圓弧面蝸桿數(shù)控車削加工宏程序?qū)崿F(xiàn)

1、圓弧面蝸桿數(shù)控車削加工的宏程序?qū)崿F(xiàn)歐陽德祥詹華西（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430073）摘要： 圓弧面蝸桿作為一種特殊的蝸桿類型，無法用一般蝸桿螺紋的車削方式， 通常需要專用機(jī)床加工。 對(duì)具有宏指令功能的數(shù)控車床而言， 可將圓弧轉(zhuǎn)化為小 線段，然后對(duì)小線段實(shí)施螺紋切削， 采用宏程序循環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)圓弧面蝸桿的 車削加工。實(shí)踐證明，該方法控制方便、適應(yīng)性強(qiáng)，為圓弧面蝸桿加工的實(shí)現(xiàn)提 供了一種新的思路。關(guān)鍵詞：圓弧面蝸桿宏程序螺紋車削中圖分類號(hào)： TH16；TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 圓弧面蝸桿也稱球面蝸桿，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力大、工作壽命長等 優(yōu)點(diǎn)，其傳動(dòng)效率可以達(dá)到0.850.95，

2、承載能力約比普通蝸輪副提高 34倍, 適用于冶金、 礦山、起重、運(yùn)輸、石油、化工和建筑等行業(yè)機(jī)械設(shè)備的減速傳動(dòng)。 但圓弧面蝸桿的加工通常需要專用機(jī)床，或?qū)σ话銠C(jī)床進(jìn)行改造后方可進(jìn)行加 工，因此，往往因生產(chǎn)成本高而制約了其應(yīng)用。本文利用 HNC 系統(tǒng)數(shù)控車床的 宏程序功能對(duì)圓弧面蝸桿中的直廓環(huán)面蝸桿進(jìn)行了加工實(shí)踐的嘗試， 為圓弧面蝸 桿加工的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的思路。1 圓弧面蝸桿的結(jié)構(gòu)及其加工機(jī)制如圖 1 所示直廓環(huán)面蝸桿是圓弧面蝸桿常見形式之一，其節(jié)面為環(huán)面，齒 廓形狀為一直線， 直線的延長線切于直徑為 d 的形成圓。 環(huán)面蝸桿的加工通常在 專用機(jī)床上進(jìn)行。 圖 1 所示專機(jī)加工的實(shí)現(xiàn)方式是采

3、用左右兩把切刀，無論粗切還是精切， 其圓周進(jìn)給分兩次進(jìn)行， 第一次用一把切刀， 在某一圓周進(jìn)給方向加 工蝸桿螺旋槽的一個(gè)側(cè)面， 然后再換另一把切刀并采用相反方向的圓周進(jìn)給加工 蝸桿螺旋槽的另一個(gè)側(cè)面，其調(diào)整控制通過分度交換齒輪和速度交換齒輪實(shí)現(xiàn)。 采用專用機(jī)床加工弧面蝸桿時(shí)通常要對(duì)工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)按一定的 運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系進(jìn)行控制，這就需要較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。ffll2圓弧面蝸桿數(shù)控車削的宏編程控制(1) 小線段螺紋車削的實(shí)現(xiàn)機(jī)制現(xiàn)代數(shù)控車床一般都具有實(shí)時(shí)檢測主軸轉(zhuǎn)速的功能，車螺紋時(shí)可由數(shù)控系 統(tǒng)按螺距比自動(dòng)控制和調(diào)整刀架拖板的進(jìn)給速度，再加上方便實(shí)用的宏程序功 能，利用一定的算法即可實(shí)

