瓶口模具特殊螺紋的數(shù)控車削

內(nèi)容摘要:1 問(wèn)題的提出通常，礦泉水、可樂(lè)等飲料瓶或食用油及其它生活用液體物盛裝瓶的瓶蓋，瓶口為螺紋連接方式，且其中大部分為特殊螺紋。其特殊性表現(xiàn)在收頭收尾、分段、分段收頭收尾、收短頭收短尾等方面，有時(shí)甚至是幾個(gè)

1 問(wèn)題的提出

通常，礦泉水、可樂(lè)等飲料瓶或食用油及其它生活用液體物盛裝瓶的瓶蓋，瓶口為螺紋連接方式，且其中大部分為特殊螺紋。其特殊性表現(xiàn)在收頭收尾、分段、分段收頭收尾、收短頭收短尾等方面，有時(shí)甚至是幾個(gè)特征綜合在一起。收頭收尾是一個(gè)專業(yè)的俗稱，又叫做螺紋螺旋線收頭收尾或老鼠尾，意指一段螺紋，在螺距不變的情況下，開(kāi)始部分由淺而深，逐漸變“ 粗”，結(jié)束部分由深而淺，逐漸變“ 細(xì)”。常見(jiàn)收頭收尾往往在1/3周～1 周內(nèi)完成。在1/3周內(nèi)甚至1/10周內(nèi)“ 迅速”完成的收頭收尾稱作收短頭收短尾。而常見(jiàn)的螺紋因有進(jìn)刀槽、退刀槽，往往只見(jiàn)螺紋的中間部分，不見(jiàn)頭尾。這種帶有特殊螺紋的塑料瓶的用量之大不言而喻，以至我國(guó)模具之鄉(xiāng)—黃巖有上百家的模具廠及模具加工個(gè)體戶專業(yè)生產(chǎn)這類塑料瓶模具。這種模具加工的技術(shù)難點(diǎn)之一就是特殊螺紋的加工。許多廠家嘗試過(guò)手工、電加工、銑削(包括數(shù)控銑削)、鑄造等加工方式，效果均不理想。

目前，高檔數(shù)控設(shè)備中，單臺(tái)價(jià)格在七八十萬(wàn)元的全功能數(shù)控車床或立式加工中心還不能直接加工這類特殊螺紋，只有帶動(dòng)力刀塔的車削中心及帶復(fù)雜工裝或者數(shù)控旋轉(zhuǎn)軸的立式加工中心才有解決的可能性，但要最終解決，單就數(shù)控編程而言，其難度相當(dāng)大，只有數(shù)學(xué)功底厚實(shí)、富有經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)編程人員才能完成。因此，不利于中小企業(yè)。

那么，如果能開(kāi)發(fā)一種單價(jià)在十來(lái)萬(wàn)元的專用數(shù)控車床，既能作為一般數(shù)控車床用，又能加工這些特殊螺紋，其市場(chǎng)前景及社會(huì)效益顯然是樂(lè)觀的。為此，我們進(jìn)行了下述研究。

2 數(shù)控車床車削一般螺紋的處理方式

為了找到突破口，應(yīng)首先了解和分析數(shù)控車床車削一般螺紋的過(guò)程：

如圖1所示，每車一刀分三段，A-B段為加速段或叫助跑段，刀尖由靜止加速至車削速度；B-C段為恒速段，也是車削螺紋段，其速度應(yīng)為當(dāng)主軸轉(zhuǎn)一圈時(shí)，刀尖剛好均勻前進(jìn)一個(gè)螺距(導(dǎo)程)；D-C段為減速段，刀尖由車削速度降至靜止。也就是說(shuō)，真正加工只是B-C段，A-B段和C-D段只是作為必不可少的助跑及降速段。

圖1

加速段及減速段是數(shù)控系統(tǒng)的控制器先根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速及螺距信息，結(jié)合系統(tǒng)自身設(shè)置或“ 內(nèi)定”的各項(xiàng)參數(shù)事先“ 計(jì)劃”好，編排出加速段及降速段的固定模式，每刀車削的開(kāi)始階段與結(jié)束階段，嚴(yán)格按模式進(jìn)行。

一般螺紋加工不可能僅一刀就車好，往往要車幾刀或幾十刀，那么車第二刀、第三刀直至最后一刀，每刀都要在工件圓周上先找到圓周上的起始點(diǎn)，即找到起跑點(diǎn)，而且助跑段與降速段也要完全一致，僅僅是深度方向(即X向)改變而已。只要起跑點(diǎn)、助跑段、降速段三者之一略有改變，就會(huì)發(fā)生后一刀蓋不住前一刀的現(xiàn)象，即俗稱的“ 亂牙”，根本車不出螺紋來(lái)。

數(shù)控車床在車螺紋時(shí)，其控制器也就是微機(jī)部分處于“ 精神高度集中”狀態(tài)，主軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，由檢測(cè)裝置將主軸轉(zhuǎn)動(dòng)信息以脈沖信號(hào)的方式源源不斷地送回到控制器，控制器根據(jù)脈沖按螺距要求及時(shí)地發(fā)出“ 向前進(jìn)指令，如果有錐度、收頭收尾則更繁忙了。其示意圖如圖2。

