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螺纹数控车削加工的分析

数控产品网 www.cncproduct.com   2014-06-18   来源:网络转载   阅读:1072次

 螺纹加工方法主要是车削加工, 由于螺纹结构和刀具移动控制要求的特殊性, 螺纹加工难度大, 对操作者技术要求高, 工艺复杂, 精度不稳定, 生产效率低。

  随着数控机床的普及, 现在已经广泛使用数控机床加工螺纹、齿轮(探讨和解决齿轮传动系统)等各方面, 大大提高了加工效率和精度。目前数控机床螺纹加工主要是在数控车床上进行, 也有用数控铣削的方法加工螺纹, 即是利用数控铣床三轴联动数控加工系统实现螺纹加工。由于数控机床本身在速度控制、位置控制和精度控制等方面的特点, 数控机床螺纹加工与传统螺纹加工方式相比, 在加工精度、加工效率等方面都具有明显的优势。

  目前主流数控系统 ( FANUC 、 GSK 等 ) 提供了单一螺纹加工指令 G32 、变螺距螺纹加工指令 G34、攻丝循环指令 G33 和螺纹固定循环加工指令 G92、G76.这些指令, 在走刀路线、进给方式、切削用量分配等方面各有特点, 适用于不同的螺纹加工。此外, 虽然数控加工大大提高了螺纹加工的效率和精度,但在具体的加工中也同样面临一些工艺问题。这些工艺问题直接影响了螺纹加工的精度和效率。因此, 数控加工螺纹不仅要在编程指令上合理选择, 而且要在工艺上合理安排, 才能高效、高精度、稳定可靠地加工螺纹, 充分发挥数控加工的优势。

  1 螺纹车削加工编程指令的选用

  1.1 螺纹车削加工指令的比较

  1.2 螺纹加工指令的选用

  螺纹加工在不同数控系统中指令格式略有差异,但原理是相同的。简而言之, 小螺距螺纹加工时宜用G32或 G92, 大螺距螺纹加工时宜用 G76, 变螺距螺纹用 G34; 加工高精度小螺距螺纹宜用 G32、 G92;加工高精度、大螺距螺纹时可采用 G92、 G76混合编程, 先用 G76 粗加工, 再用 G92 精加工[ 2]; 轴向小直径内螺纹可以用 G33编程。在实际编程和加工中要根据螺纹精度、尺寸、材质等因素合理选择、灵活使用以上 4种指令。在保证技术要求的前提下, 努力简化程序, 提高编程和加工效率。

 2 螺纹数控车削加工中的工艺处理

  2.1 刀具材料和刀具结构

  由于数控加工的特点, 传统高速钢车刀已不能满足数控加工的需要。车铸铁材料上的螺纹用 YG 类硬质合金, 车钢件材料用 YT类硬质合金, 如 YT15.该刀具材料既适合粗加工又适合精加工, 通用性较强。对于加工效率要求较高的场合, 可以选用适合于高速车削的聚精金刚石 ( PCD) 刀具。螺纹车刀有整体式和机夹式, 机夹式螺纹车刀用量在逐渐增多。机夹车刀的刀片又分为硬质合金未涂层刀片和涂层刀片, 前者主要用来加工有色金属, 后者用来加工钢材、铸铁、不锈钢、合金材料等, 涂层可以大幅度延长刀片的寿命.

  2.2 刀具形状和角度

  螺纹加工进刀包括直进法和斜进法。无论哪种方法, 最终螺纹表面的加工都是成形刀具加工, 无论是三角螺纹, 还是梯形螺纹, 车刀的形状都被直接复制到工件上, 因此刀具的形状制作是否准确很重要。实际加工中, 特别对塑性材料而言, 在高速切削螺纹的时候实际牙型角会略有扩大, 所以粗车刀、半精车刀刀尖角应小于理论牙形角一定值, 如普通螺纹可以控制在 59.5 左右。同时粗车刀的角度要比精车刀的角度小。精车刀刀尖角也不可大于理论值。关于前角, 粗车刀可以取大些 ( 5 ~ 10 )。刀刃锋利, 便于排屑和减少切削阻力, 切削轻快。精车刀,则必须保证前刀面和水平面平行, 即径向前角为 0 ,以保证牙形角正确[2].对于内螺纹前角取上限值。

