CN112558550B - 一种使用cam软件加工异形螺纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于各类圆弧、曲面无法计算的不规则截面的异形螺纹的一种使用CAM软件车削异形螺纹的方法，（1）采用CAM软件依据螺纹参数绘制截面曲线，分析截面选用刀具，将二维数据导入NX三维软件，在笛卡尔坐标设置曲线；（2）输入刀具规格参数，创造单齿毛坯轮廓、指定加工方式、选定切削区域、调整刀轴加工矢量、刀路轨迹设置，生成仿真铣削加工刀路，进行验证；如不合理，调整切削参数，使其合格；如合格，后处理导出加工程序，替换程序格式，提取X,Z值，将最终程序导入模拟器验证，完成车削螺纹加工。

Description

一种使用CAM软件加工异形螺纹的方法

技术领域

本发明涉及一种适用于各类圆弧、曲面无法计算的不规则截面的异形螺纹的一种使用CAM软件车削异形螺纹的方法。

背景技术

异形螺纹在起重设备、船泊、航空航天等行业零件连接都广泛使用，加工该类螺纹传统采用成形刀或手工编制宏程序来完成。使用成形刀因切削力大，对操作工人技能要求高，加工粗糙度差等原因并不适合大导程或精度高的异形螺纹，同时在质量上也难以进行有效控制。使用手工编制宏程序的方法在精度上较成型刀有较大提升，但其特点是用精简的指令表达有规则的尺寸值逻辑合理严密，但编制宏程序的难度较大，对程序编制人员技术文化水平要求较高，需要将螺纹截面数据转化成具有复杂逻辑判断的数控加工程序，由于出错概率较大所以无法广泛应用。

发明内容

设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种适用于各类圆弧、曲面无法计算的不规则截面的异形螺纹的一种使用CAM软件车削异形螺纹的方法。适用于各类圆弧、曲面无法计算的不规则截面的异形螺纹的一种使用CAM软件车削异形螺纹的方法。适用于各类圆弧、曲面无法计算的不规则截面的异形螺纹的一种使用CAM软件车削异形螺纹的方法。设计方案：为了实现上述设计目的。本发明在使用CAM软件车削异形螺纹的方案设计上：

1、刀具转换思路：传统异形螺纹会使用仿形刀具来加工，这样加工效率低、出错率高、质量不稳定。本方案中运用软件设置立铣刀来转换成直槽刀来完成刀具创新。立铣刀的直径为8mm,R0.8mm，与螺纹槽刀宽度和R角一致图13）。这样就可以方便的将NX生成铣削坐标点位转换成车削坐标点。操作过程中只需要考虑刀具的宽度和R角能否满足牙底最小截面尺寸，不需要花时间人工分析复杂的逻辑运算关系。

2、坐标轴转换：由于软件生成的是铣削刀路，程序中必然会存在Y值，然而实际螺纹车削加工不需要Y值。所以需要在设置铣削操作时预先将笛卡尔加工坐标系的X+朝螺纹径向。Z轴原点设置在轴线上。Y轴朝平面法向，切削方向设置中把默认的刀轴Z+向改为X轴正方向。这样生成的加工程序就能和实际车削坐标轴一致。

3、程序格式转换：由于生成的是铣床加工程序，并不能运用于数控车床的加工。所以需要将程序中的G代码替换掉使程序适用于车床可以加工的程序。首先需要增加程序头增加循环赋值，包括螺纹的加工长度R44\螺纹大径R45\螺距R40\径向退刀位置R47\主轴转速\增加机床半径读取转换（DIAMOF）命令。将G00快速抬刀值替换成X=R47，这样螺纹每次X方向退刀位置都可以固定的空开一个螺距的值。将铣削的Y值替换成 G33 Z=R44 K=R40，这是每次螺纹刀固定为一个起刀点后执行的一步螺纹车削命令，赋值R44代表着螺纹车削长度。程序格式转换后刀具可以按照自动生成的起始坐标点X、Z值循环的加工，一直到螺纹加工结束。

