東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心(遼寧 沈陽 110004）張立君 張樹軍 劉春城 劉 悅 張國斌

車削螺紋的效率與滾絲、搓絲等先進(jìn)工藝加工相比是很低的，但是在中小批量生產(chǎn)螺紋時通常還是采用車削完成。螺紋車削歷來是難加工技術(shù)之一，隨著數(shù)控機(jī)床的普及，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用數(shù)控車床加工螺紋，降低了對操作者操作技能的要求，提高了加工效率和精度。但是由于受螺紋結(jié)構(gòu)的特殊性和工藝的復(fù)雜性影響，在其編程之外所涉及的諸多加工因素，使得螺紋數(shù)控車削時依然易出現(xiàn)下列質(zhì)量問題:

(1)加工螺紋時走刀次數(shù)多、刀具易磨損，使得牙型的尺寸、形狀精度和表面粗糙度不易保證。

(2)加工大導(dǎo)程和難加工材料螺紋時問題尤為突出。

(3)加工大導(dǎo)程螺紋切削力大，易導(dǎo)致工件移位且編程難度大。

(4)影響螺紋尺寸計算的因素多，使螺紋易出現(xiàn)配合問題。

(5)車削長度較長螺紋，由于剛性差，易出現(xiàn)振動和變形，導(dǎo)致螺紋表面精度和圓柱度超差。

造成上述問題的主要原因是:刀尖及切削刃與工件軸線的位置要求十分嚴(yán)格;加工一條螺紋需要多次走刀，螺紋切削時切削速度快，徑向和軸向切削力大，刀尖工作條件惡劣，刀尖受結(jié)構(gòu)和角度限制，切削部分強(qiáng)度低，極易破損，使得刀具壽命低;由于是成形加工，螺紋牙型正確與否完全依賴于刀尖形狀，而刀尖的磨損、崩刃和扎刀都影響螺紋牙型和中徑、小徑尺寸;螺紋工件的安裝要求高;螺紋加工前需要對螺紋尺寸和刀具幾何角度進(jìn)行復(fù)雜的計算。

針對上述問題，需要研究出合理的數(shù)控車削螺紋技術(shù)，才能高效、穩(wěn)定地加工出合格的螺紋產(chǎn)品。

1.正確制定加工方案

車削螺紋時會產(chǎn)生較大的切削力，使零件變形和移位，因此螺紋的加工應(yīng)安排在其他加工內(nèi)容的粗加工之后、精加工之前完成?？紤]螺紋再加工時重新對刀困難、容易亂扣的問題，螺紋應(yīng)在一次裝夾中完成。除加工大導(dǎo)程、精度高的傳動螺紋外，應(yīng)在一次換刀中完成螺紋加工。

車削多線螺紋時，為避免螺紋倒牙和零件轉(zhuǎn)動或移位而導(dǎo)致分頭誤差，應(yīng)該先粗車所有螺紋并留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，再分別進(jìn)行精車，以保證螺紋的螺距和分頭精度。

切槽和倒角一定要在螺紋加工前完成。

使用切削液不僅有利于斷屑，還可以避免材料軟化形成積屑瘤，可以非常有效地減少零件熱伸長和變形，明顯降低牙型的表面粗糙度值，提高刀具耐用度。螺紋刀具在車削時，切削速度高，切屑從工件上切除的瞬間溫度極高，即使用切削液，如果切削液的滲透性不好或壓力不夠，切削液不能充分滲透到切削區(qū)，刀具的使用壽命仍然受到影響。所以一定要使用滲透性好、潤滑效果顯著的切削液;低速精加工黑色金屬材料螺紋時，選用活性極壓切削油或減摩切削油;低速精加工有色金屬螺紋時，選用非活性極壓切削油;高速加工時，選用水基切削液為宜，以避免使用切削油時產(chǎn)生油煙等問題。使用時應(yīng)該大流量大流速連續(xù)澆注，不僅能夠?qū)Φ毒吆土慵M(jìn)行充分的潤滑，也能沖走堆積在螺紋牙槽內(nèi)的細(xì)小切屑。

2.合理確定螺紋的進(jìn)刀方式、對刀方法和螺紋加工起點(diǎn)

螺紋切削的進(jìn)刀方式不同會影響切屑的形狀和流出方向、刀具的使用壽命、螺紋的表面質(zhì)量，合理選擇進(jìn)刀方式是保證螺紋質(zhì)量的最重要因素，它由導(dǎo)程、零件材料、螺紋精度等條件決定。

