SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)在多頭螺紋加工中的應(yīng)用

    SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)仍然是當(dāng)今在用的主流數(shù)控系統(tǒng)，是西門子數(shù)控產(chǎn)品的突出代表。SINUMERIK 840D提供了許多創(chuàng)造性的技術(shù)功能，鉆削、銑削和車削加工工藝的各種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)等大大簡(jiǎn)化了頻繁的重復(fù)性加工操作，甚至對(duì)于最復(fù)雜、最精確的應(yīng)用場(chǎng)合，如用于加工刀具及模具的5軸坐標(biāo)銑床的制造，SINUMERIK 840D也能勝任自如。本文中，作者以 600×5210溝紋輥16頭螺紋在其十米數(shù)控車床加工為例，介紹了840D的CYCLE97指令在多頭螺紋加工中的應(yīng)用。

    在普通車床上進(jìn)行多頭螺紋車削一直是一個(gè)加工難點(diǎn)：當(dāng)?shù)谝粭l螺紋車成之后，需要手搖小刀架并用百分表校正，使刀尖沿軸向精確移動(dòng)一個(gè)螺距再加工第二條螺紋；或者打開掛輪箱，調(diào)整齒輪嚙合相位，再依次加工其余各頭螺紋。受普通車床絲杠螺距誤差、掛輪箱傳動(dòng)誤差、小拖板移動(dòng)誤差等多方面的影響，多頭螺紋的導(dǎo)程和螺距難以達(dá)到很高的精度。而且，在整個(gè)加工過程中，不可避免地存在刀具磨損甚至打刀等問題，一旦換刀，新刀必須精確定位在未完成的那條螺紋線上。這一切都要求操作者具備豐富的經(jīng)驗(yàn)和高超的技能。然而，在批量生產(chǎn)中，單靠操作者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和技能是不能保證生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的。在制造業(yè)現(xiàn)代化的今天，高精度數(shù)控機(jī)床和高性能數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用使許多普通機(jī)床和傳統(tǒng)工藝難以解決的問題變得相對(duì)簡(jiǎn)單了一些，而且生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也得到了很大程度的保證。

一、CYCLE97指令的程序格式、加工步驟和參數(shù)說明

1. 程序格式

    程序格式如下：CYCLE97（PIT，MPIT，SPL，F(xiàn)PL，DM1，DM2，APP，ROP，TDEP，F(xiàn)AL，IANG，NSP，NRC，NID，VARI，NUMTH）。

2. 加工步驟

    車刀快速移動(dòng)到起刀點(diǎn)（由DM1、DM2、APP確定），按照IANG指定的進(jìn)給切入角度和VARI指定的穩(wěn)定進(jìn)刀方式或者遞減進(jìn)刀方式開始粗車，粗車次數(shù)由NRC指定，粗車總切深由牙型深度TDEP減去精車余量FAL得到。粗車結(jié)束后，通過一次精車將FAL加工余量切除，然后，根據(jù)NID指定的次數(shù)，進(jìn)行空走刀修光，最后返回起刀點(diǎn)，CYCLE97程序結(jié)束。當(dāng)加工多頭螺紋時(shí)，每一條（頭）螺紋均按以上步驟車成后再開始加工下一條（頭）螺紋。螺紋頭數(shù)由NUMTH指定，第一條螺紋在零件端面圓周方向上切入點(diǎn)的相位由NSP指定，其余各頭螺紋通過自動(dòng)改變刀尖在端面圓周方向上切入點(diǎn)的相位而依次產(chǎn)生。

3. 參數(shù)說明

    PIT——螺距；MPIT——米制粗牙螺紋的公稱直徑，范圍M3～M60（注意，PIT和MPIT在CYCLE97指令中只能選擇一項(xiàng)輸入。例如，M42粗牙螺紋，PIT項(xiàng)不用輸入，MPIT項(xiàng)輸入數(shù)值42；M95X2細(xì)牙螺紋，PIT項(xiàng)輸入數(shù)值2，MPIT項(xiàng)則為空值）；SPL——螺紋起點(diǎn)軸向坐標(biāo)值；FPL——螺紋終點(diǎn)軸向坐標(biāo)值；DM1——螺紋起點(diǎn)直徑；DM2——螺紋終點(diǎn)直徑；APP——起刀點(diǎn)至螺紋起點(diǎn)軸向距離；ROP——退刀點(diǎn)至螺紋終點(diǎn)軸向距離；TDE——螺紋牙型深度；FAL——最后一次走刀的加工余量。以上參數(shù)如圖1所示。