技术方案：一种使用CAM软件加工异形螺纹的方法，（1）采用CAD软件依据螺纹参数绘制截面曲线，分析截面选用刀具，将二维数据导入NX三维软件，笛卡尔坐标设置到轴线；（2）定义刀具规格参数，创造单齿毛坯轮廓、指定加工方式、选定切削区域、调整刀轴加工矢量、刀路轨迹设置，生成仿真铣削加工刀路，进行验证；如不合理，调整切削参数，使其合格；如合格，后处理导出加工程序，替换程序格式，提取X,Z值，将最终程序导入模拟器验证，车削螺纹加工。

本发明与背景技术相比，一是运用软件设置立铣刀来转换成直槽刀来完成刀具创新，可以方便的将NX生成铣削坐标点位转换成车削坐标点，操作过程中只需要考虑刀具的宽度和R角能否满足牙底最小截面尺寸，不需要花时间人工分析复杂的逻辑运算关系；二是Z轴原点设置在轴线上，Y轴朝平面法向，切削方向设置中把默认的刀轴Z+向改为X轴正方向，从而使生成的加工程序和实际车削坐标轴一致；三是本发明同样适用于其它各类圆弧、曲面无法计算的不规则截面的异形螺纹。

附图说明

图1是梯形圆螺纹示意图。

图2是锯齿形螺纹示意图。

图3是梯形螺纹示分层车削意图。

图4是异形螺纹制作流程图。

图5 是TY400X44螺纹基本截面图。

图6是刀具与螺纹牙形分析图。

图7是导入转换作业对话框图。

图8 是坐标系设置图。

图9 是创建模型图。

图10是仿真铣削刀路图。

图11是螺纹程序替换与验证图。

图12是螺纹试切照片。

图13是刀具转换图。

具体实施方式

异形螺纹牙形的分析：如图1所示，该螺纹螺距为44mm,牙形高度为0.55P=24.2mm，螺纹大径∅400mm，牙顶圆弧R6.76mm，底部圆弧R9.72mm，梯形圆螺纹牙型角和圆螺纹、梯形螺纹一样均为30°,螺纹接触高度介于圆螺纹和梯形螺纹之间，梯形圆螺纹为0.27234P,圆螺纹为0.0835P,梯形螺纹为0.5P。因此，梯形圆螺纹接触高度比圆螺纹大3倍多，而比梯形螺纹小1.8倍多。主要应用在起重吊钩领域，螺纹部分应具有足够的强度，螺纹接触表面承受着挤压应力，螺母与吊钩用螺纹连接时，危险截面在螺纹根部，其牙根部有较大圆弧角可避免应力集中，在加工编程时需用圆弧逼近零件轮廓的节点计算，让刀具圆弧去拟合工件的外形曲线，如用传统宏程序编制必需用函数公式计算出每段圆弧的半精及圆心、起始点和结束点的坐标值。编程时本发明会将X值设在轴线，Z值设在离螺纹端面空开一个螺距位置。

图2所示的是锯齿形螺纹，螺距为10mm，牙形高度为0.575P=5.75mm，螺纹大径∅300mm，牙顶圆弧R0.75mm，底部圆弧R1.24mm，该螺纹旋合后，大径无间隙便于对中，牙形角为45°兼有矩形螺纹传动效率高和梯形螺纹牙型螺纹牙根强度高的特点。是用于单向受力的传动螺纹。

大导程螺纹加工时都需要采用先分层拟合逐步车削的方法，图3所示的梯形螺纹可直观展现出此加工方法，将牙槽深度进行分层，刀具通过程序控制改变螺纹循环的切削起点逐层加工，使刀具背吃刀量减少，在切削过程中螺纹刀有一侧切削刃沿牙形截面进行分层切削，具有排屑顺畅和加工余量均匀的特点。

