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等牙顶宽变螺距螺杆的数控4轴加工 　　加工大螺距螺杆是一个较为复杂的技术问题，尤其是变螺距螺杆的加工则难度更大。本文介绍了一种使用Siemens 802D系统的4轴数控加工中心，依据较全面的工艺分析及相关数学计算，编制多重循环的宏程序，采用分层加工法铣削等牙顶宽变螺距螺杆的方法。 　　一、引言 　　在塑料、橡胶和造纸等行业使用的挤出设备中，一些变螺距螺杆是其中的关键零部件。由于变螺距螺杆其螺距是沿圆周方向发生规律性的变化，因此其可以实现物料送进速度的调整及物料送进位置的改变，如图1所示。 　　可变螺距螺纹圆周方向展开后的螺旋线，如图2所示。 　　图2中，每一直线的升角增量为Δα，其值如下。 　　图3所示为一用挤压设备中的螺杆，因此类螺杆螺距大，笔者尝试用车削的方法进行加工，发现加工难度大且不容易保证精度及表面粗糙度。如果采用立式4轴加工中心铣削则效率可提高很多且表面粗糙度较好。而同时，笔者发现对于铣削等牙顶宽的螺杆时，使用软件编程反而致使工作量变大或精度难以保证，相比之下，用宏程序编写此类程序则相对简短直观，加工柔性较强。 　　二、变螺距螺杆简介 　　本文所谓变螺距螺杆是指螺杆上各螺距依次增大一个固定的螺距增量，即各螺距长度呈等差数列分布，此变螺距螺杆大致分为等槽宽变螺距螺杆（图1）和等牙宽变螺距螺杆（图3）两种，本文将对后者的加工工艺方案及编程方法进行详细介绍。 　　三、等牙顶宽变螺距螺杆结构分析 　　（1）已知此变螺距螺杆为右旋螺杆，材料为不锈钢，其初始螺距为18（单位mm，本文未标注单位均以mm为单位），螺距增量为2，螺旋线圈数为6，牙顶宽为3，其螺距的排列符合等差数列规律。 　　（2）由计算机图形学及解析几何学可知，此螺杆螺旋部分实际是由一梯形截面绕螺旋线做固接导动形成的，由②式结合圆的参数方程得出其螺旋线参数方程如下： 　　此公式可用于编辑公式法绘制曲线，对研究此螺旋类问题。 　　四、加工工艺方案 　　1.基本加工方法 　　采用4轴立式加工中心（Siemens 802D系统）进行铣削，通过 X轴与 A轴的联动控制来实现铣削螺旋槽（即 A轴旋转1周，铣刀 X向走刀1个螺距），通过 X轴与 Z轴的联动来实现用分层斜进法进行铣削。 　　以粗加工为例，铣削此类螺杆与车削大螺距的梯形螺纹有相近之处，由于径向加工余量较大，应采用径向（即 Z向）分层法进行铣削；又因为其最大螺距已达28，为了减小加工时的切削力，保证刀具安全，应在轴向（即 X向）分为多刀加工。 　　具体为预先将加工余量分为若干层（图4中的梯形为螺杆中1个牙槽的总余量），由外至内分层加工（层数可由铣刀背吃刀量确定），各层加工沿梯形牙槽左侧向下斜进；而每层又分为若干刀进行加工（各刀数由铣床刀侧吃刀量确定），使得每刀铣削时的用量基本相同，从而降低了加工难度，如图4所示。 　　2.实现等牙顶宽变螺距螺杆的关键工艺处理 　　（1）结合运用微分方法及等差数列公式②的方法，可编辑出铣削变螺距螺旋线的宏程序主体。 　　（2）车削时，由于在螺纹切削的开始及结束部分 X轴及Z轴有加减速过程，因此应在实际的螺纹起点与结束点留出螺纹引入长度与导出长度的距离，负责容易造成过切。这时设引入段为1个螺距，引出段设为半个螺距，由于是变螺距螺杆，所以螺纹引入段长度（或引入段螺距）L应取： 　　（3）分层铣削加工螺纹牙余量时，往往需分数刀进行拓宽。加工等槽宽螺杆时只要经计算平移起刀点，就可实现“拓宽”槽宽的目的，但加工等牙宽变螺距螺杆时则不那么容易实现，因为不可能使铣刀在加工过程中刀具直径“自动变大”，所以只能另辟蹊径。 　　如图5所示，刀具由右至左（即 X轴正方向）进给时，我们注意到刀具在某层加工的第一刀和最后一刀刀具的极限位置可以看出，其加工时掠过的螺距同样符合等差数列排列，但初始螺距是不同的，在左极限位置即第一刀加工时初始螺距为16，而右极限位置即最后一刀初始螺距为18，相差一个螺距增量2，由此可知如下几点。 　　①每层切削时各刀初始螺距介于16～18之间，各刀初始螺距呈等差数列，如螺距增量为2，每层分5刀时，其公差为2÷5=0.4，螺距分别为第1刀16，第2刀16.4，第3刀16.8，依次类推。 　　②铣刀各起刀点的 X值介于 AB之间，如每层分5刀时，仍如初始螺距一样，各起刀点 X值仍呈等差数列，公差 AB/5，而： 　　所以在分层加工时，每层的走刀要同时修改起刀点及初始螺距才可以，这也是解决车铣此类等牙宽变螺距螺杆问题的关键所在。图5中虚线螺牙是为了明确引入段螺距，实际加工中并不存在。 　　3.装夹方法 　　此工件为细长螺杆，为增强其刚性，故采用在第四轴（A轴）上一夹一顶的方法进行装夹。 　　4.刀具选择 　　粗加工时，应优