大导程变螺距螺纹的车削及编程
摘要：变螺距螺纹在一些行业的用途极其广泛，数控车床上车削大导程变螺距螺纹，要解
决的关键问题是分层车削、偏移量的计算和加工程序的编写。本文以着重等牙宽变螺距螺纹在西门子 802D数控系统中的加工实例为例，阐述变螺距螺纹的数控加工原理及利用宏程序分层车削的编程方法，并给出原程序（小机械产品面条挤压螺杆程序），为生产中解决变螺距螺纹的加工提供参考依据，在以后的加工中根据所需的尺寸不同，只需修改其中的基本参数即可用于加工。
关键词：变螺距螺纹 分层车削 宏程序编程 802D数控系统
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目录
引言…………………………………………………………………………………………… 3
一 变螺距螺纹计算与车削方法 ……………………………………………………………5
㈠ 螺距变化规律…………………………………………………………………………5 ㈡ 成型工艺分析…………………………………………………………………………5 ㈢变螺距螺纹的分层车削…………………………………………………………………5 ⑴ 等槽宽变螺距螺纹加工………………………………………………………………6 ⑵ 等牙宽变螺距螺纹加工………………………………………………………………6
二 变螺距螺纹加工编程实例与实际应用……………………………………………………7
三 结论………………………………………………………………………………………8
参考文献…………………………………………………………………………………9
附录………………………………………………………………………………………9
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引言
变螺距螺纹指螺纹螺距不是固定的，而是沿着螺旋线方向逐渐的变大或减小，有等槽宽变螺距螺纹（图1）和等牙宽变螺距螺纹（图2）两种形式。
图1 等槽宽变螺距螺纹
图2 等牙宽变螺距螺纹
变螺距螺纹的应用非常广泛，在塑料、食品、轻纺工业和橡胶使用的挤出机械上，大量使用着各种类型的挤出螺杆，其中变螺距螺杆因螺距变化均匀，使丝杠螺旋槽的容腔也随之发生均匀变化，被挤压材料随螺旋槽容腔的减小而逐渐被挤紧、挤压力增大，被挤压材料自动、均匀的挤入到模具型腔中，因此具有压缩比大、压缩均匀、吃料情况好、出料口物料连续性好、送料均匀等诸多优点，挤出性能最佳（如我们所做全自动压面机的面条挤压螺杆）。但是，如何精密地加工变螺距螺纹，在实际生产中存在较大的技术难度，传统加工方法通常有两类：一是在铣床上采用手工加工的方法完成，劳动强度大、精度低、效率低，且经常出现废品；二是在卧式车床进给系统中，增设一套凸轮变速机构辅助装置实现变速加工，虽然能保证精度，但所
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需技术难度较大，设计成本高，变螺距增量调整麻烦，不利于推广应用，导致其应用受到一定。现代数控系统具有强大的宏程序功能，用户通过变量编程运算，可大大提高数控机床的加工能力、加工效率，保证加工质量。笔者经过多年的实践探索，总结了变螺距螺纹加工的编程方法，可解决变螺距螺纹的技术难点。本文以西门子802D数车系统为例，针对变螺距螺纹加工编程进行探讨，为生产中解决类似问题提供参考。
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一 变螺距螺纹计算与车削方法 ㈠ 螺距变化规律
变螺距螺纹的螺距变化是按等差数列规律排列，其螺纹长度是与螺距变化规律和螺纹节数紧密相关，不能随便给出，必须进行严格的计算。
如图1、图2所示，从教学知识可知，第n节螺纹的螺距长度Pn为：
Pn=P1+（n-1）*F
对应n节螺纹长度L。为：
Ln=P1+P2+⋯+Pn=n*P1+n*(n一1)*F／2
式中：P。为第1节螺距；F为螺距变化量；n为第n节螺纹数；L。为n节螺纹长度。 如图2：螺纹长度:
Lo=15+20+25+30=4*15+4*(4-1)*5/2=90
㈡ 成型工艺分析
加工固定螺距螺纹，只需主轴带动工件匀速转动，刀具作轴向匀速移动车削，就可形成等距