加工刀具设计：

2.2.1 刀具选择：螺纹加工的效率和表面质量有很大一个因素取决于螺纹刀规格选择是否合理，加工常规的三角螺纹和梯形螺纹会选用螺纹成形刀，以上图形的螺纹由于导程大，牙形深，切削量比普通螺纹大的多。如采用普通螺纹加工方法，选择大刀具加工，大螺距异形螺纹由于螺纹的升角相对较大工件与机床需要承受巨大相互作用力，从而容易导致工件变形与增加机床传动部件磨损，因此普通加工方法即难以满足螺纹精度要求，也减少机床寿命。选用刀具沿着螺纹轮廓线依次分层进刀，这样就会显著降低切削阻力。一般选用螺纹刀会考虑以下几点：

1）待加工螺纹牙形与刀具形状的匹配性；

2）刀具宽度和R角需小于螺纹牙底最小截面尺寸；

3）刀片材质是否能满足被切削材料的加工性能；

4）刀具能否与螺纹截面形状建立便捷运算逻辑关系；

2.2.2 走刀路线设计：走刀路线是数控车床加工过程中刀具相对于被加工工件的运动轨迹，它的设计合理性非常重要，因为走刀轨迹的优劣与零件的加工精度和表面质量密切相关。虽然减小步距的方法，可以在一定程度上提高了粗糙度和精度，但这样会使加工时间延长，加工效率降低。因此，为了兼顾精度和效率，刀具可以用不同的进给方式加工工件，它对切屑形状、刀具磨损和螺纹质量具有不同的影响，应根据机床结构、工件材料、刀片槽型和螺距确定进给方法。目前常用的有三种进给法有侧向进给法、径向进给法、交替进给法。确定走刀路线一般原则是：

1）选用合适的切削步距保证零件加工精度；

2）缩短走刀路径，减少多于抬刀的时间；

3）方便数值计算，降低编程难度，易于检查错点；

4）控制程序段数，减轻机床读取负担；

2.3异形螺纹加工程序设计：异型截面螺纹有各式各样的牙形，为了得到良好的螺纹质量，使用现代化的切削刀具和科学的走刀路线来加工螺纹是稳定可靠的工艺保证，异形螺纹基本以大螺距曲面螺纹为多，刀具对工件产生的切削力不易掌握。加工刀具形状一般为带R圆弧槽刀。主体思路是利用NX三维软件铣削编程功能对异形螺纹截面坐标点位采集，并通过科学的替换和验证最终获得车削加工的程序。图4。

需要说明的是该方法同样适用于加工矩形螺纹和圆锥螺纹（抛物线、双曲线）等，下面所剖析的是TY400X44梯形圆螺纹加工程序制作方法。

3.1 确定螺纹截面：图5所示螺纹螺距为44mm,牙形高度为0.55P=24.2mm，螺纹大径∅400mm，牙顶圆弧R6.76mm，底部圆弧R9.72mm，螺纹中径公差为∅378-0.63 -1.58。根据GB/T10051.5-2010标准得到它的理论轮廓截面数据，并使用CAD按1:1绘制。在加工编程时需用圆弧逼近零件轮廓的节点计算，让刀具圆弧去拟合螺纹的外形曲面切削来保证表面粗糙度Ra3.2和螺纹公差。

3.2 分析截面选用刀具：螺纹加工的效率和表面质量取决于螺纹刀规格选择是否合理，此螺纹由于导程大，牙形深，切削量比普通螺纹大的多。如果采用普通螺纹加工方法，选择大刀具加工，大螺距异形螺纹由于螺旋升角相对较大工件与机床需要承受巨大相互作用力，从而容易导致工件变形与增加机床传动部件磨损，因此普通加工方法即难以满足螺纹精度要求，也减少机床寿命。如图6）此次选用8mm宽槽刀沿着螺纹轮廓线依次分层进刀，这样会显著降低切削阻力。使用CAM编程选用螺纹刀需考虑以下几点1）刀头的排削槽需顺畅；2）刀具宽度和R角需小于螺纹牙底最小截面尺寸；3）刀片材质是否能满足被切削材料的加工性能；4）软件刀具库参数与实际螺纹刀的匹配；

