數(shù)控車加工螺紋的工藝分析

摘 要：隨著我國數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，螺紋加工作為數(shù)控車床的主要功能之一，在生產(chǎn)加工中也得到了廣泛應(yīng)用。不同數(shù)控系統(tǒng)中提供的螺紋加工指令在編寫程序、加工效率、加工精度等方面具有各自的特點，針對不同的加工要求，需進(jìn)行合理選擇?，F(xiàn)以華中世紀(jì)星（HNC-21T）系統(tǒng)為例，從尺寸確定、主軸轉(zhuǎn)速、刀具裝夾、進(jìn)刀方式等方面對數(shù)控車削螺紋的方法進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床;螺紋加工;工藝特點

0 ? ?引言

螺紋不但具有連接、緊固及調(diào)節(jié)功能，還可以用來傳遞動力，因此廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械結(jié)構(gòu)。雖然加工螺紋的方法很多，但車削加工仍占據(jù)很大的比例。與普通車床相比，使用數(shù)控車床加工螺紋，其加工精度、生產(chǎn)效率更高，但要車削加工出高質(zhì)量的螺紋，還應(yīng)注意以下幾個問題。

1 ? ?相關(guān)尺寸的計算方法

使用數(shù)控車床加工普通螺紋時，需確定的相關(guān)尺寸[1]有加工外螺紋前的光桿尺寸、加工內(nèi)螺紋前的底孔尺寸等，其計算方法如下：

1.1 ? ?加工外螺紋前的光桿直徑的計算方法

在車削外螺紋時，若工件材質(zhì)為塑性材料，在螺紋車削過程中受到車刀的擠壓，會導(dǎo)致螺紋的大徑尺寸脹大，因此在車削外螺紋前的光桿直徑應(yīng)比螺紋的公稱直徑略小，一般?。汗鈼U直徑=螺紋公稱直徑-（0.1～0.13）P，其中P為螺紋螺距。

1.2 ? ?加工內(nèi)螺紋前的底孔直徑的計算方法

在車削內(nèi)螺紋時，同樣由于底孔在車削過程中受到車刀的擠壓，會導(dǎo)致底孔直徑縮小，因此在車削內(nèi)螺紋前的底孔直徑應(yīng)比螺紋小徑略大，一般?。?/p>

（1）工件為塑性材料時：底孔直徑=公稱直徑-P;

（2）工件為脆性材料時：底孔直徑=公稱直徑-（1.05～1.1）P。

1.3 ? ?螺紋切削起始位置的確定方法

為避免出現(xiàn)螺紋“亂扣”[2]現(xiàn)象，在同一螺紋的切削過程中，螺紋切削起點的Z坐標(biāo)應(yīng)設(shè)定為固定值，同時Z坐標(biāo)的設(shè)定還應(yīng)考慮到引入距離。螺紋切削起點的X坐標(biāo)應(yīng)大于螺紋的公稱直徑。

（1）單線螺紋。螺紋切削一般為分層切削，為確保刀具每次分層切削時能切削到同一條螺紋上，需保證每次螺紋切削起點的Z坐標(biāo)為同一坐標(biāo)值。

（2）多線螺紋。華中系統(tǒng)采用圓周分度分線法，即保持各條螺紋切削起點的Z坐標(biāo)不變，而改變螺紋切削起點在圓周的位置。雙線螺紋圓周方向每隔180°加工一條螺紋線，三線螺紋圓周方向每隔120°加工一條螺紋線，以此類推。