(1)徑向進(jìn)刀 切削時刀刃的兩側(cè)都擔(dān)負(fù)切削任務(wù)，形成V形切屑，較大的切削力和較差的切削條件極易加劇刀具磨損，易扎刀。所以只適合高速切削小螺距螺紋。

(2)斜向進(jìn)刀 該方式以單刀刃切削，形成卷曲狀的切屑流向螺紋的待加工部分，斷屑效果較好，能夠保護(hù)已加工螺紋，切削力小，不易扎刀，但牙型精度差。適合切削塑性材料及導(dǎo)程較大、長度較長的螺紋。

(3)左右交替進(jìn)刀 切削時，刀刃按一左一右方式交替切削，刀片能夠獲得均勻的磨損和較長的壽命。適合加工牙型較深的大導(dǎo)程螺紋。

數(shù)控機(jī)床編程通常都以刀尖對刀，以利于編程計算。用螺紋刀尖對刀時，如果螺紋結(jié)束處有臺階，還要考慮刀片寬度對臺階的影響，否則就會使刀片或刀桿與工件臺階碰撞，出現(xiàn)這樣的問題零件和刀具就會報廢。應(yīng)對的方法一是使用適宜寬度的刀片，并準(zhǔn)確測量刀片寬度;二是用刀片進(jìn)刀方向的一側(cè)作為Z軸方向的對刀點(diǎn)，該方法能夠有效避免與臺階碰撞，但要考慮刀尖與頂尖和尾座的位置。

螺紋加工起刀點(diǎn)位置的設(shè)置，首先要保證安全，X軸方向應(yīng)留的最小距離約為2.5mm，以利于降速，否則螺紋徑向尺寸難以保證。Z軸方向的距離需要保證刀具接觸工件時其速度必須達(dá)到100%的編程進(jìn)給率，否則距離太短，機(jī)床加速沒有完成，結(jié)果得到的是有缺陷甚至不能用的螺紋。所以在加工精度高的螺紋時，起點(diǎn)位置應(yīng)該是2～3倍導(dǎo)程的距離。但在實(shí)際加工小直徑螺紋且需要使用頂尖支撐時，按上述距離，刀尖有可能與頂尖碰撞，可以適當(dāng)降低主軸轉(zhuǎn)速來解決。

起刀點(diǎn)還要考慮螺紋的旋向、螺紋車刀的安裝方法、主軸的旋轉(zhuǎn)方向和刀架的位置，否則就會車出旋向相反的螺紋。以后置刀架車床車削右旋螺紋時，若刀尖向上，螺紋刀應(yīng)從左向右走刀。在沒有退刀槽時，應(yīng)使用刀尖向下的右手螺紋刀，螺紋刀從右向左走刀。

3.選擇適宜的螺紋加工指令

通常每個數(shù)控系統(tǒng)都提供了幾種螺紋指令供編程者選擇，以 DASEN—3i數(shù)控系統(tǒng)為例 (下同)，有單一螺紋切削指令G32、固定循環(huán)指令G92和復(fù)合循環(huán)指令G76。在車削端面螺紋、連續(xù)螺紋時，使用G32指令。車削小螺距 (P≤2mm)或軟材料時，使用G92指令。加工較硬材料或大螺距的螺紋，建議使用G76復(fù)合循環(huán)指令。與單一和固定螺紋指令相比，使用G76復(fù)合循環(huán)指令，系統(tǒng)能夠進(jìn)行內(nèi)部邏輯計算，無論多大的螺距，只需編寫一、二段程序或在循環(huán)指令中輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，就能夠生成程序，程序占用內(nèi)存少，具有開放性和靈活性，易于修改。其螺紋指令格式如下:

其中A(a)為螺紋牙型角度變量參數(shù)，在需要刀具以直進(jìn)方式切削時，將其輸入為“0”;在需要刀具以斜進(jìn)方式進(jìn)刀時，將其輸入為“30”、“60”等時，刀具按其輸入的數(shù)字以斜進(jìn)方式進(jìn)刀，使刀具負(fù)載小，排屑容易，并能使背吃刀量逐次遞減，保持恒定的切削面積，使刀具每次切削時的受力一致，能夠顯著提高刀具的使用壽命。并可以根據(jù)牙型、材料和精度選擇精加工次數(shù)“m”，使刀具同時雙刃微量切削，保證螺紋牙型正確。在FANUC系統(tǒng)10T、11T、15T版本的G76復(fù)合指令和SIMENS—802D系統(tǒng)的CYCLE97螺紋循環(huán)指令中，還可以通過參數(shù)設(shè)定是斜向進(jìn)刀還是左右交替進(jìn)刀，還可以設(shè)定是恒定背吃刀量還是恒定切除截面積加工類型。車削多線、大導(dǎo)程或異型螺紋可以使用宏程序編程。采用宏程序最主要的是可以分層切削并合理分配刀徑的變化和切削層的切削用量，能夠有效降低刀具磨損和崩刃的機(jī)率，提高加工精度。但編寫和輸入程序的工作量大，出現(xiàn)錯誤的概率較大且檢查和修改程序過程繁瑣。