3.3 二维数据导入NX三维软件：经过确认无误的二维轮廓需要转换成三维模型，具体操作如下：

打开NX软件点击：文件—导入—dxf/dwg—选择你要导入的dxf或dwg文件（默认导入的是英制单位：点击修改设置可改为公制单位）—确定—（导入转换作业对话框）选确定图7）。导入完毕。导入的文件不一定能看到，需要选项：合适窗口功能，才能显示出曲线轮廓。

3.4笛卡尔坐标设置：螺纹在数控机床加工一般都会将X零点设到理论轴线上，Z值起刀点会至少空开一个螺距，我们在三维软件里就需要事先将原始坐标系设置在理论（红色）轴线上，然后将X+朝向螺纹外圆，Z+朝向螺纹端面如图8）。

进入加工模块还需要设置加工坐标系，一般为了操作方便会将XM、ZM零点与XC、ZC坐标原点重合。Y值在车床坐标系中是不存在的，它存在于笛卡尔坐标系中。后续运用铣削螺纹截面功能会用到，但最终在程序转换成车加工过程中会被省略掉。

3.5 制作铣削加工刀路：

3.5.1创建单齿毛坯轮廓：在创建模型操作后续加工设置中只需要一个齿的曲面数据即可，如果将螺纹全部设置成实体模型，会对后续生成刀路产生多于的计算时间，影响生成效率。操作步骤如下：①进入草图→②绘制拉伸区域线框→③选择拉伸命令→④选中需拉伸轮廓→⑤拉伸厚度5mm→⑥点击确认。图9。

3.5.2指定加工方式：进入加工应用模块，它可以提供互交式编程和后处理等功能。此加工方案主要思路是运用NX强大的铣削功能生成的刀路轨迹转换成车加工程序来完成异形螺纹的加工。选定的加工方式为 Mill contour子工序子类型为CAVITY_MILL(型腔铣)，这种加工方式主要运用在粗加工时，它可以设定待加工区域的毛坯形状来通过移除垂直于固定刀轴的平面切削层中的材料，对轮廓形状进行粗加工。由于它可以精准控制刀具规律清晰的分层铣削，所以特别适合用作大导程异形螺纹的粗车刀路程序。

3.5.3输入刀具规格参数：将上述第1条选用好的刀具规格输入在参数表中，此次确定的粗车刀具为8mm槽刀，刀尖两侧有0.8圆弧角可以提高在长时间的螺纹粗车使用寿命并提供良好的切屑控制。

3.5.4选定切削区域：在创建的数模中选取需要加工单个齿的曲面轮廓。进入草图界面画出需要修剪的图框，数模拉伸厚度为5mm，修剪框宽度设定为3mm,目的是在加工时可以用修剪边界命令修剪出轮廓清晰分明的刀路。为了增加生成程序的精度，还需要在切削参数里的内外公差选项设置成0.01 mm。

3.5.5调整刀轴加工矢量：在铣削加工方式中通常默认的加工矢量为Z+，而在车床中螺纹截面法向是X轴，轴向为Z。所以必须将刀轴加工矢量调整为X+，这跟第4条笛卡尔坐标设置的意图一致，就是为了方便生成程序的X值和Z值可直接用于车床加工坐标系。

3.5.6刀路轨迹设置：在这项设置是制作铣削加工刀路中最关键的一项，通过这里的参数设置，可以确定着进刀方式、步距、层深、余量控制等。将最大步距设置为恒定6mm,切削模式为单向，每刀公共切削深度为0.1mm。设置部件的侧面余量与地面余量一致为0.2mm。