1.4 ? ?螺紋切削最終進(jìn)刀位置的確定方法

螺紋刀在X方向的最終進(jìn)刀位置取決于螺紋小徑，一般通過螺紋小徑=螺紋大徑-1.3P來計算，也可通過螺紋分刀表來確定。

1.5 ? ?引入/引出距離

伺服系統(tǒng)具有滯后性，在加工螺紋時，螺紋切削起始位置會出現(xiàn)“超前”現(xiàn)象，而螺紋切削終了位置會出現(xiàn)“滯后”[3]現(xiàn)象，導(dǎo)致所加工螺紋兩端的螺距與加工要求不符，因此在螺紋切削起始位置應(yīng)考慮刀具的引入距離δ1，在螺紋切削終了位置應(yīng)考慮刀具的引出距離δ2。一般取δ1=1.5P，δ2=P;也可取經(jīng)驗值：δ1為2～5 mm，δ2為δ1的一半。對具有退刀槽結(jié)構(gòu)的螺紋，δ2一般可取退刀槽寬度的一半。

2 ? ?主軸轉(zhuǎn)速

在進(jìn)行螺紋切削時，由于切削力較大，故車削螺紋時的轉(zhuǎn)速不宜過高，大多數(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床車削螺紋的主軸轉(zhuǎn)速[4]可依據(jù)n<1 200/P-K來確定，其中K為保險系數(shù)，一般取80。同時，為保證螺距的精度，需保證主軸轉(zhuǎn)速恒定，故不能采用G96恒線速度指令。

3 ? ?螺紋刀的安裝要求

（1）螺紋刀的刀尖需與車床主軸軸線等高。若螺紋刀安裝過高，當(dāng)切削到一定深度時，刀具的后刀面會頂住工件，導(dǎo)致摩擦力增大，造成工件彎曲，甚至出現(xiàn)“扎刀”現(xiàn)象;若螺紋刀安裝過低，則不利于切屑的排出。

（2）螺紋刀刀尖角的對稱中心線必須與工件軸線垂直，否則將會導(dǎo)致螺紋牙型不正確。在安裝螺紋刀時，可借助對刀樣板來校正。

（3）螺紋刀的刀頭伸出長度不能過長，一般約為刀桿厚度的1.5倍。若刀頭伸出長度過長，則在加工過程中刀桿的顫動會導(dǎo)致螺紋表面粗糙度較差。

4 ? ?螺紋切削的進(jìn)刀方式

數(shù)控車床加工螺紋時，刀具有3種進(jìn)刀方式[5]：直進(jìn)法、斜進(jìn)法和左右切削法（圖1）。

4.1 ? ?直進(jìn)法

采用直進(jìn)法加工普通螺紋時，螺紋刀沿X軸方向（橫向）間歇進(jìn)給至牙深處。在切削過程中，螺紋刀的兩個切削刃始終參與切削，導(dǎo)致切削力較大，排屑困難，散熱條件差，車刀容易磨損。當(dāng)進(jìn)刀量過大時，還可能產(chǎn)生“扎刀”現(xiàn)象，甚至折斷刀具。因此，只有在刀具材料質(zhì)量較好且螺距較?。ㄒ话銥槁菥郟≤3 mm）的情況下，才能采用直進(jìn)法（G32或G82指令）進(jìn)行加工。

4.2 ? ?斜進(jìn)法

采用斜進(jìn)法加工普通螺紋時，螺紋刀沿牙型角方向斜向間歇進(jìn)給至牙深處。此時，因螺紋刀始終只有一個側(cè)刃參與切削，排屑比較順利，但刀具受力不平衡，導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)速不能提高，工件易發(fā)生顫動，尤其是在進(jìn)行最后一次切削時，吃刀量較大，易產(chǎn)生毛刺。因此，斜進(jìn)法適用于加工螺紋精度要求不高的工件，若加工的螺紋精度要求較高，在確保粗精車螺紋切削起始位置一致的條件下，可先采用G76進(jìn)行粗車，再采用G32或G82完成精車，若粗精車螺紋切削起始位置不一致，則容易產(chǎn)生“亂扣”現(xiàn)象。

4.3 ? ?左右切削法

采用左右切削法加工普通螺紋時，在螺紋分層切削過程中，當(dāng)每層螺紋切削行程終了后，下一層螺紋切削時螺紋刀不但要在X軸方向進(jìn)給，還要沿Z軸方向朝左右兩側(cè)做微量“借刀”，這種進(jìn)刀方式可提高牙型兩側(cè)的表面質(zhì)量，由于數(shù)值計算量較大，常借助宏程序完成。

