三角螺紋數(shù)控車削加工編程理論分析與試驗研究

張久雷

（羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，羅定 527200）

0 引言

在現(xiàn)代制造業(yè)中，有許多零件都具有螺紋特征。螺紋常用于可拆卸固件的聯(lián)接、緊固，還可以用來傳遞動力，在各個領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，對現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展起到了重要關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的螺紋加工方法主要有外螺紋用普通車床車削，工作時需多次走刀才能切出螺紋輪廓，內(nèi)螺紋采用絲錐攻絲，工作時必須先把螺紋底孔加工好，然后換刀進(jìn)行加工，輔助時間長[1]，生產(chǎn)效率低且對操作者的技能水平要求較高。隨著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，專業(yè)螺紋生產(chǎn)廠廣泛采用滾絲、扎絲、搓絲等一系列先進(jìn)制造技術(shù)，取得了良好效果，但在一般的機(jī)械加工廠中，通常還是采用車削的方法來加工，因此學(xué)習(xí)和靈活運用螺紋的數(shù)控車削加工技術(shù)是編程人員和機(jī)械加工人員必須掌握的重要技能之一。

1 螺紋數(shù)控車削加工編程理論分析

1.1 螺紋數(shù)控加工的理論指導(dǎo)現(xiàn)狀

目前對螺紋的數(shù)控車削加工方法理論不統(tǒng)一，各專家編者、企業(yè)生產(chǎn)實際對螺紋的加工方法理論也不同，特別是對如圖1所示的螺紋牙型的牙高h(yuǎn)大小確定更是說法不一，最具典型的說法有以下兩種：

1）根據(jù)GB192～197— 81普通螺紋國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，普通螺紋的牙型理論高度 H= 0.866P，實際加工時，由于螺紋車刀刀尖半徑的影響，螺紋的實際切深有變化。根據(jù)GB197—81規(guī)定螺紋車刀可在牙底最小削平高度H／8處削平或倒圓，螺紋實際牙型高度h= H-2（H／8）= 0.649 5P，式中H為螺紋原始三角形高度，P為螺距[2]。

圖1 螺紋牙型高度

2）順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐建高在其編著的數(shù)控車削編程與考級里面介紹于普通三角形螺紋牙高h(yuǎn)=0.5413P[3]，持有這種牙高計算理論的還有耿金良等在其著作里介紹普通三角形螺紋牙高h(yuǎn)=0.5413P[4]，而且在目前廣泛應(yīng)用的MasterCAM9.0或9.1版本的自動編程軟件里面，對于數(shù)控車削模塊中螺紋切削加工的螺紋型式參數(shù)設(shè)定里，不管是由表選取還是利用公式計算，螺紋牙高h(yuǎn)都是等于0.5413P，P為螺距。

也有些編者提出實際牙型高度h=H-2（H/7）=0.6186P[5]，而且對于螺紋大徑的大小也是有不同的計算方法，因此在目前這種螺紋切削加工理論指導(dǎo)不統(tǒng)一的情況下，只有親自拿著量具或標(biāo)準(zhǔn)件，到數(shù)控車床上進(jìn)行實際編程加工的螺紋測量或嚙合試驗研究才能得出切合實際生產(chǎn)所需要的螺紋切削加工的理論方法。

1.2 當(dāng)前螺紋數(shù)控切削加工理論方法存在的問題

選取FANUC OiT系統(tǒng)數(shù)控車床進(jìn)行以上幾種螺紋數(shù)控切削加工方法的切削試驗，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論采取哪一種螺紋牙型計算方法進(jìn)行代碼編程加工，都會出現(xiàn)切削螺紋與標(biāo)準(zhǔn)件不能嚙合的現(xiàn)象，具體測量發(fā)現(xiàn)問題有：1）螺紋牙型不對，要求加工出普通三角形螺紋，切削出來梯形或矩形螺紋。 2）螺紋牙深深淺不一，直接影響了嚙合。3）不能與標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行嚙合，也就是螺紋中徑不合格出現(xiàn)通止規(guī)不符合旋進(jìn)旋出要求的現(xiàn)象，即螺紋不合格。

1.3 切合生產(chǎn)實際的螺紋數(shù)控車削理論方法

1.3.1 螺紋數(shù)控車削的常用指令

螺紋數(shù)控車削的指令代碼很多，不同系統(tǒng)螺紋切削指令代碼有所不同，本文以應(yīng)用最為廣泛的FANUC系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)常用的螺紋切削指令有：G32、 G34、 G92、G76），現(xiàn)分別說明其指令應(yīng)用格式及其特點。

