淺析如何在數(shù)控車床上保證螺紋的加工精度

呂紅梅

摘要：隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有銑床，鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床，車床等。此外還有能自動換刀，一次裝夾進行多工序加工的加工中心，車削中心等。本文主要闡述了在數(shù)控車床上加工螺紋時，由于設(shè)備、刀具或者人員的原因，在切削過程中容易發(fā)生的問題，以及解決辦法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控；螺紋；刀具；機床

中圖分類號：G718 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1672-1578（2017）07-0222-03

緒論：螺紋是在圓柱或圓錐表面上，沿著螺旋線所形成的具有相同剖面和規(guī)定牙型的連續(xù)凸起和溝槽。在各種機械產(chǎn)品中，帶有螺紋的零件應(yīng)用廣泛。它主要用作聯(lián)接零件、傳動零件、緊固零件和測量用的零件等等。在車床上加工螺紋，是比較常用的螺紋加工方法之一。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控車床的普及，在數(shù)控車床上車削螺紋被越來越多的使用。數(shù)控車床以加工效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、加工精度高、加工范圍廣、調(diào)試方便（特別是它能精密加工在普車上比較難加工的一些特殊表面零件）等優(yōu)勢在機械加工中占有越來越重要的地位。

在數(shù)控車床上能車削米制、英制、模數(shù)和徑節(jié)制四種標(biāo)準(zhǔn)螺紋，還能車削變螺距螺紋，端面螺紋等。但無論車削哪一種螺紋，數(shù)控車床主軸與刀具之間必須保持嚴(yán)格的運動關(guān)系：即主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)（即工件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)），刀具應(yīng)均勻地移動一個（工件的）導(dǎo)程的距離。它們的運動關(guān)系是這樣保證的：主軸帶著工件一起轉(zhuǎn)動，主軸的運動狀態(tài)由一根同步皮帶傳送到主軸編碼器，主軸編碼器檢測到主軸的轉(zhuǎn)速以后，將信息反饋到機床主系統(tǒng)信息處理中心，主系統(tǒng)再根據(jù)程序編制的導(dǎo)程發(fā)出指令控制主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)X軸或Y軸移動一個導(dǎo)程的距離（主要是為了獲得各種螺距），以保證主軸與刀具之間嚴(yán)格的運動關(guān)系。

在數(shù)控車床上車削螺紋，由于主機系統(tǒng)能同時控制主軸與X、Y軸的運動，而且數(shù)控車床是以um為單位的，所以能獲得精確的螺距。但是在實際車削螺紋時，由于各種原因（如主軸同步傳動皮帶磨損，X、Y軸絲桿磨損，刀具磨損，機床檢測系統(tǒng)錯誤等）造成由主軸到刀具之間的運動，在某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，引起車削螺紋時產(chǎn)生故障，影響正常生產(chǎn)，這時應(yīng)及時加以解決。

本論文針對加工螺紋的過程中易出現(xiàn)的問題而提出了一些整改措施，供大家一起探討。

1.數(shù)控車床車削螺紋的原理

1.1 數(shù)控車削螺紋原理。主軸——主軸脈沖發(fā)生器——數(shù)控系統(tǒng)——步進電機——縱向長絲杠、螺母——溜板箱——刀架

在數(shù)控車床上加工螺紋時，其加工進給不是采用機械傳動鏈實現(xiàn)的，而是通過主軸編碼器、來實現(xiàn)螺紋加工的。數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)檢測到的主軸旋轉(zhuǎn)信號，控制電動機的進給。實現(xiàn)車削螺紋所要求的比例關(guān)系，切削出符合要求的螺紋。

1.2 主軸脈沖發(fā)生器的安裝及調(diào)試。數(shù)控車床是采用增量式光電編碼器為主軸脈沖發(fā)生器，安裝于車床的主軸箱內(nèi)，由主軸經(jīng)過齒輪或同步齒形帶驅(qū)動，實現(xiàn)1：1的傳動。主軸旋轉(zhuǎn)時，編碼器與主軸同步旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)出與主軸轉(zhuǎn)角相對應(yīng)的脈沖信號，發(fā)出的這個信號是控制螺紋加工時刀具運動的重要信號。

2.在數(shù)控車床上車削螺紋時常見故障

2.1 切削過程中出現(xiàn)振動和扎刀現(xiàn)象：

（1）導(dǎo)程（螺距）值偏大；

（2）車刀安裝得過高或過低；

（3）工件裝夾不牢；

（4）車刀磨損過大；

（5）切削參數(shù)不正確。

解決方法：

（1）我們常用的螺紋加工指令有G32、G92和G76三種，進刀方式有直進法、斜進法和左右切削法三種形式。

①G92指令采用直進法進行加工。由于兩側(cè)刃同時工作，切削力較大，而且排削困難，因此在切削時，兩切削刃容易磨損。在切削螺距較大的螺紋時，由于切削深度較大，刀刃磨損較快，從而造成螺紋中徑產(chǎn)生誤差；但是其加工的牙形精度較高，因此一般多用于小螺距螺紋加工。由于其刀具移動切削 均靠編程來完成，所以加工程序較長；由于刀刃容易磨損，因此加工中要做到勤測量。

