數控車加工螺紋的工藝分析

摘 要：隨著我國數控技術的快速發展，螺紋加工作為數控車床的主要功能之一，在生產加工中也得到了廣泛應用。不同數控系統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，需進行合理選擇。現以華中世紀星（HNC-21T）系統為例，從尺寸確定、主軸轉速、刀具裝夾、進刀方式等方面對數控車削螺紋的方法進行分析。

關鍵詞：數控車床;螺紋加工;工藝特點

0 ? ?引言

螺紋不但具有連接、緊固及調節功能，還可以用來傳遞動力，因此廣泛應用于各種機械結構。雖然加工螺紋的方法很多，但車削加工仍占據很大的比例。與普通車床相比，使用數控車床加工螺紋，其加工精度、生產效率更高，但要車削加工出高質量的螺紋，還應注意以下幾個問題。

1 ? ?相關尺寸的計算方法

使用數控車床加工普通螺紋時，需確定的相關尺寸[1]有加工外螺紋前的光桿尺寸、加工內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，若工件材質為塑性材料，在螺紋車削過程中受到車刀的擠壓，會導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比螺紋的公稱直徑略小，一般取：光桿直徑=螺紋公稱直徑-（0.1～0.13）P，其中P為螺紋螺距。

1.2 ? ?加工內螺紋前的底孔直徑的計算方法

在車削內螺紋時，同樣由于底孔在車削過程中受到車刀的擠壓，會導致底孔直徑縮小，因此在車削內螺紋前的底孔直徑應比螺紋小徑略大，一般取：

（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

為避免出現螺紋“亂扣”[2]現象，在同一螺紋的切削過程中，螺紋切削起點的Z坐標應設定為固定值，同時Z坐標的設定還應考慮到引入距離。螺紋切削起點的X坐標應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坐標為同一坐標值。

（2）多線螺紋。華中系統采用圓周分度分線法，即保持各條螺紋切削起點的Z坐標不變，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 ? ?螺紋切削最終進刀位置的確定方法

螺紋刀在X方向的最終進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

伺服系統具有滯后性，在加工螺紋時，螺紋切削起始位置會出現“超前”現象，而螺紋切削終了位置會出現“滯后”[3]現象，導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考慮刀具的引入距離δ1，在螺紋切削終了位置應考慮刀具的引出距離δ2。一般取δ1=1.5P，δ2=P;也可取經驗值：δ1為2～5 mm，δ2為δ1的一半。對具有退刀槽結構的螺紋，δ2一般可取退刀槽寬度的一半。

2 ? ?主軸轉速

在進行螺紋切削時，由于切削力較大，故車削螺紋時的轉速不宜過高，大多數經濟數控車床車削螺紋的主軸轉速[4]可依據n<1 200/P-K來確定，其中K為保險系數，一般取80。同時，為保證螺距的精度，需保證主軸轉速恒定，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，當切削到一定深度時，刀具的后刀面會頂住工件，導致摩擦力增大，造成工件彎曲，甚至出現“扎刀”現象;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致螺紋表面粗糙度較差。

4 ? ?螺紋切削的進刀方式

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

4.1 ? ?直進法

采用直進法加工普通螺紋時，螺紋刀沿X軸方向（橫向）間歇進給至牙深處。在切削過程中，螺紋刀的兩個切削刃始終參與切削，導致切削力較大，排屑困難，散熱條件差，車刀容易磨損。當進刀量過大時，還可能產生“扎刀”現象，甚至折斷刀具。因此，只有在刀具材料質量較好且螺距較小（一般為螺距P≤3 mm）的情況下，才能采用直進法（G32或G82指令）進行加工。

4.2 ? ?斜進法

采用斜進法加工普通螺紋時，螺紋刀沿牙型角方向斜向間歇進給至牙深處。此時，因螺紋刀始終只有一個側刃參與切削，排屑比較順利，但刀具受力不平衡，導致主軸轉速不能提高，工件易發生顫動，尤其是在進行最后一次切削時，吃刀量較大，易產生毛刺。因此，斜進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，則容易產生“亂扣”現象。

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軸方向進給，還要沿Z軸方向朝左右兩側做微量“借刀”，這種進刀方式可提高牙型兩側的表面質量，由于數值計算量較大，常借助宏程序完成。

5 ? ?華中世紀星（HNC-21T）系統常用的3種螺紋加工指令

華中世紀星（HNC-21T）系統在進行螺紋加工時，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指令G82與螺紋切削復合循環指令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;U、W為螺紋有效終點相對于螺紋切削起點的增量坐標;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為主軸基準脈沖距離螺紋切削起點的主軸轉角;F為螺紋導程。

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，單頭（線）螺紋取0或1;P：單頭螺紋切削時，為主軸基準脈沖處距離螺紋切削起點的主軸轉角（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的主軸轉角。

由于G82指令為固定循環指令，在分層加工切削螺紋時，每層切削僅需調用一次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 ? ?螺紋切削復合循環指令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;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為主軸基準脈沖處距離螺紋切削起始點的主軸轉角。

當加工導程較大的螺紋時，需要的切削循環次數更多，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、確定合理的主軸轉速，并根據工件材質、螺紋螺距與螺紋的精度要求等選擇合理的進刀方式，才能確保螺紋的加工質量。

[參考文獻]

[1] 冉啟芬，羅福，劉春蘭.數控車床螺紋切削三種方法分析與應用[J].數字技術與應用，2014（8）：27-28.

[2] 張喆.數控車床在螺紋加工中的應用[J].中國西部科技，2009，8（5）：28-29.

[3] 劉偉軍，馮玉霞.車削螺紋時常見故障分析及解決方法[J].山東工業技術，2019（4）：21.

[4] 宋秀峰.數控車床螺紋加工的實用調節方法[J].價值工程，2019，38（10）：133-135.

[5] 李雅昔，王宏斌，李曉莉.梯形螺紋分層切削宏程序編程方法[J].河北工業科技，2015，32（2）：143-147.

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：機械設計與制造。