恒螺距螺紋切削指令：G32 X（U）__Z（W）__F__；

不等距螺紋的切削指令：G34 X（U）__ Z（W）__F__ K__；

單一螺紋切削循環(huán)指令：G92 X（U）__ Z（W）__ R__ F__；

螺紋切削自動循環(huán)復(fù)合切削指令：G76P（m）（r）（α）Q（△dmin） R（d）；

G76 X（U）__Z（W）__R（i） P（k） Q（△d）F（L）；

式中：X、Z——螺紋切削終點絕對坐標(biāo)；

U、W——切削終點相對于起點增量坐標(biāo)；

F——螺紋導(dǎo)程；

R——切削起點至切削終點的半徑差，有正負(fù)，當(dāng)R=0時，可省略不寫，代表切削圓柱螺紋；

K——是指螺紋每導(dǎo)程的變化量，其增（減）范圍在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定（孫杰 不等距螺紋的數(shù)控車削機(jī)械工程師 2 0 0 8 年第2 期：2 9-31），當(dāng)K=0時，功能等同于G32；

在復(fù)合切削指令G76格式中：m——精車削次數(shù)，必須2位數(shù)：01～99；

r——螺紋末端倒角量，大小可設(shè)定在0.0－9.9Pn之間，系數(shù)為0.1的整數(shù)倍；Pn為導(dǎo)程；必須2位數(shù)：00～99：倒角量=倍數(shù)×0.1×導(dǎo)程；

α——刀具角度，有30°、55°、60°等，常取標(biāo)準(zhǔn)60°米制螺紋；

M、r和a用地址P同時指定，例如：m＝2、r＝1.1Pn、a＝60，表示為：P021160；

△dmin—最小切削深度（半徑值），不可用小數(shù)點表示；數(shù)值為實際數(shù)值的1000倍

d——精車余量；(可以小數(shù)表示也可×1000）

i——螺紋終點D到起點C的向量值（半徑），如i=0可省略；

k——螺紋牙深（半徑值），有些系統(tǒng)不可用小數(shù)點表示；

△d——第一刀切削深度（半徑值），不可用小數(shù)點表示；

L——螺紋螺距。

以上各螺紋切削指令都能完成圓柱螺紋、圓錐螺紋、端面螺紋、外螺紋和內(nèi)螺紋以及左旋螺紋和右旋螺紋的切削加工功能，只是在參數(shù)設(shè)置上進(jìn)行修改就可以切削加工。

1.3.2 普通三角螺紋數(shù)控車削有關(guān)尺寸計算

1）螺紋牙型尺寸確定。普通三角螺紋的基本牙型各基本尺寸如圖2所示：螺紋螺距為P。螺紋原始三角形高度H= 0.866P，根據(jù)國標(biāo)規(guī)定。

螺紋大徑D：螺紋大徑在螺紋加工前，由外圓車削得到，該外圓的實際直徑通過其大徑公差

帶或借用其中徑公差帶進(jìn)行控制。實際加工受到螺紋車刀刀尖形狀及其尺寸刃磨精度的影響，為保證螺紋中徑達(dá)到要求，故在編程或車削過程中通采用以下經(jīng)驗公式進(jìn)行調(diào)整或確定其編程大徑，即螺紋大徑D=基本尺寸-（0.1～0.3）mm或螺紋大徑D=基本尺寸-0.13×F。實際尺寸確定需要看螺紋嚙合的松緊程度，要求螺紋嚙合的緊，則螺紋大徑D值就要適當(dāng)大一點，要求嚙合的松，則螺紋大徑D值就取小一點。總之要有外螺紋是“公”，內(nèi)螺紋是“母”的概念，即螺紋嚙合時需要“公”小一點，“母”大一點才可以嚙合。因此螺紋大徑D要根據(jù)匹配螺紋間的松緊程度進(jìn)行確定，也就是內(nèi)外螺紋的配合要在螺紋配合等級內(nèi)。

實際螺紋牙高h(yuǎn)：根據(jù)國標(biāo)規(guī)定取h=0.6495P。

螺紋小徑D1：D1=D-2×h。

螺紋中徑D2：在數(shù)控車床上，螺紋的中徑是通過控制螺紋的削平高度（由螺紋車刀的刀尖體現(xiàn)），牙型高度，牙型角和底徑來綜合控制的。

2）螺紋切入點、切出點確定?？盏秾?dǎo)入量δ1值和空刀導(dǎo)出量δ2值一般應(yīng)根據(jù)有關(guān)手冊來計算，實際編程根據(jù)經(jīng)驗可取2-5mm[6]，也可利用下式來簡單估算。

圖2 普通三角形螺紋的基本牙型

空刀導(dǎo)入量δ1>2.5P，空刀導(dǎo)出量δ2>1.2P，如果空刀導(dǎo)入量取得太小，可能產(chǎn)生“亂牙”現(xiàn)象[3]。

3）螺紋切入點切出點確定 切削用量選用

如果螺紋牙型較深、螺距較大，可分幾次進(jìn)給。每次進(jìn)給的背吃刀量用螺紋深度減精加工背吃刀量所得的差按遞減規(guī)律分配。常用螺紋切削的進(jìn)給次數(shù)與背吃刀量可參考表1選取[6]