3.6生成仿真铣削刀路：

经过前面一系列的准备后在操作模块生成仿真刀路，通过刀轨可视化界面来验证刀路是否合格如图10），进入3D可视化模拟加工观察切削顺序和下刀路径的逻辑性。如果验证中发现刀路的轨迹和切削的参数不合理就再进行调整。

3.7后处理导出程序：

把确认好的刀路导出为加工程序，加工车床系统都是西门子 Sinumerik 840D SL所以需要西门子840D的后处理来导出程序，操作中需要注意的是把输出单位设置成公制，因为有的软件会默认为英制和随后处理定义。这样生成的数据才是安全可靠的。经过后处理导出的铣削程序可以使用txt文档打开。一般程序头使用数控G代码指令来定义刀具尺寸、起始加工坐标、转速走刀等基本指令，程序后面就是走刀的路径的坐标和快速退刀等。

3.8替换程序格式和验证：

由于生成的是铣床加工程序，并不能运用于数控车床的加工。所以需要将程序中的G代码替换掉使程序适用于车床可以加工的程序。具体操作步骤如图11）。

①程序头增加循环赋值，包括螺纹的加工长度R44\螺纹大径R45\螺距R40\径向退刀位置R47\主轴转速\机床半径读取转换等。

②将G00快速抬刀值替换成X=R47。

③将Y值去程替换成 G33 Z=R44 K=R40。（完成螺纹车削的指令）

④把Y值回程替换成空格。

替换操作结束后使用模拟器对螺纹程序进行试切来验证。验证方法为可以选取几个坐标点并在CAD上输入坐标来判定加工轮廓是否正确。

由于此螺纹程序制作方法是首次研制，需要实际加工试件来验证。经过在设备DVT160数控立车试车削螺纹图12），验证了此加工方法安全可靠。

需要理解到的是：上述实施例虽然对本发明的设计思路作了比较详细的文字描述，但是这些文字描述，只是对本发明设计思路的简单文字描述，而不是对本发明设计思路的限制，任何不超出本发明设计思路的组合、增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种使用CAM软件加工异形螺纹的方法，其特征是：（1）采用CAM软件依据螺纹参数绘制截面曲线，分析截面选用刀具，将二维数据导入NX三维软件，在笛卡尔坐标设置曲线；（2）输入刀具规格参数，创造单齿毛坯轮廓、指定加工方式、选定切削区域、调整刀轴加工矢量、刀路轨迹设置，生成仿真铣削加工刀路，进行验证；如不合理，调整切削参数，使其合格；如合格，后处理导出加工程序，替换程序格式，提取X,Z值，将最终程序导入模拟器验证，完成车削螺纹加工，即：

加工刀具设计：

待加工螺纹牙形与刀具形状的匹配性；

刀具宽度和R角需小于螺纹牙底最小截面尺寸；

刀片材质是否能满足被切削材料的加工性能；

刀具能否与螺纹截面形状建立便捷运算逻辑关系；

走刀路线设计：

选用合适的切削步距保证零件加工精度；

缩短走刀路径，减少多余抬刀的时间；

方便数值计算，降低编程难度，易于检查错点；

控制程序段数，减轻机床读取负担；

异形螺纹加工程序设计：利用NX三维软件铣削编程功能对异形螺纹截面坐标点位采集，并通过科学的替换和验证最终获得车削加工的程序；

确定螺纹截面：根据GB/T10051.5-2010标准得到螺纹的理论轮廓截面数据，并使用CAD按1:1绘制，在加工编程时需用圆弧逼近零件轮廓的节点计算，让刀具圆弧去拟合螺纹的外形曲面切削来保证表面粗糙度Ra3.2和螺纹公差；

分析截面选用刀具：选用8mm宽槽刀沿着螺纹轮廓线依次分层进刀，降低切削阻力；

二维数据导入NX三维软件：经过确认无误的二维轮廓需要转换成三维模型，具体操作如下：

打开NX软件点击：文件—导入—dxf/dwg—选择你要导入的dxf或dwg文件—确定—选确定 ，导入完毕；导入的文件不一定能看到，需要选项：合适窗口功能，才能显示出曲线轮廓；