②G76指令采用斜進法進行加工。由于是單側(cè)刃加工，加工刀刃容易損傷和磨損，使加工螺紋面不直，刀尖角發(fā)生變化，而造成牙形精度較差。但由于其為單側(cè)刃工作，刀具負(fù)載較小，排屑容易，并且切削深度為遞減式。因此可以加工導(dǎo)程較大的螺紋。

編程時應(yīng)考慮加工螺紋的切入和切出量，以便保證螺紋導(dǎo)程的一致性。

加工螺紋之前一般應(yīng)先加工退刀槽，如果沒有退刀槽時，刀具在螺紋終點的加工路線應(yīng)為倒角退刀。

加工螺紋時，由于進給量較大，螺紋車刀的強度較差，故螺紋牙型往往需分多次進行切削。

綜上所述，我們可根據(jù)螺紋種類和螺距不同來選擇螺紋的編程指令。

（2）車刀安裝得過高或過低：過高，則吃刀到一定深度時，車刀的后刀面頂住工件，增大摩擦力，甚至把工件頂彎，造成扎刀現(xiàn)象；過低，則切屑不易排出，車刀徑向力的方向是工件中心，加上橫進絲杠與螺母間隙過大，致使吃刀深度不斷自動趨向加深，從而把工件抬起，出現(xiàn)扎刀。

此時，應(yīng)及時調(diào)整車刀高度，使其刀尖與工件的軸線等高（可利用尾座頂尖對刀）。在粗車和半精車時，刀尖位置比工件的中心高出1%D左右（D表示被加工工件直徑）。

（3）工件裝夾不牢：工件本身的剛性不能承受車削時的切削力，因而產(chǎn)生過大的撓度，改變了車刀與工件的中心高度（工件被抬高了），形成切削深度突增，出現(xiàn)扎刀，此時應(yīng)把工件裝夾牢固，可使用尾座頂尖等，以增加工件剛性。

（4）車刀磨損過大：引起切削力增大，頂彎工件，出現(xiàn)扎刀。此時應(yīng)對車刀加以修磨。

（5）切削用量（主要是背吃刀量）過大：螺紋切削的進給量相當(dāng)于加工中的每次深度，每次切深過小會增加走刀次數(shù)，影響切削效率，同時加劇刀具磨損；切深過大雙容易出現(xiàn)扎刀、崩尖及螺紋掉牙現(xiàn)象。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，螺紋加工的每次切深一般都是遞減的。即隨著螺紋深度增加，背吃刀量越下越大，要相應(yīng)的減小進給量。

2.2 亂牙：

故障分析：原因是當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，工件未轉(zhuǎn)過整數(shù)轉(zhuǎn)而造成的。

主要原因有：

（1）伺服系統(tǒng)滯后效應(yīng)；刀具在位移過程的開始和結(jié)束，都受到伺服驅(qū)動系統(tǒng)升降頻率和數(shù)控裝置插補運算速度的約束，由于升降頻特性滿足不了加工需要等原因，可能引起進給運動產(chǎn)生"超前"和"滯后"，而導(dǎo)致部分螺距不符合要求。

（2）機床主軸編碼器同步傳動皮帶磨損，檢測不到主軸的同步真實轉(zhuǎn)速；

（3）編制的加工程序不正確；

（4）X軸或Y軸絲桿磨損。

解決方法：

（1）在保證生產(chǎn)效率和正常切削的情況下，選擇較低的主軸轉(zhuǎn)速；當(dāng)螺紋加工程序段中的升速進刀段和降速退刀段的長度較大時，可選擇高一些的主軸轉(zhuǎn)速。

W=L+δ1+δ2式中：δ1：切入空刀行程量，一般取2～5mm；

δ2：切出空刀行程量，一般取0.5δ1。

主軸編碼器同步皮帶磨損：由于數(shù)控車床車削螺紋時，主軸與車刀的運動關(guān)系是由機床主機信息處理中心發(fā)出的指令來控制的，車削螺紋時，主軸轉(zhuǎn)速恒定不變，X或Y軸可以根據(jù)工件導(dǎo)程大小和主軸轉(zhuǎn)速來調(diào)整移動速度，所以中心必須檢測到主軸同步真實轉(zhuǎn)速，以發(fā)出正確指令控制X或Y軸正確移動。如果系統(tǒng)檢測不到主軸的真實轉(zhuǎn)速，在實際車削時會發(fā)出不同的指令給X或Y，那么這時主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具移動的距離就不是一個導(dǎo)程，第二刀車削時螺紋就會亂扣。這種情況下，我們只有維修機床，更換主軸同步皮帶。