圖1

    IANG——車刀徑向進(jìn)給切入角度，IANG值應(yīng)小于或等于牙型角的一半（當(dāng)從徑向垂直切入時(shí)，IANG為0，也可以不輸入數(shù)值，機(jī)床默認(rèn)為0。IANG為正值，表示每一次走刀總是沿著牙型的同一側(cè)面進(jìn)給。IANG為負(fù)值，表示沿著牙型的兩個(gè)側(cè)面交互進(jìn)刀。IANG為負(fù)值的情況只適用于圓柱螺紋加工，在錐螺紋加工中，無論IANG為正或負(fù)，每一次走刀始終沿著牙型的同一側(cè)面進(jìn)給），如圖2、圖3所示。

圖2

圖3

    NSP——螺紋在零件端面圓周方向上切入點(diǎn)的相位（可以不輸入數(shù)值，機(jī)床默認(rèn)為0。當(dāng)車多頭螺紋時(shí)，表示多頭螺紋的第一條螺紋在零件端面圓周方向上切入點(diǎn)的相位，如圖4所示）。

圖4

圖5

    NRC——粗車走刀次數(shù)；NID——最后空走刀次數(shù)；VARI——每次走刀進(jìn)給切深的選擇方式（1表示加工外螺紋，穩(wěn)定進(jìn)給，每次走刀切削深度相等；2表示加工內(nèi)螺紋，穩(wěn)定進(jìn)給，每次走刀切削深度相等；3表示加工外螺紋，遞減進(jìn)給，每次走刀切削截面的面積相等；4表示加工內(nèi)螺紋，遞減進(jìn)給，每次走刀切削截面的面積相等，如圖5所示）。

    NUMTH——多頭螺紋的頭數(shù)。當(dāng)車普通單頭螺紋時(shí)，可輸入0或不輸入數(shù)值，機(jī)床默認(rèn)為0。

二、零件的結(jié)構(gòu)尺寸及工藝

1.零件簡(jiǎn)圖

零件簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 零件簡(jiǎn)圖

2.工藝

(1)刀具

刀桿型號(hào)為SANDVIK SVVBN 3225P16；刀片型號(hào)為SANDVIK VBMT 16 04 04-PM。

(2)加工參數(shù)

切削速度Vc=140m/min；主軸轉(zhuǎn)速n=75r/min。

(3)工藝方案

    考慮到輥體直徑和長(zhǎng)度尺寸較大、加工余量較大、車刀易磨損等原因，故分成粗、精加工兩道工序。螺紋最終牙型尺寸和精度由精車保證。精車時(shí)加工余量為0.1mm，分兩次走刀，一次走刀切除剩余加工量，第二次空走修光。粗車時(shí)總切深為1.2mm，每刀進(jìn)給切深0.12mm，走刀次數(shù)=10次。

(4)每次走刀進(jìn)給切削深度的方式選擇

    由于所選機(jī)夾刀具是非標(biāo)準(zhǔn)螺紋車刀（35°牙型角，非標(biāo)），該刀片前角、后角偏大，且無螺旋升角，導(dǎo)致切削力大，刀片強(qiáng)度差，所以采用穩(wěn)定進(jìn)刀方式，即將牙型深度分成若干次走刀完成，每刀進(jìn)給切深相同，這樣可獲得良好的切屑控制，并避免按遞減方式走刀時(shí)所產(chǎn)生的第一次走刀切深過大、易崩刃等問題。

(5)每次走刀進(jìn)給切入角度的方式選擇

    精車時(shí)切削量小，可采用徑向垂直進(jìn)刀，以保證螺紋牙型準(zhǔn)確，精度高，并可獲得好的表面粗糙度。粗車時(shí)切削量大，如果采用徑向垂直進(jìn)刀，考慮到兩條刃同時(shí)切削，因?yàn)檩侒w壁厚較小（δ16mm），輥?zhàn)觿傂暂^差，加工中易產(chǎn)生振動(dòng)；徑向垂直進(jìn)刀會(huì)形成V形切屑，切削熱量大，刀尖圓角易過載，所以我們采用改進(jìn)式側(cè)向進(jìn)刀。這樣可獲得扁平卷曲切屑，排屑良好，切削熱量小，刀具壽命長(zhǎng)，如圖7所示。