5 ? ?華中世紀(jì)星（HNC-21T）系統(tǒng)常用的3種螺紋加工指令

華中世紀(jì)星（HNC-21T）系統(tǒng)在進(jìn)行螺紋加工時，常用以下3種方法：單行程螺紋切削指令G32、螺紋切削單一固定循環(huán)指令G82與螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令G76。

5.1 ? ?單行程螺紋切削指令G32

指令格式：G32 X（U） ? ?Z（W） ? ?R ? ?E ? ?P ? ?F。

指令字說明：X、Z為螺紋有效終點的絕對坐標(biāo);U、W為螺紋有效終點相對于螺紋切削起點的增量坐標(biāo);R為螺紋切削在Z軸方向的退尾量;E為螺紋切削在X軸方向的退尾量;P為主軸基準(zhǔn)脈沖距離螺紋切削起點的主軸轉(zhuǎn)角;F為螺紋導(dǎo)程。

G32指令可以用來加工圓錐螺紋、圓柱螺紋與端面螺紋，既可加工外螺紋，又可加工內(nèi)螺紋。使用G32指令，在分層加工切削螺紋時，每層切削均需由X軸方向進(jìn)刀（G00）、Z軸方向螺紋切削（G32）、X軸方向退刀（G00）與Z軸方向退刀（G00）4個程序段組成，因此使用G32指令編寫的程序段較多。

5.2 ? ?螺紋切削單一固定循環(huán)指令G82

指令格式：G82 X（U） ? ?Z（W） ? ?I ? ?R ? ?E ? ?C ? ?P ? ?F。

指令字說明：X（U）、Z（W）、R、E、F與G32指令中X（U）、Z（W）、R、E、F的含義相同;I為螺紋起點與螺紋終點的半徑差;C為螺紋頭數(shù)，單頭（線）螺紋取0或1;P：單頭螺紋切削時，為主軸基準(zhǔn)脈沖處距離螺紋切削起點的主軸轉(zhuǎn)角（缺省值為0），多頭螺紋切削時，為相鄰螺紋頭的切削起始點之間對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)角。

由于G82指令為固定循環(huán)指令，在分層加工切削螺紋時，每層切削僅需調(diào)用一次G82，即可包含使用G32指令時的4個程序段，因此可以簡化編程。

5.3 ? ?螺紋切削復(fù)合循環(huán)指令G76

指令格式：G76 C（c）R（r）E（e）A（α）X（x）Z（z）I（i）K（k）U（d）V（Δdmin）Q（Δd）P（p）F（l）。

指令字說明：x、z、i、F與G82指令中X、Z、I、F的含義相同;c為精加工次數(shù);r為螺紋Z軸方向退尾量;e為螺紋X軸方向退尾量;α為刀尖角度，根據(jù)螺紋牙型一般在80°、60°、55°、30°、29°和0°六個角度中選取;k為螺紋高度（半徑量）;Δdmin為最小切削深度（半徑量）;Δd為第一次切削深度（半徑量）;P為主軸基準(zhǔn)脈沖處距離螺紋切削起始點的主軸轉(zhuǎn)角。

當(dāng)加工導(dǎo)程較大的螺紋時，需要的切削循環(huán)次數(shù)更多，采用G32或G82編程將會變得非常煩瑣，而使用G76指令，僅需一條指令即可完成螺紋的分層切削。

6 ? ?結(jié)語

在加工螺紋時，只有通過正確的尺寸計算、合理選擇車刀并正確安裝、合理選取引入/引出距離、確定合理的主軸轉(zhuǎn)速，并根據(jù)工件材質(zhì)、螺紋螺距與螺紋的精度要求等選擇合理的進(jìn)刀方式，才能確保螺紋的加工質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2021-08-30

作者簡介：李雅昔（1975—），男，陜西渭南人，碩士研究生，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計與制造。