  螺纹加工中, 由于螺旋升角的存在, 使实际切削时的工作前角和后角发生了改变, 如图 1所示。理论上而言, 朝向切削方向的后角要加一个螺旋升角, 而朝向已切削端的后角要减去一个螺旋升角。实际生产中, 一般车削小螺距螺纹时, 因为小螺距的螺纹螺旋升角很小, 工作后角改变不大, 只要静态后角在正常范围 ( 3 ~ 5 ) 就可以正常切削, 故可以不考虑螺旋升角。但如果车削大螺距螺纹或者多头螺纹, 螺旋升角大, 工作后角相对理论后角改变太大的话, 则需要做相对调整。

  可以改变装刀角度, 来改变实际的工作前角。有些企业在加工中采用法向装刀的方 法,即使刀具的基面与轴线成螺旋升角的角度, 使车刀两侧切削刃组成的平面垂直于螺旋线装夹。这时两侧刀刃的工作前角都为0 , 可以消除螺纹升角的影响, 保持两侧切削顺畅,如图 2所示。显然这样会影响牙型的准确性, 精加工时不亦采用。

 2.3 切削用量

  螺纹加工要求主轴转速和刀具的进给速度之间保持严格的速比关系。即主轴每转一转, 刀具应均匀地移动一个导程的距离。由于一般螺距远大于车外圆时的每转进给值, 所以主轴转速不可随意, 主轴转速 S与 F值的乘积不得大于轴向进给限制值。一旦超过,有些系统就会报警[ 3]; 有些系统则会将导程变小, 零件报废; 更有的系统甚至会发生危险, 刀架撞到卡盘上。

  另一方面, 刀具切削部分在螺纹加工时的工作条件是非常恶劣的, 不仅切削力大, 而且摩擦剧烈, 发热严重, 刀具材料本身对切削线速度也有一定的限制。一般尺寸的螺纹加工, 主轴转速 S 控制在 60~ 200 r/m in即可。特殊大尺寸螺纹, 有必要验算线速度 (公式 v= S ? d, v为线速度, d为切削处的直径 ),不再赘述。

  具有螺纹切削功能的机床都装有主轴编码器, 由系统内部参数设置主轴与编码器的传动比。切削螺纹时, 系统收到主轴编码器一转信号才移动 x 轴或 z轴、开始螺纹加工, 因此只要不改变主轴转速, 可以分粗车、精车多次切削完成同一螺纹的加工。螺纹加工进刀量可以参考螺纹底径和刀具、工件材料性能来确定。螺纹小径 =大径 - 2倍牙高; 牙高 =0.54 P (P为螺距 )。目前一般资料上的吃刀量数据, 最小值为 0.1 mm, 这是对于普通螺纹而言。但对于传动螺纹, 要根据刀具、精度要求等情况选择。

  2.4 工件和刀具装夹

  工件安装要牢固平稳, 还要考虑工件本身的刚性。刚性不足, 则不能承受车削时的切削力, 产生过大的挠度, 改变了车刀与工件的中心高度, 工件被抬高了, 形成切削深度突增, 出现扎刀现象。此时应把工件装夹牢固, 可使用尾座顶尖等, 以增加工件刚性。在安装螺纹车刀时要尽量减少伸出长度, 防止刀杆刚性不足而产生振动。刀杆要垂直于主轴方向, 保证牙型准确对称。