圖7

三、編程

1.CYCLE97各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定

    PIT，多頭螺紋的螺距值就是單條螺紋的導(dǎo)程，按圖6取40。MPIT，空值，不用輸入。SPL，按圖6取0；FPL，按圖6取-5210。DM1，按圖6取600。DM2，按圖6取600。APP，起刀距離一般按3～5螺距，為了便于檢查刀具磨損情況和換刀，可適當(dāng)放大，這里取100。ROP，退刀距離一般按1～3螺距，應(yīng)參考圖紙中退刀槽寬度尺寸確定，此處取30。TDEP，螺紋牙型深度，粗車程序中取1.2，精車程序中取1.3。FAL，最后一次走刀時(shí)的加工余量，根據(jù)前述的工藝方案，實(shí)際加工余量是在精車程序中切除，所以在粗車CYCLE97和精車CYCLE97程序中均取0。IANG，徑向切入角度，粗車時(shí)采用改進(jìn)式側(cè)向進(jìn)刀，取IANG=15，如圖7所示，精車時(shí)按垂直進(jìn)刀，取0。NSP，第一條螺紋在輥體端面圓周方向上切入點(diǎn)的相位，取0。在實(shí)際加工中可根據(jù)需要改變?cè)撝�，以指定車刀加工第幾條螺紋，如圖8所示。VARI，如前所述，選擇穩(wěn)定進(jìn)給方式，取1。NUMTH，螺紋頭數(shù)，取16。所有參數(shù)列于參數(shù)列表中。

2.程序

(1)粗車程序

CYCLE97（40， ，0，-5210，600，600，100，30，1.2，0，15，0，10，0，1，16）

(2)精車程序

CYCLE97（40， ，0，-5210，600，600，100，30，1.3，0，0，0，1，1，1，16）

參數(shù)列表

四、注意事項(xiàng)與常見問題的解決

1.刀具磨損與打刀

    數(shù)控車床加工螺紋時(shí)，程序一般可以通過試車調(diào)整而不斷得到優(yōu)化，最常見的問題是刀具磨損和打刀。為提高刀具使用壽命，防止打刀，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)在車螺紋前的精車外圓工序，應(yīng)保證一定的尺寸精度、圓度、圓柱度和表面粗糙度，并檢查輥面是否有焊接裂紋、夾渣等缺陷，以保證加工余量均勻，車削平穩(wěn)。

(2)走刀進(jìn)行中，不能改變主軸轉(zhuǎn)速倍率開關(guān)。

(3)應(yīng)保證良好的冷卻和潤(rùn)滑。

(4)車削低碳鋼、不銹鋼等材料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不易斷屑的長(zhǎng)條狀切屑，應(yīng)防止其卷入車刀和工件之間，使刀尖受擠壓斷裂。操作者必須注意人身安全。

(5)需要中途換刀時(shí)，可待車刀返回到起刀點(diǎn)且尚未進(jìn)給前，將主軸轉(zhuǎn)速倍率旋鈕調(diào)至“0”位。此時(shí)刀架停止，可以更換刀片。為方便操作，可在CYCLE97程序中可將APP值設(shè)大一些。

(6)在實(shí)際加工中，發(fā)生過因?yàn)榇虻抖�使刀片和刀體一起損壞的情況，所以有必要增加一個(gè)刀位作為備用。需要注意：在對(duì)刀時(shí)必須保證這兩個(gè)刀位上螺紋車刀刀尖點(diǎn)坐標(biāo)一致，以免亂扣。

2.打刀后的操作

    在溝紋輥16頭螺紋車削過程中，粗車時(shí)分10次進(jìn)刀，精車時(shí)分2次進(jìn)刀，即每一頭螺紋需要車刀沿 600×5210輥面往復(fù)12次，一共需要192次走刀。每次大約2分鐘，有效車削時(shí)間總計(jì)約384分鐘。在這樣長(zhǎng)的加工時(shí)間里，因?yàn)檐嚨赌�損，切削力增大和輥面材料缺陷、焊縫區(qū)硬度變化等的影響，幾乎每加工10到12頭螺紋，就要打刀一次。打刀后我們可以按照以下步驟操作：

(1)待走刀結(jié)束并返回到起刀點(diǎn)再按“RESET”鍵停止（不能按“EMERGENCY”急停按鈕，否則車刀會(huì)劃傷輥面）。

(2)將碎刀尖從零件表面取出，否則在該位置會(huì)引起重復(fù)打刀。

(3)換刀后如果直接運(yùn)行原程序，車刀又會(huì)從第一頭螺紋開始加工，這樣會(huì)浪費(fèi)時(shí)間。我們可以調(diào)整CYCLE97程序中NSP值，改變第一頭螺紋在輥體端面圓周方向上切入點(diǎn)的相位，使車刀從剛才打刀時(shí)的那頭螺紋上開始加工。例如，打刀時(shí)正在加工的是第9頭螺紋，如果原程序中NSP為0，那么換刀后NSP應(yīng)為180，如圖8所示。

圖8