圖2

以上四點(diǎn)是數(shù)控車床車螺紋的基本處理特點(diǎn)。再分析收頭收尾，如圖3。

圖3

收頭收尾是在螺紋車削過(guò)程中，在螺距不變的情況下，X軸作進(jìn)刀及退刀運(yùn)動(dòng)。它有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

收頭收尾是在助跑與降速段之外，在恒速段兩端，即B-E和F-C段。

實(shí)際上，收頭收尾段B-E及F-C段內(nèi)也有助跑與降速，只是因?yàn)閄向運(yùn)動(dòng)鏈的機(jī)械慣量比Z向小多了，所以響應(yīng)快，升降速就快而短。同時(shí)，因?yàn)槭荶軸在確保螺距，這時(shí)的升降速無(wú)論對(duì)視覺(jué)效果或是使用效果均無(wú)明顯影響，一般不做專門考慮。

收頭收尾時(shí)一個(gè)值得注意的問(wèn)題是，同一時(shí)間內(nèi)，X向的指令脈沖數(shù)不宜過(guò)分大于Z向的指令脈沖數(shù)，因?yàn)檐囅髀菁y時(shí)的核心問(wèn)題是確保螺距正確，Z軸為主運(yùn)動(dòng)，重點(diǎn)是Z軸的運(yùn)算，X軸只能作為“穿插”而已，如果“穿插”過(guò)分，會(huì)影響控制器的處理速度與能力。我們從圖3中可看出這點(diǎn)。

3 從瓶蓋、瓶口模具的螺紋加工工藝概括出的基本特點(diǎn)

對(duì)于具有典型意義且難度較高的特殊螺紋就是分段且收短頭及收短尾的特殊螺紋。其特點(diǎn)如下：

如圖4，每刀螺紋一開(kāi)始加工后，“向始終按螺距運(yùn)動(dòng)，而X向分段作收短頭—停住(正常車螺紋)—收短尾—自然空出一段(不車螺紋)—收短頭的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，分幾段則循環(huán)幾次，不分段則剛好為一標(biāo)準(zhǔn)收頭收尾螺紋。

圖4

這種螺紋還得把助跑段及減速段放在每刀起刀和收刀時(shí)。Z向僅在這時(shí)作加減速，加工過(guò)程中，在分段收頭收尾時(shí)，應(yīng)忽略X向的加減速，也就是不允許X向的加速度明顯存在，這對(duì)X軸的快速響應(yīng)提出了要求。

個(gè)別工件收頭收尾太短、太陡、太急，所見(jiàn)極端的產(chǎn)品是，一周螺紋分12段，每段上，空處:收頭:正常螺紋:收尾的弧長(zhǎng)比大致為2:1:4:1，那么，每次收頭收尾在不到4°的圓心角所對(duì)應(yīng)的圓周上就完成。假定主軸以,60r/min的較低轉(zhuǎn)速車螺紋，那么收頭或收尾對(duì)應(yīng)的時(shí)間僅為1/90s，再假定牙深為2mm，螺距為2mm。這意味著X軸在1/90s內(nèi)要完成2mm的進(jìn)給量，Z軸在這段時(shí)間內(nèi)前進(jìn)路程則為2/90mm，這是一組重要數(shù)據(jù)。

此類工件材料為模具鋼，不易加工，其螺紋加工只能分幾十刀進(jìn)行。按照工藝規(guī)律，應(yīng)避免起刀時(shí)崩刃，進(jìn)刀量要合理分配，應(yīng)單向進(jìn)刀以避免起振和最后修光。

4 要解決的幾個(gè)問(wèn)題

車床X向的響應(yīng)必須快而可靠，1/90s完成2mm進(jìn)給量相當(dāng)于9600mm/min的加工速度，明顯高出一般經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)。因?yàn)槭菐ж?fù)載重復(fù)運(yùn)行，必須保證萬(wàn)無(wú)一失，這對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)單元提出了較高的要求。

同一時(shí)間內(nèi)，X向的運(yùn)動(dòng)路程為2mm，而Z向?yàn)?/90mm，這違背了車螺紋時(shí)X向的進(jìn)給量不能過(guò)分大于Z向的規(guī)律，顯然，這個(gè)問(wèn)題不能讓控制器去解決，而要尋找外圍的解決方案。
這種螺紋，不但分幾十刀車削，每一刀還可能分為幾十段，其編程無(wú)現(xiàn)成指令，只能考慮專門的復(fù)合循環(huán)程序，這就要求我們根據(jù)現(xiàn)有的編程習(xí)慣，開(kāi)發(fā)一種特殊指令讓操作工在編程時(shí)按要求填制一些必要的尺寸數(shù)據(jù)及工藝數(shù)據(jù)即可。