  理论上, 螺纹车刀安装高度要与回转轴线等高。过高或过低都会出现扎刀现象。安装过高, 则吃刀到一定深度时, 后刀面顶住工件, 增大摩擦力, 甚至把工件顶弯, 造成扎刀; 安装过低, 则切屑不易排出,车刀径向力的方向是工件中心, 加上横进丝杠与螺母间隙的影响, 致使吃刀深度不断自动趋向加深, 从而把工件顶起, 出现扎刀。实际经验表明, 粗车、半精车时理想的刀尖位 置是比工件中心略高 0?1 ~ 0?3 mm [ 4], 或者刀尖位置比工件的中心高出 1% d 左右 (d 表示被加工工件直径 )。精车时则应力求使刀尖和螺纹中心等高。

  2.5 加工过程控制

  主流数控系统, 在螺纹螺距确定的条件下, 螺纹切削时 x轴、z轴的移动速度由主轴转速决定, 与切削进给速度倍率无关, 即机床面板上的进给控制按钮在螺纹加工时无效, 主轴倍率控制有效[ 5].主轴转速发生变化时, 由于 x 轴、z 轴加减速难以完全一致,会使螺距产生误差, 因此, 螺纹切削时不可进行主轴转速调整, 更不要停止主轴, 主轴停止将可能导致刀具和工件损坏。为了保证表面切削质量和减少刀具磨损, 螺纹加工中一般应采用液体冷却和润滑。

  3. 螺纹编程和加工中的常见问题

  3.1 多线螺纹乱扣

  多线螺纹加工, 有两种情况。如果某系统的编程指令格式中有螺纹头数参数或起始角参数, 用编程参数定义头数, 不会出现乱扣情况。如果没有, 可以利用偏移螺纹加工编程起点 z向值的方法, 利用 G32加工多头螺纹。但此时要注意, 在每次螺纹加工起点定位时, 最好先加入 T0200程序段 (设螺纹刀为 02号刀 ), 清除刀补, 然后再重新用 T0202调用刀补。否则多数系统都可能发生乱扣现象。

  3.2 螺纹外径控制

  由于螺纹多数为塑性材料, 需考虑螺纹加工牙型的膨胀量。一般连接螺纹加工前的工件直径等于螺纹公称直径减去0.1 P, 即螺纹大径减 0.1螺距, 一般根据材料变形能力大小取比螺纹大径小 0.1~ 0.5 mm。

  对于铸铁等脆性材料, 一般不必考虑。对于精度高的传动螺纹, 则要在加工中及时测量, 不可按经验公式控制尺寸。

  3.3 对刀

  普通螺纹加工可以直接用刀具试切对刀, 用G50设置工件零点。多件加工时用工件移动配合G50设置工件零点。一般螺纹加工对刀要求不是很高, 特别是z 向对刀没有严格的限制。但螺纹中径要求高时,x 轴要准确对刀, 并且x 轴应适当留余量。可以在x轴刀补中叠加适当的正向刀补, 以便加工中通过改变刀补控制直径尺寸, 避免过切。

  3.4 螺纹加工起点设置

  车螺纹时, 刀具沿螺纹方向的进给应与工件主轴旋转保持严格的速比关系。而刀具从停止状态到达指定的进给速度或从指定的进给速度降为零, 驱动系统必须有一个过渡过程, 因此沿轴向进给的加工路线长度除保证加工螺纹长度外, 还应该增加刀具引入距离1 和刀具切出距离 2。一般 1 & 2 = P 即可。受机床性能限制, 多数中低档机床在使用G92、G76等径向快速进刀的指令时, x 向一般要留有几毫米的距离, 以利于降速。否则螺纹径向尺寸难以保证。

  4 结语

  螺纹车削加工具有特殊性, 不仅要合理选择编程指令, 而且要在刀具材料、刀具角度、切削参数和加工过程控制等多方面采取措施, 才能保证螺纹加工质量和效率。螺纹加工指令在不同系统中其格式略有差异, 但原理是相同的。根据加工对象的特点和加工技术要求, 选择适当的编程方式, 采取合理的工艺措施, 是获得理想加工质量和加工效率的保证。

CncProduct.Com(编辑:小朱)
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