4.準(zhǔn)確計算螺紋的尺寸

(1)螺紋相關(guān)尺寸的計算方法 螺紋車削的目的，最關(guān)鍵地是能與另一個螺紋聯(lián)接，滿足旋合精度要求，否則螺紋加工就沒有意義。所以首先要根據(jù)螺紋的幾個要素 (公稱直徑、導(dǎo)程、牙型、線數(shù)、旋向)計算螺紋和刀具的相關(guān)尺寸。使用螺紋量規(guī)測量時，G32、G92指令只需要計算螺紋的小徑d1，G76指令需要計算螺紋的牙型高度h和螺紋小徑d。其中螺紋中徑d2是影響螺紋聯(lián)接配合松緊的最主要尺寸，而中徑是指一個螺紋上牙槽寬與牙寬相等位置的直徑，其大小是由螺紋牙的“肥瘦”(或者說螺紋槽的寬窄)所決定的。兩個大徑、小徑均相同的螺紋，牙“瘦”的螺紋 (刀尖圓弧半徑大)中徑就小;牙“肥”的螺紋 (刀尖圓弧半徑小)中徑就大。所以中徑的大小與螺紋的大徑和小徑并無關(guān)系，而與刀尖圓弧半徑有關(guān)。計算小徑時應(yīng)考慮刀尖圓弧半徑對中徑的影響。數(shù)控車削普通螺紋多采用螺紋車刀刀尖作為對刀位置，其中機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片的刀尖圓弧半徑R值，一些生產(chǎn)廠家是由螺距和螺紋的類型、精度決定的。由于外螺紋牙頂?shù)綐?biāo)準(zhǔn)三角形底的尺寸是K=7/8H=0.7578P，因此數(shù)控車削普通螺紋時，牙型高度的計算公式為h=K－R=0.7578P－R，螺紋小徑d1=D－2(0.7578P－R)。

為了保證螺紋配合后牙頂有適當(dāng)?shù)拈g隙，以及避免高速切削塑性材料螺紋時，受刀具擠壓作用使得外螺紋的大徑d膨脹增大、內(nèi)螺紋的小徑縮小的問題，車削外螺紋前的外圓直徑要比螺紋大徑小，其值等于螺紋公稱直徑減去0.13P(螺距);車削內(nèi)螺紋時，內(nèi)螺紋的孔徑要比小徑略大些，車削塑性材料的內(nèi)螺紋孔徑D孔≈d－P;脆性材料的內(nèi)螺紋孔徑D孔≈d－1.05P。

(2)圓錐螺紋圓錐半徑差的計算問題 車削螺紋時，為了避免螺紋升速、降速時螺距不一致的問題，編程時要加入導(dǎo)入、導(dǎo)出距離。對于圓錐螺紋，加入導(dǎo)入、導(dǎo)出距離后，螺紋起點(diǎn)、終點(diǎn)的坐標(biāo)變化對圓錐半徑有影響，編程時一定要重新計算圓錐半徑值。

5.選擇合理可靠的零件及刀具安裝方法

螺紋零件安裝時要考慮零件本身的剛性，可使用卡盤+頂尖等，以增加零件剛性，減少振動、變形、移位和打滑。為了保證裝夾牢固，最好不使用兩頂尖+雞心夾頭的方式裝夾，以免出現(xiàn)意外。車削牙型較深或硬度高、強(qiáng)度大的螺紋時，切削力較大，零件必須夾緊，并且要有可靠的軸向定位，一般使用零件的臺階或使用軸向定位裝置。在車削圖1所示的螺紋時，毛坯與工件等長，沒有裝夾余量，螺紋需要調(diào)頭裝夾時，采用三爪卡盤+螺紋開口套或?qū)﹂_專用夾具 (見圖2)裝夾，能夠避免夾壞螺紋，滿足同軸度精度要求。

圖1

圖2

在安裝螺紋車刀時要盡量減少伸出長度，防止刀桿剛性不足而產(chǎn)生振動。為了減少裝刀左右歪斜現(xiàn)象，通常使用對刀板校正刀尖的安裝位置，以保證牙型準(zhǔn)確對稱。為了避免“扎刀”現(xiàn)象，粗車、半精車時理想的刀尖位置比工件中心略高 0.1～0.3mm，精車時則應(yīng)使刀尖和螺紋軸線等高。