笛卡尔坐标设置：螺纹在数控机床加工一般都会将X零点设到理论轴线上，Z值起刀点会至少空开一个螺距，我们在三维软件里就需要事先将原始坐标系设置在理论轴线上，然后将X+朝向螺纹外圆，Z+朝向螺纹端面；进入加工模块还需要设置加工坐标系，一般为了操作方便会将XM、ZM零点与XC、ZC坐标原点重合；

制作铣削加工刀路：

创建单齿毛坯轮廓：在创建模型操作后续加工设置中只需要一个齿的曲面数据即可，如果将螺纹全部设置成实体模型，会对后续生成刀路产生多于的计算时间，影响生成效率；操作步骤如下：①进入草图→②绘制拉伸区域线框→③选择拉伸命令→④选中需拉伸轮廓→⑤拉伸厚度5mm→⑥点击确认；

指定加工方式：进入加工应用模块，它可以提供互交式编程和后处理等功能，此加工方案主要思路是运用NX强大的铣削功能生成的刀路轨迹转换成车加工程序来完成异形螺纹的加工，选定的加工方式为 Mill contour子工序子类型为CAVITY_MILL，这种加工方式主要运用在粗加工时，它可以设定待加工区域的毛坯形状来通过移除垂直于固定刀轴的平面切削层中的材料，对轮廓形状进行粗加工；

输入刀具规格参数：将选定的刀具规格输入在参数表中，此次确定的粗车刀具为8mm槽刀，刀尖两侧有0.8圆弧角可以提高在长时间的螺纹粗车使用寿命并提供良好的切屑控制；

选定切削区域：在创建的数模中选取需要加工单个齿的曲面轮廓，进入草图界面画出需要修剪的图框，数模拉伸厚度为5mm，修剪框宽度设定为3mm,目的是在加工时可以用修剪边界命令修剪出轮廓清晰分明的刀路；为了增加生成程序的精度，还需要在切削参数里的内外公差选项设置成0.01 mm；

调整刀轴加工矢量：在铣削加工方式中通常默认的加工矢量为Z+，而在车床中螺纹截面法向是X轴，轴向为Z，将刀轴加工矢量调整为X+；

刀路轨迹设置：在这项设置是制作铣削加工刀路中最关键的一项，通过这里的参数设置，可以确定着进刀方式、步距、层深、余量控制，将最大步距设置为恒定6mm,切削模式为单向，每刀公共切削深度为0.1mm；设置部件的侧面余量与地面余量一致为0.2 mm；

生成仿真铣削刀路：

经过前面一系列的准备后在操作模块生成仿真刀路，通过刀轨可视化界面来验证刀路是否合格，进入3D可视化模拟加工观察切削顺序和下刀路径的逻辑性；如果验证中发现刀路的轨迹和切削的参数不合理就再进行调整；

后处理导出程序：

把确认好的刀路导出为加工程序，加工车床系统都是西门子 Sinumerik 840D SL；经过后处理导出的铣削程序可以使用txt文档打开，一般程序头使用数控G代码指令来定义刀具尺寸、起始加工坐标、转速走刀等基本指令，程序后面就是走刀的路径的坐标和快速退刀；

替换程序格式和验证：

由于生成的是铣床加工程序，并不能运用于数控车床的加工，所以需要将程序中的G代码替换掉使程序适用于车床可以加工的程序，具体操作步骤；

程序头增加循环赋值，包括螺纹的加工长度R44\螺纹大径R45\螺距R40\径向退刀位置R47\主轴转速\机床半径读取转换；

将G00快速抬刀值替换成X=R47；

将Y值去程替换成 G33 Z=R44 K=R40；

把Y值回程替换成空格；

替换操作结束后使用模拟器对螺纹程序进行试切来验证，验证方法为可以选取几个坐标点并在CAD上输入坐标来判定加工轮廓是否正确。