4、現(xiàn)螺距及切削軌跡的各種變化控制。因此，其能夠車制的螺紋范圍寬且適應(yīng)性強(qiáng)，采用規(guī)范格式的程序指令即可車削柱面螺紋、蝸桿 以及變螺距螺紋。對(duì)于圓弧面蝸桿而言，雖然無法直接用螺紋切削指令功能實(shí)施 車削加工，但基于上述環(huán)面蝸桿的結(jié)構(gòu)特征，其直線齒廓的形成具有一定的規(guī)律 性，可利用數(shù)控車床的宏程序擴(kuò)展的功能， 配合小線段螺紋車削的控制方法來實(shí) 現(xiàn)。在HNC系統(tǒng)的數(shù)控車床中，使用G32指令可實(shí)現(xiàn)任意直線段的螺紋車削控 制，如果利用宏程序功能，將圓弧段以參數(shù)方程的形式構(gòu)建為數(shù)學(xué)模型，將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)的小線段，然后對(duì)小線段用 G32指令實(shí)施螺紋切削，通過限定范圍 的循環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)以圓弧段為母線的螺紋車削，這

5、就是我們對(duì)弧面蝸桿采用小線段螺紋車削的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。對(duì)直廓環(huán)面蝸桿的直線齒廓上任一點(diǎn)均可按這一機(jī)制 實(shí)現(xiàn)弧線螺紋的加工控制，因此，只要沿輪廓線方向作深度分層，以循環(huán)嵌套宏 程序控制形式，即可完成整個(gè)齒型的粗精加工。(2) 圓弧車刀預(yù)切加工的宏程序編制某圓弧面蝸桿段數(shù)據(jù)如圖2所示，可在先車出兩側(cè)階臺(tái)及 R65mm的外圓弧 輪廓表面后，再用圓弧車刀以齒型中線為深度分層進(jìn)刀的參考線， 按上述小線段 螺紋車削的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行預(yù)切。以下是使用 HNC 21T系統(tǒng)時(shí)編寫的預(yù)切程序。la0000仃0101G90G0X60Z5S100M03#3= 22. 5;弧面圓心Z#4=170;弧面圓心X#6=0 ;切深初值#

6、7=68. 5 63;圓弧刀總切深WHILE#6LE#7DO1 ;切深分層循環(huán)#5=63+#6 ;圓弧半徑#1 = 90 25. 46 *PI/180 ;起始角#2= 90+25. 46 *PI/180 ;終止角#10=10*#5/67. 5;當(dāng)前弧面的螺距G1X #4+2*#5*SIN #1 Z #3+#5*COS #1 F30;到起始位置WHILE#1GE#2DO2 ;圓弧小角度分割G32X #4+2*#5*SIN #1 Z #3+#5*COS #1 F #10;小線段車螺#1=#101；角度遞變ENDW2G0X60F50G0Z5#6=#6+008；切深遞變ENDW1G0X100Z100M

7、05M30 加工時(shí)，圓弧車刀以圓弧中心為刀位點(diǎn)對(duì)刀，其最終切深按兩側(cè)齒廓線以 刀尖圓弧半徑倒圓后的圓心位置來確定， 圓弧段螺紋車制的起始和終止角度可按 超出有效毛坯外的第一個(gè)齒槽位置求算。 采用圓弧車刀預(yù)切結(jié)束的同時(shí)也完成了 齒底的加工，僅剩兩側(cè)齒廓余留量如圖 2 中陰影部分所示。（3）齒廓修形的加工控制 左右側(cè)齒廓的修形加工可分別使用左右切刀以對(duì)應(yīng)的齒廓線為深度分層進(jìn) 刀的參考線， 在計(jì)算出起始走刀位置后， 再按上述小線段螺紋車削的實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn) 行切削加工。如圖 3所示為用右切刀對(duì)右側(cè)齒廓實(shí)施車削控制的示意圖， 以齒頂 所在弧面弦線與中線交點(diǎn)處的圓弧半徑 R64.9mm 為半徑遞增的起始值，參