編制輸入的程序不正確：我們知道，車削螺紋時為了防止亂扣，必須保證后一刀車削軌跡要與前一刀車削軌跡重合，在普車上我們用倒順車法來預(yù)防亂扣。在數(shù)控車床上，我們用程序來預(yù)防亂扣，就是在編制加工程序時，我們用程序控制螺紋刀在車削前一刀后，退刀，使后一刀起點位置與前一刀起點位置重合（相當(dāng)于在普車上車削螺紋時，螺紋刀退回到前一刀所車出的螺旋槽內(nèi)），這樣車出的螺紋就不會亂扣。有時，由于程序輸入的導(dǎo)程不正確（后一段程序?qū)С膛c前一段程序?qū)С滩灰恢拢?，車削時也會出現(xiàn)亂扣現(xiàn)象。

例一： ………………………

G00 X 20 ；

Z 5；

G32 Z -20 F 200；

G00 X 30；

Z 5；（后一刀起點位置與前一刀起點位置重合，螺紋不會亂扣）

X 19；

G32 Z -20 F 200；（后一段程序?qū)С膛c前一段程序?qū)С桃恢拢菁y不會亂扣）

………………………

例二： ………………………

G00 X 20；

Z 5；

G32 Z -20 F 200；

G00 X 30；

Z 4；（后一刀起點位置與前一刀起點位置不重合，螺紋會 亂扣）

G32 Z -20 F 220；（后一段程序?qū)С膛c前一段程序?qū)С滩灰恢?，螺紋會亂扣）

………………………

X軸或Y軸絲桿磨損嚴(yán)重：維修機床，更換X軸或Z軸絲桿。

2.3 螺距誤差

螺距不正確的原因主要有：

（1）主軸編碼器傳送回機床系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；

（2）X軸或Y軸絲桿和主軸的竄動過大；

（3）編制和輸入的程序不正確。

解決方法：

（1）主軸編碼器傳送數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確：維修機床，更換主軸編碼器或同步傳送皮帶；

（2）X軸或Y軸絲桿和主軸竄動過大：調(diào)整主軸軸向竄動，X軸或Y軸絲桿間隙可以用系統(tǒng)間隙自動補償功能補償。

（3）校檢程序，務(wù)必使程序中的指令導(dǎo)程與圖紙要求一致。

2.4 螺紋牙型不正確：

原因主要有：

（1）刀具角度選擇錯誤；

（2）車刀安裝不正確；

（3）車刀磨損。

解決方法：

刀具角度選擇錯誤：正確刃磨和測量車刀刀尖角度，對于牙型角精度要求較高的螺紋車削，可以用標(biāo)準(zhǔn)的機夾式螺紋車刀車削，或者用工具磨床來刃磨螺紋車刀。

車刀安裝不正確：裝刀時用樣板對刀，或者通過用百分表找正螺紋刀桿來裝正螺紋刀。

車刀磨損：根據(jù)車削加工的實際情況，合理選用切削用量，及時修磨車刀。

2.5 螺紋表面質(zhì)量差

原因主要有：

（1）刀尖產(chǎn)生積屑瘤；

（2）刀柄剛性不夠，切削時產(chǎn)生震動；

（3）車刀徑向前角太大；

（4）高速切削螺紋時，切削厚度太小或切屑向傾斜方向排出，拉毛已加工牙側(cè)表面；

（5）工件剛性差，而切削用量過大；

（6）車刀表面粗糙度差。

解決方法：

調(diào)整切削用量，并正確選擇切削液；

增加刀柄截面，并減小刀柄伸出長度；

減小車刀徑向前角；

高速鋼切削螺紋時，最后一刀的切屑厚度一般要大于0.1mm，并使切屑沿垂直軸線方向排出；

檢查工件安裝，增加工件安裝剛度，選擇合理的切削用量；

刀具切削刃口的表面粗糙度應(yīng)比零件加工表面粗糙度值小1至2級。

3.總結(jié)

利用數(shù)控車床加工螺紋零件，在保證加工精度的同時可以成倍的提高加工效率，數(shù)控車床在對螺紋零件加工時可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)車床。

車削螺紋時產(chǎn)生的故障形式多種多樣，既有設(shè)備的原因，也有刀具、操作者等的原因，在排除故障時要具體情況具體分析，通過各種檢測和診斷手段，找出具體的影響因素，采取有效的解決方法。

參考文獻：

[1] 《數(shù)控機床編程與操作》中國勞動社會保障出版社2009年6月出版

[2] 《數(shù)控車床FANUC系統(tǒng)編程與操作說明書》中國勞動社會保障出版社2004年4月

[3] 《數(shù)控原理及系統(tǒng)》中國勞動社會保障出版社

[4] 《車工工藝學(xué)》勞動人事出版社一九八四年出版

[5]《車工工藝與技能訓(xùn)練》中國勞動社會保障出版社2001年1月出版