姜世锋
               大连船用柴油机有限公司
内容提要：圆弧形螺旋槽的深度较深，宽度大、螺距大，采用数控系统自带的标准螺纹切削指令编制加工半圆形螺旋槽或圆弧圆心角大于180°的圆弧形螺旋槽时，程序编写较复杂繁琐，而且当圆弧形螺纹的导程、公称直径、长度、螺纹槽深、牙宽、圆弧半径等参数中任何一值不同时，就需要重新编制程序。如果能编制出圆弧螺纹加工的通用宏程序模板，就可以解决这一问题。且可以简化程序，提高生产效率，降低加工成本。
主题词：圆弧形螺旋槽；数控加工；宏程序
引言
       数控系统中常用的螺纹切削指令主要是编制内外圆柱螺纹、圆锥螺纹和多线螺纹等较规则和螺距较小的常用的连接螺纹的加工程序，且螺纹的牙形也仅限于三角形。多采用直进式进刀。
       圆弧形螺旋槽的深度较深，宽度大、螺距大，采用数控系统自带的标准螺纹切削指令编制加工半圆形螺旋槽，或圆弧圆心角大于180°的圆弧形螺旋槽时程序编写较复杂繁琐，而且当圆弧形螺旋槽的导程、公称直径、长度、螺纹槽深、牙宽、圆弧半径等参数中任何一值不同时，就需要重新编制程序。如果能编制出圆弧形螺旋槽加工的通用程序模板，就可以解决这一问题。且可以简化程序，提高生产效率，降低加工成本。
1、圆弧形螺旋槽的基本形式
       如图一所示，这是为某船厂600T吊车项目中加工的上小车钢丝绳卷筒圆弧形螺旋槽简图。
       圆弧形螺旋槽导程为47mm，槽底直径Φ2112mm，螺旋长度6345mm，螺旋槽深16mm，圆弧半径R23mm，螺旋槽旋向为右旋。

                  图一 单一旋向螺旋槽简图
       圆弧形螺旋槽旋向还有左旋，有时左、右旋可同时在一个卷筒上采用。见图二

            图二 左右旋向螺旋槽简图
      根据绳槽的深度，小于半径为标准绳槽，大于半径为加深绳槽。只有当钢丝绳有脱槽危险时才采用加深绳槽。
2、圆弧形螺旋槽的加工工艺性分析
2.1 圆弧形螺旋槽加工方式
       由于圆弧形螺旋槽的牙型较深，宽度较大，螺距较大，车削圆弧形螺旋槽时切削余量和切削抗力均比较大。为尽量避免车削热和车削阻力给加工带来的误差，以及切削过程中刀具刃口损伤，车削多采用低速方式。当工件较长时，为避免加工时产生更大的切削力而产生颤振，需采用“一夹一顶”的装夹方式，甚至还需要上中心架。
       车削圆弧形螺旋槽时，虽然圆弧形车刀圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，刀具可以三面车削，但为了防止刀具损伤，要求在加工螺纹时切削力不能太大，否则极易产生应力变形，严重影响产品质量。因此不能仅仅简单使用螺纹切削指令G33来进行直接加工。
      相比之下，采用普通车床加工螺纹的分层切削法，则可以克服传统加工方法的缺陷，有效减少刀具受力。其走刀过程是先将螺纹Z向分成若干层，每层Z向再分成若干次进刀，这种方法使刀具单向受力，工件平稳，不易产生振动。而且可将圆弧形螺旋槽的切削进刀过程规律化，编程思路清晰。
2.2刀具选择
       加工圆弧形螺旋槽时，使用标准数控机夹车刀是根本不行的。尖形车刀和宽度较小的普通切槽刀尚可勉强使用。但若遇到螺纹的弧形大于或等于半圆时，使用尖形车刀和普通切槽刀就会发生干涉。
       圆弧形车刀可以用于车削内外表面，特别适合于车削各种曲线光滑连接（凹形）的成型面。其特点是构成主切削刃的刀刃为一圆度误差或线轮廓误差很小的圆弧，该圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此刀位点不在圆弧上而在该圆弧的圆心。注意对刀时应以圆弧的圆心为刀位点对刀。选择车刀圆弧半径时应考虑两点：
①车刀切削刃的圆弧应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干涉
②为留有一定的调整和精车余量，圆弧车刀半径小于圆弧形螺旋槽的半径，但也不宜太小，否则不仅制造困难，还会因刀尖强度太弱，或刀体散热能力差而导致车刀损坏。
       在经过多次试验后，在加工圆弧半径为R20-R30的圆弧形螺旋槽时选用R8机夹可转位车刀最为经济实用。不仅可以保证刀具的刚度和韧性，而且可以保证刀具的使用寿命。
3、程序设计
3.1变量及宏程序是西门子840D数控系统中的高级功能。使用变量参数和宏程序，可以充分利用数控系统中的数学指令，灵活编程，简化操作，大大提高加工效率。
3.2程序设计特点