8、照預(yù) 切加工宏程序算法，以變量 #6 為半徑遞增量，按相似比例關(guān)系即可計(jì)算出與 #6 變化半徑處齒廓到齒形中線的偏置距離bn （變量#8），則弧線上偏轉(zhuǎn)角為a處可通過 z=b nx cos a , x=b nx sin a將原齒形中線的進(jìn)刀點(diǎn)換算到右齒廓上，即 更改預(yù)切程序中 G32 的數(shù)據(jù)算法為 G32X #4+2*#5*SIN #1+2*#8*SIN #1+05*PIZ#3+#5*COS#1+#8*COS#1+05*PIF #10，并按 此算法設(shè)定起始位置。圖4為用左切刀對(duì)左側(cè)齒廓實(shí)施車削控制的示意圖，其算法處理只需更改螺紋車削段為 G32X#4+2*#5*SIN #1+2*#8*SIN

9、#1 -0.5*P門Z#3+#5*COS#1 +#8*COS #1 -0. 5*P門F #10，并按此算法設(shè)定起始位置。3圓弧面蝸桿數(shù)控車削實(shí)現(xiàn)方式的應(yīng)用限制通過對(duì)圓弧面蝸桿采用上述實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行數(shù)控車削加工的實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn),雖然由于刀架不能像專用機(jī)床那樣使刀具沿弧面擺轉(zhuǎn)，但采用直進(jìn)直出的切削方式，配合宏程序作弧面軌跡的運(yùn)動(dòng)控制， 實(shí)現(xiàn)弧面蝸桿的加工還是可行的。 但正 是因?yàn)榈都軣o法隨動(dòng)擺轉(zhuǎn)，考慮到刀具可能的干涉問題，其可加工的應(yīng)用范圍還 是受到一定的限制。(1) 由于刀具采用直進(jìn)直出的運(yùn)動(dòng)，弧面蝸桿有效齒廓線的兩側(cè)不允許有 倒卷，否則會(huì)產(chǎn)生刀具干涉，即弧面蝸桿的弧面半徑和有效區(qū)段的弧心角應(yīng)受到

10、 一定的限制。(2) 由于數(shù)控車實(shí)現(xiàn)方式中蝸桿直線齒廓面是通過逐點(diǎn)分層漸進(jìn)的形式車 削形成的，無法像專用機(jī)床刀架擺轉(zhuǎn)方式那樣依靠增大刀具的有效切刃面積而獲 得較高的表面質(zhì)量，要想得到相對(duì)順滑的齒廓線必須加大分層遞進(jìn)的密度， 因此， 其加工效率尚存在一定的差異，要想獲得加工效率和表面質(zhì)量的平衡，在算法、 刀具結(jié)構(gòu)及工藝控制等方面尚需進(jìn)一步探索。(3) 本文所給出的圓弧面蝸桿數(shù)控車削加工案例是在 HNC21T 上調(diào)試通 過的，由于受數(shù)控系統(tǒng)在宏程序及螺紋車削指令綜合應(yīng)用方面的限制， 有些數(shù)控 系統(tǒng)還不能接受螺距變量控制的格式規(guī)范， 且由于在螺紋車削時(shí)尚有某進(jìn)給軸超 速設(shè)置等種種限制，使得大螺距蝸桿的車削無法進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。4 結(jié)語 利用數(shù)控車床的宏程序功能，將蝸桿圓弧母線直線化，然后以小線段的方 式實(shí)施螺紋車削， 能有效實(shí)現(xiàn)圓弧面蝸桿的加工。 盡管以上切削加工的嘗試僅限 于直線齒廓蝸桿， 但從實(shí)現(xiàn)機(jī)制來看， 只需要構(gòu)建出由齒形中線到齒廓間的換算 關(guān)系，無論齒廓為何種曲線形式，均可方便地由宏程序?qū)崿F(xiàn)各齒面的修形加工。 一旦算法確定， 對(duì)不同規(guī)格大小的系列化蝸桿而言， 不需對(duì)機(jī)床進(jìn)行調(diào)整， 僅簡 單地修改部分程序變量的設(shè)置即可開始實(shí)施切削加工。 對(duì)于小批量多品種弧面蝸 桿的加工來說，使用宏程序控制的數(shù)控車削加工將是一種方便易