考慮到加工的科學(xué)性與實(shí)用性，應(yīng)允許用戶合理分配每刀加工時(shí)X向的吃刀量。開(kāi)始加工時(shí)，為避免刀尖崩掉，應(yīng)靈活安排吃刀量；中間階段，為了避免起振也應(yīng)合理安排吃刀量，并且讓刀具沿著單一方向進(jìn)刀(少數(shù)數(shù)控系統(tǒng)已開(kāi)發(fā)出相關(guān)功能)。為加工出較低的表面粗糙度，允許小吃刀量或零吃刀量“修光”。

5 解決對(duì)策

為解決X向快而可靠的響應(yīng)問(wèn)題，我們采用了全數(shù)字交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)單元。在選型時(shí)，加大了功率，以保證輸出力矩，采用了大慣量電機(jī)以提高負(fù)載能力。選用極限轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)以滿足高速要求。因交流伺服系統(tǒng)是一自帶反饋能自我檢測(cè)位置、速度、驅(qū)動(dòng)電流、力矩等指標(biāo)且能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的性能卓越的執(zhí)行單元，其可靠性及準(zhǔn)確性也就有了保證。

交流伺服驅(qū)動(dòng)器的控制部分實(shí)際上也是集軟硬件于一體的微機(jī)單元，通過(guò)它可進(jìn)行多種操作和設(shè)置多種參數(shù)。我們專門選用了一種帶動(dòng)態(tài)電子齒輪比功能的驅(qū)動(dòng)器，比如說(shuō)，我們已設(shè)定了一個(gè)電子齒輪比，在這個(gè)電子齒輪比作用下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器從數(shù)控系統(tǒng)控制器接收一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)1µm。如果我們?cè)僭O(shè)定第二個(gè)電子齒輪比，其比值是第一個(gè)比值的X/倍，那么，在它的作用下，如果驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)信號(hào)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不再是運(yùn)行1µm，而是20µm。 在加工過(guò)程中，能按要求自動(dòng)切換，就稱作動(dòng)態(tài)電子齒輪比功能。我們利用這個(gè)功能，在處理螺紋收頭收尾時(shí)，由數(shù)控系統(tǒng)先發(fā)出一切換信號(hào)至驅(qū)動(dòng)器，在數(shù)控系統(tǒng)控制器內(nèi)，利用軟件預(yù)先處理，視20為1，達(dá)到少發(fā)脈沖，保證X向脈沖不過(guò)分大于Z向的目的，而驅(qū)動(dòng)器接收切換信號(hào)后，調(diào)用第2電子齒輪比，見(jiàn)1運(yùn)行20，還原成我們想要的運(yùn)動(dòng)尺寸。換言之，把問(wèn)題交驅(qū)動(dòng)器處理，螺紋加工之后，再?gòu)?fù)原。

在設(shè)計(jì)專門針對(duì)特殊螺紋的加工指令時(shí)，反復(fù)考慮螺紋車削過(guò)程中如前所述的各種問(wèn)題，包括三方面：第一是X軸的電子齒輪切換信號(hào)和見(jiàn)編程尺寸的“視20為1”的處理與復(fù)原；第二是每一刀的助跑段、減速段的處理與每一段的收頭收尾、正常加工、空出階段的分段處理與循環(huán)處理；第三是多刀次加工的分刀工藝，分起刀階段、中間階段、結(jié)束階段，如何處理進(jìn)刀量。設(shè)計(jì)步驟是先列出問(wèn)題清單，整理出一條一條的解決方法，再編制成數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部支持軟件。我們最終用G77作為此類特殊螺紋的專用數(shù)控加工指令，給出的專用指令格式如下：

G77 P(a)(b)(c) Q(d)(e)(f) R(g)(h)(i)
G77 X(j) Z9r) P(m)(n) Q(o)(p) F(q)

說(shuō)明如下：

G77為專用指令代碼，數(shù)控系統(tǒng)讀到此指令后先發(fā)電子齒輪比切換信號(hào)，進(jìn)行20變1的數(shù)據(jù)處理工作，然后開(kāi)始處理一系列專門工作，并在結(jié)束后復(fù)原�！�()”中的a、b、c……q分別表示如下尺寸數(shù)據(jù)或工藝數(shù)據(jù)(未按順序，也未列全)。如：每段螺紋收頭部分、中間部分(正常切削部分)、收尾部分、空出部分所對(duì)應(yīng)圓心角；收頭收尾時(shí)X軸進(jìn)給量；每刀分段重復(fù)次數(shù)；第一刀吃刀量；最后一刀吃刀量；總吃刀量；精加工余量；精加工重復(fù)次數(shù)；螺紋外徑；螺紋半徑差；螺距等等。

給出以上專用指令代碼后，操作工在具體編程時(shí)，如果需要請(qǐng)求幫助，系統(tǒng)顯示器上會(huì)有提示內(nèi)容，編程序就象填表一樣方便。

6 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)上述問(wèn)題，已從各方面做了大量的工作，包括試驗(yàn)與修改，以及相關(guān)廠家配合與支持�，F(xiàn)在，該種特殊螺紋的數(shù)控車削設(shè)備已市場(chǎng)化并已投入運(yùn)行，使用效果良好，基本上實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。