对数控车削瓶口模具的特殊螺纹探讨

　　1 问题的提出

　　通常，矿泉水、可乐等饮料瓶或食用油及其它生活用液体物盛装瓶的瓶盖，瓶口为螺纹连接方式，且其中大部分为特殊螺纹。其特殊性表现在收头收尾、分段、分段收头收尾、收短头收短尾等方面，有时甚至是几个特征综合在一起。收头收尾是一个专业的俗称，又叫做螺纹螺旋线收头收尾或老鼠尾，意指一段螺纹，在螺距不变的情况下，开始部分由浅而深，逐渐变“ 粗”，结束部分由深而浅，逐渐变“ 细”。常见收头收尾往往在1/3周～1 周内完成。在1/3周内甚至1/10周内“ 迅速”完成的收头收尾称作收短头收短尾。而常见的螺纹因有进刀槽、退刀槽，往往只见螺纹的中间部分，不见头尾。这种带有特殊螺纹的塑料瓶的用量之大不言而喻，以至我国模具之乡—黄岩有上百家的模具厂及模具加工个体户专业生产这类塑料瓶模具。这种模具加工的技术难点之一就是特殊螺纹的加工。许多厂家尝试过手工、电加工、铣削(包括数控铣削)、铸造等加工方式，效果均不理想。

　　目前，高档数控设备中，单台价格在七八十万元的全功能数控车床或立式加工中心还不能直接加工这类特殊螺纹，只有带动力刀塔的车削中心及带复杂工装或者数控旋转轴的立式加工中心才有解决的可能性，但要最终解决，单就数控编程而言，其难度相当大，只有数学功底厚实、富有经验的高级编程人员才能完成。因此，不利于中小企业。

　　那么，如果能开发一种单价在十来万元的专用数控车床，既能作为一般数控车床用，又能加工这些特殊螺纹，其市场前景及社会效益显然是乐观的。为此，我们进行了下述研究。

　　2 数控车床车削一般螺纹的处理方式

　　为了找到突破口，应首先了解和分析数控车床车削一般螺纹的过程：

　　如图1所示，每车一刀分三段，A-B段为加速段或叫助跑段，刀尖由静止加速至车削速度;B-C段为恒速段，也是车削螺纹段，其速度应为当主轴转一圈时，刀尖刚好均匀前进一个螺距(导程);D-C段为减速段，刀尖由车削速度降至静止。也就是说，真正加工只是B-C段，A-B段和C-D段只是作为必不可少的助跑及降速段。

图1

　　加速段及减速段是数控系统的控制器先根据主轴转速及螺距信息，结合系统自身设置或“ 内定”的各项参数事先“ 计划”好，编排出加速段及降速段的固定模式，每刀车削的开始阶段与结束阶段，严格按模式进行。

　　一般螺纹加工不可能仅一刀就车好，往往要车几刀或几十刀，那么车第二刀、第三刀直至最后一刀，每刀都要在工件圆周上先找到圆周上的起始点，即找到起跑点，而且助跑段与降速段也要完全一致，仅仅是深度方向(即X向)改变而已。只要起跑点、助跑段、降速段三者之一略有改变，就会发生后一刀盖不住前一刀的现象，即俗称的“ 乱牙”，根本车不出螺纹来。

　　数控车床在车螺纹时，其控制器也就是微机部分处于“ 精神高度集中”状态，主轴在旋转时，由检测装置将主轴转动信息以脉冲信号的方式源源不断地送回到控制器，控制器根据脉冲按螺距要求及时地发出“ 向前进指令，如果有锥度、收头收尾则更繁忙了。其示意图如图2。

图2

　　以上四点是数控车床车螺纹的基本处理特点。再分析收头收尾，如图3。

图3

　　收头收尾是在螺纹车削过程中，在螺距不变的情况下，X轴作进刀及退刀运动。它有如下几个特点：

　　收头收尾是在助跑与降速段之外，在恒速段两端，即B-E和F-C段。

　　实际上，收头收尾段B-E及F-C段内也有助跑与降速，只是因为X向运动链的机械惯量比Z向小多了，所以响应快，升降速就快而短。同时，因为是Z轴在确保螺距，这时的升降速无论对视觉效果或是使用效果均无明显影响，一般不做专门考虑。

　　收头收尾时一个值得注意的问题是，同一时间内，X向的指令脉冲数不宜过分大于Z向的指令脉冲数，因为车削螺纹时的核心问题是确保螺距正确，Z轴为主运动，重点是Z轴的运算，X轴只能作为“穿插”而已，如果“穿插”过分，会影响控制器的处理速度与能力。我们从图3中可看出这点。

　　3 从瓶盖、瓶口模具的螺纹加工工艺概括出的基本特点

　　对于具有典型意义且难度较高的特殊螺纹就是分段且收短头及收短尾的特殊螺纹。其特点如下：

　　如图4，每刀螺纹一开始加工后，“向始终按螺距运动，而X向分段作收短头—停住(正常车螺纹)—收短尾—自然空出一段(不车螺纹)—收短头的循环运动，分几段则循环几次，不分段则刚好为一标准收头收尾螺纹。

图4

　　这种螺纹还得把助跑段及减速段放在每刀起刀和收刀时。Z向仅在这时作加减速，加工过程中，在分段收头收尾时，应忽略X向的加减速，也就是不允许X向的加速度明显存在，这对X轴的快速响应提出了要求。

