数控车加工螺纹的工艺分析

引言

螺纹不但具有连接、紧固及调节功能,还可以用来传递动力,因此广泛应用于各种机械结构。虽然加工螺纹的方法很多,但车削加工仍占据很大的比例。与普通车床相比,使用数控车床加工螺纹,其加工精度、生产效率更高,但要车削加工出高质量的螺纹,还应注意以下几个问题。

1相关尺寸的计算方法

使用数控车床加工普通螺纹时,需确定的相关尺寸有加工外螺纹前的光杆尺寸、加工内螺纹前的底孔尺寸等,其计算方法如下:

1.1加工外螺纹前的光杆直径的计算方法

在车削外螺纹时,若工件材质为塑性材料,在螺纹车削过程中受到车刀的挤压,会导致螺纹的大径尺寸胀大,因此在车削外螺纹前的光杆直径应比螺纹的公称直径略小,一般取:光杆直径=螺纹公称直径-(0.1～0.13）P,其中P为螺纹螺距。

1.2加工内螺纹前的底孔直径的计算方法

在车削内螺纹时,同样由于底孔在车削过程中受到车刀的挤压,会导致底孔直径缩小,因此在车削内螺纹前的底孔直径应比螺纹小径略大,一般取:

(1）工件为塑性材料时:底孔直径=公称直径-P;

(2）工件为脆性材料时:底孔直径=公称直径-(1.05～1.1）P。1.3螺纹切削起始位置的确定方法

为避免出现螺纹"乱扣"现象,在同一螺纹的切削过程中,螺纹切削起点的Z坐标应设定为固定值,同时Z坐标的设定还应考虑到引入距离。螺纹切削起点的X坐标应大于螺纹的公称直径。

(1）单线螺纹。螺纹切削一般为分层切削,为确保刀具每次分层切削时能切削到同一条螺纹上,需保证每次螺纹切削起点的Z坐标为同一坐标值。

(2）多线螺纹。华中系统采用圆周分度分线法,即保持各条螺纹切削起点的Z坐标不变,而改变螺纹切削起点在圆周的位置。双线螺纹圆周方向每隔180o加工一条螺纹线,三线螺纹圆周方向每隔120o加工一条螺纹线,以此类推。

1.4螺纹切削最终进刀位置的确定方法

螺纹刀在X方向的最终进刀位置取决于螺纹小径,一般通过螺纹小径=螺纹大径-1.3P来计算,也可通过螺纹分刀表来确定。

1.5引入/引出距离

伺服系统具有滞后性,在加工螺纹时,螺纹切削起始位置会出现"超前"现象,而螺纹切削终了位置会出现"滞后"[3]现象,导致所加工螺纹两端的螺距与加工要求不符,因此在螺纹切削起始位置应考虑刀具的引入距离81,在螺纹切削终了位置应考虑刀具的引出距离82。一般取81=1.5P,82=P;也可取经验值:81为2～5mm,82为81的一半。对具有退刀槽结构的螺纹,82一般可取退刀槽宽度的一半。

2主轴转速

在进行螺纹切削时,由于切削力较大,故车削螺纹时的转速不宜过高,大多数经济数控车床车削螺纹的主轴转速[4]可依据n<1200/P-K来确定,其中K为保险系数,一般取80。同时,为保证螺距的精度,需保证主轴转速恒定,故不能采用G96恒线速度指令。

3螺纹刀的安装要求

(1）螺纹刀的刀尖需与车床主轴轴线等高。若螺纹刀安装过高,当切削到一定深度时,刀具的后刀面会顶住工件,导致摩擦力增大,造成工件弯曲,甚至出现"扎刀"现象;若螺纹刀安装过低,则不利于切屑的排出。

(2）螺纹刀刀尖角的对称中心线必须与工件轴线垂直,否则将会导致螺纹牙型不正确。在安装螺纹刀时,可借助对刀样板来校正。

(3）螺纹刀的刀头伸出长度不能过长,一般约为刀杆厚度的1.5倍。若刀头伸出长度过长,则在加工过程中刀杆的颤动会导致螺纹表面粗糙度较差。

4螺纹切削的进刀方式

数控车床加工螺纹时,刀具有3种进刀方式[5]:直进法、斜进法和左右切削法(图1）。

4.1直进法

采用直进法加工普通螺纹时,螺纹刀沿X轴方向(横向)间歇进给至牙深处。在切削过程中,螺纹刀的两个切削刃始终参与切削,导致切削力较大,排屑困难,散热条件差,车刀容易磨损。当进刀量过大时,还可能产生"扎刀"现象,甚至折断刀具。因此,只有在刀具材料质量较好且螺距较小(一般为螺距P≤3mm）的情况下,才能采用直进法(G32或G82指令）进行加工。