螺旋线；而加工变螺距螺纹，则一方面需主轴带动工件匀速转动，另一方面还需刀具作轴向匀加(减)速移动才能形成变螺距螺旋线。一般普通车床，刀具只能沿轴向匀速移动，若要使刀具沿轴向匀加(减)速移动，必需在进给装置中，增加能实现匀变速运动的凸轮变速等附加机构，改造成本较高；现代数控车床所配的数控系统，如西门子802D数车系统，提供了车削变螺距螺纹的功能指令G34、G35，通过R参数变量运算，可直接编程车削变螺距螺纹。 车削变螺距螺纹指令格式为：
G34 X⋯Z⋯I(／K)⋯F⋯；螺距增加的螺纹。 G35 X⋯Z⋯I(／K)⋯F⋯；螺距减小的螺纹。
其中“X⋯Z⋯”表示螺纹切削终点的绝对坐标值，“I(／K)⋯”表示X轴(或Z轴)的起始螺距，取其中较大者，另一个较小的螺距尺寸不用给出；“F⋯”表示螺距变化量。
㈢ 变螺距螺纹的分层车削
数控车床提供了车削变螺距螺纹的功能，这也是数控车床优越性的一个重要体现。但在现有相关材料上对此功能的讲解都较为简单，只是从原理上讲解了变螺距螺纹的加工原理，可操作性差。用一定宽度的螺纹到，加工变螺距螺纹，槽宽相等容易保证，若保证牙宽相等就不好操作，本文着重探讨关于如何保证牙宽相等，槽宽均匀变化。变螺距螺纹有二种情况，一种是等槽宽变螺距螺纹(图1)，一种是等牙宽变螺距螺纹(图2)。数控车床虽然提供了车削变螺距螺纹
5 的功能指令，但如何用一定宽度的螺纹刀，加工出所需变螺距螺纹，必须由操作人员自行编程，实际操作中存在一定的难度，下面以西门子802D数车系统为例，说明如何完成变螺距螺纹的分层车削编程加工。
用G34指令编写其加工程序，但用G34指令编写的加工程序在加工时不能实现分层切削，大导程螺纹在实际加工过程中，由于深度不断加大，加工过程中会出现吃刀深度过大的情况，刀具与螺纹两侧面接触面积越来越大，加工越来越困难，轻则会产生振动，增加刀具磨损，重则出现扎刀、崩刀、断刀，损坏加工工件。因此为了避免出现这样的情况，在变螺距螺纹加工时，要采取分层车削，左右赶刀或单向赶刀的方法，将螺纹按轴向加工余量和径向每次进给一定深度分成若干层，分层进行加工，使每次车削的切削用量基本一样，切削力基本相同，从而降低加工的难度，保证顺利完成螺纹车削。（本文实例为轴向往负方向赶刀，径向分层递进的方法）。
（轴向往负方向赶刀，径向分层递进的方法）
⑴等槽宽变螺距螺纹加工
加工等槽宽变螺距螺纹，可直接通过数控系统提供的变螺距螺纹指令，选择刀宽等于槽宽的刀具进行。以图1所示零件为例，第一个螺距为10mm，螺距变化量为F=4ram，以右端面中心点O坐标系零点，从坐标系零点算起的螺距实际为F=10-4=6mm；在车削螺纹时因主轴升降速影响和安全考虑，刀具起点必须离端面一定距离，因此，可把这一螺距看成是预车螺距，选择切削起 点距离坐标零点端面为6mm的位置；因螺距的变化量为4mm，故起刀点的基本螺距为F=6—4=2ram，根据上述分析计算，利用相关数控指令，即可进行编程加工。以某一刀精车程序如下：
„„„„„„„„„
G00 X44 Z6；螺纹加工起始点
G34 Z一151 K2 F4；加工等槽宽变螺距螺纹 „„„„„„„„„
⑵等牙宽变螺距螺纹加工
等牙宽变螺距螺纹加工，比等槽宽变螺距螺纹复杂，理论上分析，在加工螺纹的过程中，螺距均匀变大(或变小)，即可符合要求，但实际生产中刀具宽度是固定不变的，因此不能仅通过变螺距螺纹指令完成，还必须通过改变螺距K和相应的起刀点来加工，经多次循环反复，逐渐完
6 成等牙宽变螺距螺纹车削，其加工原理如下：首先用变螺距螺纹指令G34(或G35)，加工出一个 等槽宽变螺距螺纹；第二刀切削时，根据起点螺距偏移量，将刀具起始点向端面靠近(或远离所计算的偏移量，同时基本螺距减小(或增大)相应的偏移量，继续用变螺距螺纹指令G34(或G35)加工螺纹。依次类推，第三刀、第四刀切削时，刀具起始点同样再向端面靠近(或远离)一定的偏移量，基本螺距再减小(或增大)一定的偏移量，直至加工到等牙宽变螺距尺寸要求为止。
起点螺距偏移量可通过下面公式计算，以图2所示梯形等牙宽变螺距螺杆为例，由图2可知螺距增量为F=5mm，其中第一个螺距为15mm，最大螺距为30mm，以0点为坐标系零点，选择刀宽为2mm的梯形螺纹刀，第一刀车削后：
轴向剩余最大余量=最大螺距一牙宽一刀宽=30—2—5=23mm。
剩余部分车削削刀数=轴向剩余最大余量÷刀宽=23÷2=11.5，取整数，需车削12刀。 第一刀车削后轴向剩余最小余量=第一螺距一牙宽一刀宽=15—2—5=8mm。 起点螺距偏移量=轴向剩余最小余量÷剩余循环刀数=8÷12=0.6667mm。
