加機(jī)床傳動(dòng)部件磨損，因此普通加工方法既難以滿足螺紋精度要求，也會(huì)減少機(jī)床壽命。選用刀具沿著螺紋輪廓線依次分層進(jìn)刀，這樣就會(huì)顯著降低切削阻力。一般選用螺紋刀會(huì)考慮以下幾點(diǎn)。1）待加工螺紋牙形與刀具形狀的匹配性。2）刀具寬度和R

角需小于螺紋牙底最小截面尺寸。3）刀片材質(zhì)是否能滿足被切削材料的加工性能。4）刀具能否與螺紋截面形狀建立便捷的運(yùn)算邏輯關(guān)系。（2）走刀路線設(shè)計(jì)

走刀路線是指數(shù)控車床加工過(guò)程中刀具相對(duì)于被加工工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，由于走刀軌跡的優(yōu)劣與零件的加工精度和表面質(zhì)量密切相關(guān)，因此它的設(shè)計(jì)合理性非常重要。雖然減小步距的方法，可以在一定程度上提高表面粗糙度和精度，但這樣會(huì)使加工時(shí)間延長(zhǎng)，加工效率降低。為了兼顧精度和效率，刀具可以用不同的進(jìn)給方式加工工件，它對(duì)切屑形狀、刀具磨損和螺紋質(zhì)量具有不同的影響，應(yīng)根據(jù)機(jī)床、工件材料、刀片槽形和螺距確定進(jìn)給方法。目前常用的有3種進(jìn)給法：側(cè)向進(jìn)給法、徑向進(jìn)給法和交替進(jìn)給法。確定走刀路線一般有以下原則。1）選用合適的切削步距保證零件加工精度。

2）縮短走刀路徑，減少多余的抬刀時(shí)間。

3）方便數(shù)值計(jì)算，降低編程難度，易于檢查錯(cuò)點(diǎn)。

4）控制程序段數(shù)，減輕機(jī)床讀取負(fù)擔(dān)。2.3異形螺紋加工程序設(shè)計(jì)異型截面螺紋有各式各樣的牙形，為了得到良好的螺紋質(zhì)量，使用現(xiàn)代化的切削刀具和科學(xué)的走刀路線來(lái)加工螺紋是有效可靠的工藝保證。異形螺紋基本為大螺距曲面螺紋，刀具對(duì)工件產(chǎn)生的切削力不易掌握。加工刀具一般為帶R

圓弧槽刀。主體思路是利用NX三維軟件銑削編程功能采集異形螺紋截面坐標(biāo)點(diǎn)位，并通過(guò)科學(xué)的替換和驗(yàn)證最終獲得車削加工的程序。異形螺紋程序開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

圖4

異形螺紋程序開(kāi)發(fā)流程3

開(kāi)發(fā)實(shí)施過(guò)程使用該方案開(kāi)發(fā)的螺紋程序已成功加工了上述所提到的梯形螺紋、鋸齒形螺紋和梯形圓螺紋等。需要說(shuō)明的是，該方法同樣適用于加工矩形螺紋和圓錐螺紋（拋物線、雙曲線）等，下面所剖析的是TY400X44梯形圓螺紋加工程序制作方法。3.1確定螺紋截面TY400X44螺紋（見(jiàn)圖5）螺距為44mm，牙形高度為0.55P＝24.2mm，螺紋大徑400mm，牙頂圓弧R1＝6.76mm，底部圓弧R2＝9.72mm，螺紋中徑公差為。根據(jù)GB/T10051.5－2010標(biāo)準(zhǔn)得到理論輪廓截面數(shù)據(jù)，并使用CAD按1∶1繪制。在加工編程時(shí)需用圓弧逼近零件輪廓的節(jié)點(diǎn)計(jì)算，讓刀具圓弧去擬合螺紋的外形曲面切削，來(lái)保證表面粗糙度值Ra＝3.2μm和螺紋公差。

圖5TY400X44螺紋基本截面3.2分析截面選用刀具選用8mm寬槽刀沿著螺紋輪廓線依次分層進(jìn)刀，如圖6所示，這樣會(huì)顯著降低切削阻力。使用CAM編程選用螺紋刀需要保證以下幾點(diǎn)：①刀頭的排屑槽須順暢。②刀具寬度和R角需小于螺紋牙底最小截面尺寸。③刀片材質(zhì)是否能滿足被切削材料的加工性能。④軟件刀具庫(kù)參數(shù)與實(shí)際螺紋刀相匹配。

圖6

刀具與螺紋牙形分析3.3二維數(shù)據(jù)導(dǎo)入NX三維軟件經(jīng)過(guò)確認(rèn)無(wú)誤的二維輪廓需要轉(zhuǎn)換成三維模型，具體操作如下。

打開(kāi)NX軟件點(diǎn)擊：文件→導(dǎo)入→dxf/dwg→選擇你要導(dǎo)入的dxf或dwg文件（默認(rèn)導(dǎo)入的是英制單位，點(diǎn)擊修改設(shè)置可改為公制單位）→確定。