 
          图三 程序简图

       如图三所示，圆弧螺旋槽截面特点为圆弧形，依据数据密化原理，根据曲线公式表达出曲线上的点的坐标值，然后用螺纹指令G33，沿着这些坐标值依次车削就能走出圆弧螺旋槽。                              
3.3卷筒圆弧螺旋槽精加工程序节选
S20  M4  T1  D1
G0 X140
Z0                                         
R1=15；圆弧半径                               
R2=-15；入刀角度
R3=3；增量角度
R4=50；刀数
FF1:G0 G90 G22 X70
Z0
X=SIN(R2)ХR1  Z=COS(R2)ХR1   
G33 Z-6500 K=47
G0 X70
Z0
R4=R4-1 R2=R2-R3
IF R4＞0 GOTOB FF1
M02
       程序中R1是圆弧半径，轨迹上某一点的坐标为（X,Z），利用三角函数原理可以计算出X=SIN(R2)ХR1  Z=COS(R2)ХR1。把刀具在车削圆弧的起始角度和终止角度之间分成若干等分，只要分割的角度足够小，就能插补出较为光滑的圆弧螺旋槽。
程序中 R 2 是起始入刀角度。
       程序中 R3 是增量角度。R2（起始角度）+ R3（增量角度）在宏程序中通过R4循环次数（50次）R3累加50次完成加工。
公式：R2（15）+R3（3×50）=175（终点角度）程序完成。
       宏程序中IF R4＞0 GOTOB FF1 ,IF是跳转指令，R4＞0是指程序在0以前程序终止。
注解：（程序中R4=50，R4=R4-1,是指该程序循环50次）。GOTOB是向后跳转指令，FF1是跳转到FF1程序段。
注解：程序中R1=15是加工螺旋槽半径尺寸，图纸要求半径是23，刀具半径是8，所以R1=15（加工半径）+8（刀具半径）=23（成品半径）。
       该程序是精加工程序（成品程序）。粗加工是通过R1=0开始不断变量到R1=15成品，这其中R2起始角度不断变化，R3增量角度不断变量，R4循环次数由少到多来完成。
4、工艺应用
       本工艺已获得国家发明专利（专利号2475005），已在国内外许多关键项目上成功应用。如为世界最大的FAST大型望远镜项目加工的6个卷筒，其槽底直径公差为0.2，且5个右旋，一个左旋。目前运行良好；在国内外众多核电项目中的卷筒的圆弧螺旋槽，加工精度均要求较高，工况不良，国内许多厂家无法完成，采用我司的专利技术，即可圆满解决；为大船重工完成的600T吊车项目，被用户誉为其现有吊车最好的一部。以上介绍的仅是本工艺实际应用的范例。目前采用该工艺加工的产品已成为公司新的利润增长点。
 
资料索引：

机械工业出版社 华中工学院孙健 天津大学曾庆福 《机械制造工艺学》 1982

上海科学技术出版社 华南工学院 甘肃工业大学 《金属切削原理及刀具设计》 1980

上海科学技术出版社 史美堂 《金属材料及热处理》 1980

 SINUMERIC 840D高级编程，SINMENS  AG,2004

 SINUMERIC 840D 基础部分，SINMENS AG ,2004