4.2斜进法

采用斜进法加工普通螺纹时,螺纹刀沿牙型角方向斜向间歇进给至牙深处。此时,因螺纹刀始终只有一个侧刃参与切削,排屑比较顺利,但刀具受力不平衡,导致主轴转速不能提高,工件易发生颤动,尤其是在进行最后一次切削时,吃刀量较大,易产生毛刺。因此,斜进法适用于加工螺纹精度要求不高的工件,若加工的螺纹精度要求较高,在确保粗精车螺纹切削起始位置一致的条件下,可先采用G76进行粗车,再采用G32或G82完成精车,若粗精车螺纹切削起始位置不一致,则容易产生"乱扣"现象。

4.3左右切削法

采用左右切削法加工普通螺纹时,在螺纹分层切削过程中,当每层螺纹切削行程终了后,下一层螺纹切削时螺纹刀不但要在x轴方向进给,还要沿Z轴方向朝左右两侧做微量"借刀",这种进刀方式可提高牙型两侧的表面质量,由于数值计算量较大,常借助宏程序完成。

5华中世纪星(HNC-21T)系统常用的3种螺纹加工指令

华中世纪星(HNC-21T）系统在进行螺纹加工时,常用以下3种方法:单行程螺纹切削指令G32、螺纹切削单一固定循环指令G82与螺纹切削复合循环指令G76。

5.1单行程螺纹切削指令G32

指令格式:G32x(U）Z(w）REPF。

指令字说明:x、Z为螺纹有效终点的绝对坐标:U、w为螺纹有效终点相对于螺纹切削起点的增量坐标:R为螺纹切削在Z轴方向的退尾量:E为螺纹切削在x轴方向的退尾量:P为主轴基准脉冲距离螺纹切削起点的主轴转角:F为螺纹导程。

G32指令可以用来加工圆锥螺纹、圆柱螺纹与端面螺纹,既可加工外螺纹,又可加工内螺纹。使用G32指令,在分层加工切削螺纹时,每层切削均需由x轴方向进刀(G00）、Z轴方向螺纹切削(G32）、x轴方向退刀(G00）与Z轴方向退刀(G00）4个程序段组成,因此使用G32指令编写的程序段较多。

5.2螺纹切削单一固定循环指令G82

指令格式:G82x(U）Z(w）IRECPF。

指令字说明:x(U）、Z(w）、R、E、F与G32指令中x(U）、Z(w）、R、E、F的含义相同:I为螺纹起点与螺纹终点的半径差:C为螺纹头数,单头(线）螺纹取0或1:P:单头螺纹切削时,为主轴基准脉冲处距离螺纹切削起点的主轴转角(缺省值为0）,多头螺纹切削时,为相邻螺纹头的切削起始点之间对应的主轴转角。

由于G82指令为固定循环指令,在分层加工切削螺纹时,每层切削仅需调用一次G82,即可包含使用G32指令时的4个程序段,因此可以简化编程。

5.3螺纹切削复合循环指令G76

指令格式:G76C(c）R(r）E(e）A(α）x(x）Z(z）I(i）K(k）U(d）V(Admin）O(Ad）P(p）F(l）。

指令字说明:x、z、i、F与G82指令中x、Z、I、F的含义相同:c为精加工次数:r为螺纹Z轴方向退尾量:e为螺纹x轴方向退尾量:α为刀尖角度,根据螺纹牙型一般在80o、60o、55o、30o、29o和0o六个角度中选取:k为螺纹高度(半径量）:Admin为最小切削深度(半径量）:Ad为第一次切削深度(半径量）:P为主轴基准脉冲处距离螺纹切削起始点的主轴转角。

当加工导程较大的螺纹时,需要的切削循环次数更多,采用G32或G82编程将会变得非常烦琐,而使用G76指令,仅需一条指令即可完成螺纹的分层切削。

6结语

在加工螺纹时,只有通过正确的尺寸计算、合理选择车刀并正确安装、合理选取引入/引出距离、确定合理的主轴转速,并根据工件材质、螺纹螺距与螺纹的精度要求等选择合理的进刀方式,才能确保螺纹的加工质量。