3.4笛卡爾坐標(biāo)設(shè)置

螺紋在數(shù)控機(jī)床上加工一般都會(huì)將X零點(diǎn)設(shè)到理論軸線上，Z值起刀點(diǎn)會(huì)至少空開(kāi)一個(gè)螺距，在三維軟件里就需要事先將原始坐標(biāo)系設(shè)置在理論（紅色）軸線上，然后將XM

+朝向螺紋外圓，ZM

+朝向螺紋端面，如圖7所示。

圖7

坐標(biāo)系設(shè)置進(jìn)入加工模塊還需要設(shè)置加工坐標(biāo)系，一般為了操作方便會(huì)將XM、ZM零點(diǎn)與Xc、Zc坐標(biāo)原點(diǎn)重合。Y值在車床坐標(biāo)系中是不存在的，它存在于笛卡爾坐標(biāo)系中。后續(xù)運(yùn)用銑削螺紋截面功能會(huì)用到，但最終在程序轉(zhuǎn)換成車削加工過(guò)程中會(huì)被省略掉。3.5制作銑削加工刀路（1）創(chuàng)建單齒毛坯輪廓在創(chuàng)建模型操作后續(xù)加工設(shè)置中只需要一個(gè)齒的曲面數(shù)據(jù)即可，如果將螺紋全部設(shè)置成實(shí)體模型，會(huì)對(duì)后續(xù)生成刀路產(chǎn)生多余的計(jì)算時(shí)間，影響生成效率。操作步驟為：進(jìn)入草圖→繪制拉伸區(qū)域線框→選擇拉伸命令→選中需拉伸輪廓→拉伸厚度5mm→確認(rèn)。創(chuàng)建模型如圖8所示。

圖8

創(chuàng)建模型（2）指定加工方式

進(jìn)入加工應(yīng)用模塊，它可以提供互交式編程和后處理等功能。此加工方案主要思路是運(yùn)用NX強(qiáng)大的銑削功能生成的刀路軌跡轉(zhuǎn)換成車削加工程序來(lái)完成異形螺紋的加工。選定的加工方式為

Millcontour子工序，子類型為CAVITY_MILL（型腔銑），這種加工方式主要運(yùn)用在粗加工時(shí)，可以設(shè)定待加工區(qū)域的毛坯形狀，通過(guò)移除垂直于固定刀軸的平面切削層中的材料，對(duì)輪廓形狀進(jìn)行粗加工。由于其可以精準(zhǔn)控制刀具規(guī)律和清晰地分層銑削，因此特別適合用作大導(dǎo)程異形螺紋的粗車刀路程序。（3）輸入刀具規(guī)格參數(shù)將選用好的刀具規(guī)格輸入在參數(shù)表中，此次確定的粗車刀具為8mm槽刀，刀尖兩側(cè)有R＝0.8mm的圓弧角可以提高在長(zhǎng)時(shí)間的螺紋粗車時(shí)的使用壽命并提供良好的切屑控制。（4）選定切削區(qū)域在創(chuàng)建的數(shù)模中選取需要加工單個(gè)齒的曲面輪廓。進(jìn)入草圖界面畫出需要修剪的圖框，數(shù)模拉伸厚度為5mm，修剪框?qū)挾仍O(shè)定為3mm，目的是在加工時(shí)可以用修剪邊界命令修剪出輪廓清晰分明的刀路。為了增加生成程序的精度，還需要將切削參數(shù)里的內(nèi)外公差選項(xiàng)設(shè)置成0.01mm。（5）調(diào)整刀軸加工矢量因?yàn)樵阢娤骷庸し绞街型ǔＤJ(rèn)的加工矢量為Z+，而在車床中螺紋截面法向是X

軸，軸向?yàn)閆

軸，所以必須將刀軸加工矢量調(diào)整為X+，這跟笛卡爾坐標(biāo)設(shè)置的意圖一致，即為了方便生成程序的X值和Z值可直接用于車床加工坐標(biāo)系。（6）刀路軌跡設(shè)置

這項(xiàng)設(shè)置是制作銑削加工刀路中最關(guān)鍵的一項(xiàng)，通過(guò)這里的參數(shù)設(shè)置，可以確定進(jìn)刀方式、步距、層深及余量控制等。將最大步距設(shè)置為恒定6mm，切削模式為單向，每刀公共切削深度為0.1mm，設(shè)置部件的側(cè)面余量與地面余量均為0.2mm。3.6生成仿真銑削刀路

經(jīng)過(guò)前面一系列的準(zhǔn)備后在操作模塊生成仿真刀路，如圖9所示，通過(guò)刀軌可視化界面來(lái)驗(yàn)證刀路是否合格，進(jìn)入3D可視化模擬加工觀察切削順序和下刀路徑的邏輯性。如果驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)刀路的軌跡和切削的參數(shù)不合理應(yīng)再次進(jìn)行調(diào)整。