　　个别工件收头收尾太短、太陡、太急，所见极端的产品是，一周螺纹分12段，每段上，空处:收头:正常螺纹:收尾的弧长比大致为2:1:4:1，那么，每次收头收尾在不到4°的圆心角所对应的圆周上就完成。假定主轴以,60r/min的较低转速车螺纹，那么收头或收尾对应的时间仅为1/90s，再假定牙深为2mm，螺距为2mm。这意味着X轴在1/90s内要完成2mm的进给量，Z轴在这段时间内前进路程则为2/90mm，这是一组重要数据。

　　此类工件材料为模具钢，不易加工，其螺纹加工只能分几十刀进行。按照工艺规律，应避免起刀时崩刃，进刀量要合理分配，应单向进刀以避免起振和最后修光。

　　4 要解决的几个问题

　　车床X向的响应必须快而可靠，1/90s完成2mm进给量相当于9600mm/min的加工速度，明显高出一般经济型数控的相应技术指标。因为是带负载重复运行，必须保证万无一失，这对执行机构的驱动单元提出了较高的要求。

　　同一时间内，X向的运动路程为2mm，而Z向为2/90mm，这违背了车螺纹时X向的进给量不能过分大于Z向的规律，显然，这个问题不能让控制器去解决，而要寻找外围的解决方案。

　　这种螺纹，不但分几十刀车削，每一刀还可能分为几十段，其编程无现成指令，只能考虑专门的复合循环程序，这就要求我们根据现有的编程习惯，开发一种特殊指令让操作工在编程时按要求填制一些必要的尺寸数据及工艺数据即可。

　　考虑到加工的科学性与实用性，应允许用户合理分配每刀加工时X向的吃刀量。开始加工时，为避免刀尖崩掉，应灵活安排吃刀量;中间阶段，为了避免起振也应合理安排吃刀量，并且让刀具沿着单一方向进刀(少数数控系统已开发出相关功能)。为加工出较低的表面粗糙度，允许小吃刀量或零吃刀量“修光”。

　　5 解决对策

　　为解决X向快而可靠的响应问题，我们采用了全数字交流伺服电机及驱动器作为驱动单元。在选型时，加大了功率，以保证输出力矩，采用了大惯量电机以提高负载能力。选用极限转速较高的电机以满足高速要求。因交流伺服系统是一自带反馈能自我检测位置、速度、驱动电流、力矩等指标且能进行实时调整的性能卓越的执行单元，其可靠性及准确性也就有了保证。

　　交流伺服驱动器的控制部分实际上也是集软硬件于一体的微机单元，通过它可进行多种操作和设置多种参数。我们专门选用了一种带动态电子齿轮比功能的驱动器，比如说，我们已设定了一个电子齿轮比，在这个电子齿轮比作用下，当驱动器从数控系统控制器接收一个脉冲信号时，驱动执行机构运动1µm。如果我们再设定第二个电子齿轮比，其比值是第一个比值的X/倍，那么，在它的作用下，如果驱动器收到一个信号时，执行机构不再是运行1µm，而是20µm。 在加工过程中，能按要求自动切换，就称作动态电子齿轮比功能。我们利用这个功能，在处理螺纹收头收尾时，由数控系统先发出一切换信号至驱动器，在数控系统控制器内，利用软件预先处理，视20为1，达到少发脉冲，保证X向脉冲不过分大于Z向的目的，而驱动器接收切换信号后，调用第2电子齿轮比，见1运行20，还原成我们想要的运动尺寸。换言之，把问题交驱动器处理，螺纹加工之后，再复原。

　　在设计专门针对特殊螺纹的加工指令时，反复考虑螺纹车削过程中如前所述的各种问题，包括三方面：第一是X轴的电子齿轮切换信号和见编程尺寸的“视20为1”的处理与复原;第二是每一刀的助跑段、减速段的处理与每一段的收头收尾、正常加工、空出阶段的分段处理与循环处理;第三是多刀次加工的分刀工艺，分起刀阶段、中间阶段、结束阶段，如何处理进刀量。设计步骤是先列出问题清单，整理出一条一条的解决方法，再编制成数控系统的内部支持软件。我们最终用G77作为此类特殊螺纹的专用数控加工指令，给出的专用指令格式如下：

　　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)

　　说明如下：

　　G77为专用指令代码，数控系统读到此指令后先发电子齿轮比切换信号，进行20变1的数据处理工作，然后开始处理一系列专门工作，并在结束后复原。“()”中的a、b、c……q分别表示如下尺寸数据或工艺数据(未按顺序，也未列全)。如：每段螺纹收头部分、中间部分(正常切削部分)、收尾部分、空出部分所对应圆心角;收头收尾时X轴进给量;每刀分段重复次数;第一刀吃刀量;最后一刀吃刀量;总吃刀量;精加工余量;精加工重复次数;螺纹外径;螺纹半径差;螺距等等。

　　给出以上专用指令代码后，操作工在具体编程时，如果需要请求帮助，系统显示器上会有提示内容，编程序就象填表一样方便。

　　6 试验结果

　　针对上述问题，已从各方面做了大量的工作，包括试验与修改，以及相关厂家配合与支持。现在，该种特殊螺纹的数控车削设备已市场化并已投入运行，使用效果良好，基本上实现了预期的目标。