2 各螺紋指令切削加工編程的對比試驗研究

加工如圖3所示M30×1.5的外螺紋，螺紋長度30 mm，假設(shè)毛坯工件已經(jīng)進(jìn)行了光軸、退刀槽等粗加工，本例只是進(jìn)行螺紋加工。設(shè)定切削加工螺紋主軸轉(zhuǎn)速為400r/min，螺紋刀號為02刀位，數(shù)學(xué)計算處理過程及其各指令編程如下：

2.1 尺寸的數(shù)學(xué)計算處理

螺紋大徑D=公稱尺寸－0.13×F=29.805 mm，

或取經(jīng)驗值29.8 mm；實際尺寸要根據(jù)試切后測量或與標(biāo)準(zhǔn)件嚙合的松緊程度進(jìn)行調(diào)整確定，使其符合技術(shù)要求。

螺紋牙高h(yuǎn)= 0.649 5*1.5= 0.974 mm，據(jù)國標(biāo)計算。

螺紋小徑D1=D-2*h=27.856 mm，；實際尺寸也要根據(jù)試切后測量或與標(biāo)準(zhǔn)件嚙合的情況進(jìn)行減小或增大調(diào)整確定，使其符合技術(shù)要求。

空刀導(dǎo)入量δ1=4mm >2.5P=3.7mm。

空刀導(dǎo)出量δ2=2mm >1.2P=1.8mm。

圖3 普通三角外螺紋加工

2.2 各螺紋指令切削加工編程的對比試驗研究

由本例可以看出G32、G34指令在編寫螺紋切削加工程序時，車刀的切入、切削、提刀和返回都要寫在程序中，要多次進(jìn)刀才能切削完成，編程程序較長、且易發(fā)生書寫錯誤。G92指令是螺紋加工循環(huán)指令，一次定義后循環(huán)進(jìn)給路線與G32、G34基本相同，但G92指令除螺紋切削為進(jìn)給運動外，其余切入、提刀、返回均為快速運動，而G32、G34對于車刀每一步運動都需要定義。且三者進(jìn)刀方式為直線式，如圖4所示，直進(jìn)式車削螺紋時的車刀左、右兩側(cè)刀刃同時參加切削，刀具兩側(cè)受力、磨損均勻，能夠保證螺紋牙型精度，但此種切削方式切削力大、排屑困難，磨損較快等問題，在加工中要經(jīng)常測量，因此多用于小螺距高精度螺紋切削加工[7]。

G76指令進(jìn)刀方式為斜線式，如圖5所示，切屑從刀刃上卷開，形成條狀屑，散熱較好。缺點是另一刃發(fā)生摩擦，導(dǎo)致積屑瘤的產(chǎn)生、表面粗糙度值增高和工件硬化[2]，從而造成螺紋牙型精度不高，因此，G76指令一般適用于大螺距低精度的螺紋切削加工[7]。雖然G76程序較短，但參數(shù)設(shè)置太多，較容易出錯，同時計算機(jī)需要計算的時問也較長，不夠簡單明了，只有加工較大螺距的螺紋時才采用。因此，常用螺距（P=1～4）的螺紋加工，經(jīng)常采用G92指令編程，程序較簡單，參數(shù)設(shè)量清晰，不容易出錯[8]。

3 結(jié)論

準(zhǔn)確合理地確定螺紋大徑、螺紋牙高和螺紋小徑是螺紋數(shù)控車削加工編程的關(guān)鍵，同時也是螺紋加工合格的保證。根據(jù)零件圖紙選擇確定數(shù)控加工內(nèi)容并進(jìn)行加工工藝分析，靈活準(zhǔn)確的進(jìn)行零件圖形的編程尺寸數(shù)學(xué)計算處理，進(jìn)行編程試切加工并調(diào)整程序，最終確定出切合實際生產(chǎn)要求的螺紋數(shù)控車削理論方法。

圖4 G32直線進(jìn)刀

圖5 G76斜線進(jìn)刀

[1] 寇元哲,劉玉春.基于FANUC宏程序的螺紋數(shù)控加工及編程應(yīng)用研究[J]. 中國農(nóng)機(jī)化,2007(5):82-84.

[2] 陳書法,姚傳維,朱建忠.螺紋的數(shù)控切削工藝研究[J].連云港化工高等?？茖W(xué)校學(xué)報,15(3):23-28.

[3] 徐建高.數(shù)控車削編程與考級[J].化學(xué)工業(yè)出版社,2006,1:28-29.

[4] 耿金良,孟祥坡,張金偉.數(shù)控車削加工螺紋[J].數(shù)控機(jī)床市場,(10):120-122.

[5] http://www.wendang365.cn/view/53956?jdfwkey=ohhcz1

[6] 楊建明.數(shù)控加工工藝與編程[M].北京理工大學(xué)出版社2006:154-155.

[7] 董小金.FANUC 數(shù)控系統(tǒng)螺紋切削循環(huán)指令的區(qū)別及應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動化,2007,36(6):64-65.

[8] 劉春利,范慶林,趙紅梅,刀具磨耗補償在FANUC Oi系統(tǒng)數(shù)車加工螺紋中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2007,28(7):72-73.