圖9

仿真銑削刀路3.7后處理導(dǎo)出程序把確認(rèn)好的刀路導(dǎo)出為加工程序，由于使用的加工車床系統(tǒng)是西門子SINUMERIK840Dsl，所以需要西門子840D的后處理來(lái)導(dǎo)出程序。一般程序頭使用數(shù)控G代碼指令來(lái)定義刀具尺寸、起始加工坐標(biāo)及轉(zhuǎn)速走刀等基本指令，程序后面是走刀路徑的坐標(biāo)和快速退刀等。

3.8替換程序格式和驗(yàn)證

因?yàn)樯傻氖倾姶布庸こ绦?，并不能運(yùn)用于數(shù)控車床的加工，所以需要將程序中的G代碼替換掉，使程序適用于車床加工。具體操作步驟如下。螺紋程序替換與驗(yàn)證如圖10所示

圖10

螺紋程序替換與驗(yàn)證1）程序頭增加循環(huán)賦值，包括螺紋的加工長(zhǎng)度R44、螺紋大徑R45、螺距R4、徑向退刀位置R47、主軸轉(zhuǎn)速和機(jī)床半徑讀取轉(zhuǎn)換等。2）將G00快速抬刀值替換成X＝R47。

3）將Y值去程替換成G33Z＝R44K＝R40。完成螺紋車削的指令。

4）把Y值回程替換成空格。

替換操作結(jié)束后使用模擬器對(duì)螺紋程序進(jìn)行試切來(lái)驗(yàn)證。由于此螺紋程序制作方法是首次研制，需要實(shí)際加工試件來(lái)驗(yàn)證。在設(shè)備DVT160數(shù)控立式車床試車削螺紋（見(jiàn)圖11），驗(yàn)證了此加工方法安全可靠。

圖11

螺紋試切以上介紹的是螺紋粗車程序生產(chǎn)方法，實(shí)際加工還需要將軟件參數(shù)的余量設(shè)置調(diào)整為精車刀路，對(duì)螺紋進(jìn)行精車。4

研制過(guò)程創(chuàng)新點(diǎn)分析在開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要圍繞刀具與異形截面的坐標(biāo)點(diǎn)擬合來(lái)進(jìn)行剖析。有以下幾個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

4.1刀具轉(zhuǎn)換思路

傳統(tǒng)異形螺紋會(huì)使用仿形刀具來(lái)加工，這樣加工效率低、出錯(cuò)率高及質(zhì)量不穩(wěn)定。本方案中運(yùn)用軟件設(shè)置立銑刀轉(zhuǎn)換成直槽刀來(lái)完成刀具創(chuàng)新。立銑刀的直徑為8mm，底部刃口R＝0.8mm，與螺紋槽刀寬度和R角一致，如圖12所示。這樣就可以方便的將NX生成銑削坐標(biāo)點(diǎn)位轉(zhuǎn)換成車削坐標(biāo)點(diǎn)位。操作過(guò)程中只需要考慮刀具的寬度和

R

角能否滿足牙底最小截面尺寸，不需要花時(shí)間人工分析復(fù)雜的邏輯運(yùn)算關(guān)系。

圖12

刀具轉(zhuǎn)換4.2坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換由于軟件生成的是銑削刀路，程序中必然會(huì)存在Y

值，然而實(shí)際螺紋車削加工不需要Y

值，因此需要在設(shè)置銑削操作時(shí)預(yù)先將笛卡爾加工坐標(biāo)系的X+朝螺紋徑向；Z

軸原點(diǎn)設(shè)置在軸線上；Y

軸朝平面法向；切削方向設(shè)置中把默認(rèn)的刀軸Z+向改為X

軸正方向。這樣生成的加工程序就能和實(shí)際車削坐標(biāo)軸一致。4.3程序格式轉(zhuǎn)換由于生成的是銑床加工程序，并不能運(yùn)用于數(shù)控車床的加工，因此需要將程序中的G代碼替換掉使程序適用于車床可以加工的程序。首先需要增加程序頭以增加循環(huán)賦值，包括螺紋的加工長(zhǎng)度R44、螺紋大徑R45、螺距R40、徑向退刀位置R47、主軸轉(zhuǎn)速及增加機(jī)床半徑讀取轉(zhuǎn)換（DIAMOF）命令。將G00快速抬刀值替換成X＝R47，這樣螺紋每次X方向退刀位置都可以固定的空開(kāi)一個(gè)螺距值。將銑削的Y值替換成G33Z＝R44K＝R40，這是每次螺紋刀固定為一個(gè)起刀點(diǎn)后執(zhí)行的一步螺紋車削命令，賦值R44代表著螺紋車削長(zhǎng)度。按照自動(dòng)生成的起始坐標(biāo)點(diǎn)X

值、Z

值循環(huán)的加工，一直到螺紋加工結(jié)束。5

結(jié)束語(yǔ)通過(guò)以上介紹的螺紋程序