二 变螺距螺纹加工编程实例（西门子 802D）与实际应用（图纸见附录1）
HYL.MPF
N10 G54 G94 MO3S200 T1D1 N20 G00 X50 Z10
N30 R1=0.6667 (Z方向每刀起点螺距偏移量) N40 R2=0.2 （X方向每层进刀深度递加量）
N50 R3=0 （起始切削刀数，第一刀不偏移所以为0）
N60 R4=10 （螺纹起始点或空刀量=工件起始螺距（15）-螺距递加量F（5）=10） N70 R5=-90 (变螺距螺纹终点) N80 R6=5 (螺距变化量)
N90 R7=-12 （每层偏移车削刀数为12，向Z负方向赶刀所以为-12） N100 R8=12 （牙型高度12mm）
N110 AA:R2=R2+0.2 （X方向分层切削计算，进刀深度每层递加0.2mm） N120 R3=0 （进入下一层切削起始切削刀数重新为0）
N130 BB:R9=45-2*R2 （螺纹加工X方向起点计算） N140 R10=R4+R1*R3 （螺纹加工Z方向起点偏移计算） N150 G00 X=R9 Z=R10 （螺纹加工起点定位）
N160
G34 Z=R5 K=R4+R1*R3 F=R6 （等牙宽变螺距螺纹车削；加工等槽宽变螺距螺纹时K10+R1*R3
只需要写起始螺距K10而不需要给起始螺距进行偏移）
7 N170 G00 X50 N180 Z10
N190 R3=R3-1 （Z方向车削次数（刀数）加1）
N200 IF R3>=R7 GOTOB BB （根据计算每层需切削12刀，判断当切削刀数不足12
刀时返回BB段继续进行切削，直到够12刀才进入下一层切削）
N210 G00 X50 N220 Z10
N230 IF R2>=R8 GOTOB AA （判断螺纹牙深是否达到图纸要求的12mm，当牙深不足时返
回AA段继续车削，直到达到12mm时程序进入下一段）
N240 G00 X100 N250 Z100 N260 M30
以上程序是以图2为例第一个导程为10mm（空刀导入量=第一节螺距-F）加工中刀具逐渐靠近工件端面，也就是说刀具切削螺纹槽的右侧面，就可以加工成如图2所示的等牙宽变螺距螺纹，这种加工方法是逐渐往负方向赶刀（也可逐渐往正方向赶刀）。G34指令遵循着和螺纹切削指令相同的规定，在应用时还需注意以下几点：
1. 根据不同的要求合理选择刀具宽度。
2. 根据不同情况正确设定F其始值和起刀点的位置。
3. 由于变导程螺纹的螺旋升角随着螺距的增大而变大，所以刀具左侧切削刃的刃磨后角等
于工作后角加上最大螺纹升角ψ，即αo=(30+50)+ ψ.
实际应用：本程序在加工不同尺寸的变螺距螺纹时，只需根据所需更改其中的N30-N100的R参数值，其中N160句程序可根据加工螺纹类型的不同做以改变，如改为G33恒螺距螺纹加工指令，可加工大导程的梯形螺纹，三角形螺纹，矩形螺纹及蜗杆等。
三 结论
实践证明：大导程变螺距螺纹在实际加工过程中，由于螺距不断增加或减小，其切削余量也在不断的增大或减小，深度不断加大，为使每次车削的切削用量基本一样，切削力基本相同，必须采用分层切削的方式加工。同时该程序不仅适用于西门子802D数控系统，同样适用比该系统更高级的810D、840D系统；该编程方法还能用于不同类型(普通螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹或蜗杆等)、不同程度的缩短加工时间，提高加工效率，起到事半功倍的效果，由于采用R参数编程，只需在程序中，根据实际变螺距螺纹情况，更改相关变量的初值即可，毋需修改程序，具有很强的实用性，扩展了数控机床的应用范围，具有一定的借鉴参考作用。
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参考文献：
①西门子股份公司SINUMERIK 802D base line 操作编程手册-车床 2003
②陈文杰，张辉等，用G34加工可变导程螺纹的具体措施，制造业自动化，2007,20 ③彭中华，王海叶等，基于可变导程螺纹加工程序的探讨，机械研究与应用，2009,22 ④冯志刚，利用R参数实现螺纹的粗精加工，数控宏程序编程方法、技巧与实例， 2007,5
附录1：全自动压面机变螺距挤压螺杆附录2：全自动压面机变螺距挤压螺杆
CAD图纸
SolidWorks立体图纸 9
