三角螺紋數(shù)控車削加工編程理論分析與試驗(yàn)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(dòng)力，在各個(gè)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(shí)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(shí)必須先把螺紋底孔加工好，然后換刀進(jìn)行加工，輔助時(shí)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(yùn)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(shí)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(shí)際加工時(shí)，由于螺紋車刀刀尖半徑的影響，螺紋的實(shí)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(shí)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(jì)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(dòng)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)際編程加工的螺紋測量或嚙合試驗(yàn)研究才能得出切合實(shí)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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論采取哪一種螺紋牙型計(jì)算方法進(jìn)行代碼編程加工，都會(huì)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(shí)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(diǎn)。

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(dòng)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(diǎn)絕對坐標(biāo)；

U、W——切削終點(diǎn)相對于起點(diǎn)增量坐標(biāo)；

F——螺紋導(dǎo)程；

R——切削起點(diǎn)至切削終點(diǎn)的半徑差，有正負(fù)，當(dāng)R=0時(shí)，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(shí)，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(shí)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(diǎn)表示；數(shù)值為實(shí)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(diǎn)D到起點(diǎn)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(diǎn)表示；

△d——第一刀切削深度（半徑值），不可用小數(shù)點(diǎn)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(jì)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(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)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(diǎn)，要求嚙合的松，則螺紋大徑D值就取小一點(diǎn)。總之要有外螺紋是“公”，內(nèi)螺紋是“母”的概念，即螺紋嚙合時(shí)需要“公”小一點(diǎn)，“母”大一點(diǎn)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(shí)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(diǎn)、切出點(diǎn)確定。空刀導(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(jì)算，實(shí)際編程根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)切出點(diǎn)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(yàn)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(jì)算處理過程及其各指令編程如下：

2.1 尺寸的數(shù)學(xué)計(jì)算處理

螺紋大徑D=公稱尺寸－0.13×F=29.805 mm，

或取經(jīng)驗(yàn)值29.8 mm；實(shí)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(jì)算。

螺紋小徑D1=D-2*h=27.856 mm，；實(shí)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(yàn)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(shí)，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(cuò)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(yùn)動(dòng)外，其余切入、提刀、返回均為快速運(yùn)動(dòng)，而G32、G34對于車刀每一步運(yùn)動(dòng)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(shí)的車刀左、右兩側(cè)刀刃同時(shí)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(diǎn)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(cuò)，同時(shí)計(jì)算機(jī)需要計(jì)算的時(shí)問也較長，不夠簡單明了，只有加工較大螺距的螺紋時(shí)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(cuò)[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(shí)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(jì)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(shí)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

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

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[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(dòng)化,2007,36(6):64-65.

[8] 劉春利,范慶林,趙紅梅,刀具磨耗補(bǔ)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.