6.確定合理的切削用量

數(shù)控車削螺紋，主軸轉(zhuǎn)速n受機(jī)床允許的最大、最小轉(zhuǎn)速，螺紋的導(dǎo)程P和公稱直徑、刀具、零件材料以及數(shù)控系統(tǒng)多重因素影響。主軸轉(zhuǎn)速n與P值的乘積不得大于Z軸最大移動速度。一旦超過，有些系統(tǒng)就會報警;有些系統(tǒng)則會將導(dǎo)程變小，零件報廢。另一方面，刀具切削部分在螺紋加工時的工作條件是非常惡劣的，不僅切削力大，而且摩擦劇烈，發(fā)熱嚴(yán)重，刀具材料本身對切削速度也有一定的限制，轉(zhuǎn)速要適當(dāng)降低。切削鑄鐵等脆性材料時，為了避免螺紋表面受刀尖沖擊“掉渣”影響牙型的完整性，轉(zhuǎn)速也要比塑性材料低。切削高強(qiáng)度鋼等難加工材料時，其轉(zhuǎn)速要比一般中低硬度的塑性材料低一倍左右。

螺紋車削，需要多次重復(fù)切削完成，為了避免“扎刀”、崩刃，減少刀具磨損，每次切削時，應(yīng)使刀尖承受的切削力一致，這樣需要每次切削層的截面積一致。編程時每刀的背吃刀量ap要逐次減少。車削脆性材料時，由于其沖擊力大于塑性材料，背吃刀量要小于塑性材料，切削次數(shù)要多于塑性材料，以避免螺紋“掉渣”，以保護(hù)牙型的完整性。切削硬度較高的難加工材料時，切削次數(shù)也要比45號鋼增加1/3左右。

7.合理選擇螺紋車刀

實(shí)際車削螺紋時，一旦刀具崩刃，需要重新更換刀片甚至重新對刀，在刀尖切削至崩刃處，由于切削層的突然變化，刀具極易再次崩刃。因此，刀具崩刃要比磨損帶來的后果更嚴(yán)重，因此，在同類刀具材料中，應(yīng)該優(yōu)先選擇韌性好的牌號，除了車削脆性材料外，數(shù)控車床可以充分使用切削液，使得切削熱對刀具的影響大大降低，刀具的硬度和耐熱性可以作為次要衡量指標(biāo)，韌性作為首要指標(biāo)。條件允許時，可以廣泛使用細(xì)晶?；虺?xì)晶粒的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金、TiC(N)基硬質(zhì)合金 (金屬陶瓷)。

螺紋加工中，由于螺紋升角的存在，使實(shí)際切削時的工作前角和后角發(fā)生了改變，實(shí)際生產(chǎn)中，一般車削小螺距螺紋時，因?yàn)樾÷菥嗦菁y的螺紋升角很小，工作后角改變不大，只要后角在正常范圍(3°～5°)就可以正常切削，故可以不考慮螺紋升角。在車削大螺距螺紋或者多頭螺紋時，螺紋升角大，為了保持刀頭的強(qiáng)度，在不影響切削的情況下，沿切削方向的后角要加一個螺紋升角，沿已切削端的后角要減去一個螺紋升角。使用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位螺紋車刀時，其螺旋升角已經(jīng)固定，在加工單頭螺紋時對切削沒有影響，在加工多頭螺紋時其螺旋升角增大，所以在加工時要考慮螺紋升角的影響。可以通過改變裝刀角度來改變實(shí)際的工作前角。在加工中可以采用法向裝刀的方法，刀具的基面與軸線成螺紋升角的角度，使車刀兩側(cè)切削刃組成的平面垂直于螺旋線裝夾平面。這時兩側(cè)刀刃的工作前角都為0°，可以消除螺紋升角的影響，保持兩側(cè)切削順暢。但這樣會影響牙型的準(zhǔn)確性，精加工時不宜采用。車削螺紋的特點(diǎn)是不允許斷續(xù)切削，在高速車削強(qiáng)度高、韌性大、螺紋長度較長的塑性材料螺紋時，斷屑在編程和選擇刀具切削角度時是必須重點(diǎn)考慮的問題，切屑呈帶狀流出時，不僅可能會損壞刀具、零件，更會帶來人身安全問題。除選擇斷屑效果較好的G76指令外，還要選擇斷屑效果好的刀具，例如車刀的前刀面不是平面，加工較軟材料時，選擇凹型前刀面。加工較硬材料時，選擇凸型前刀面或切削刃刃磨出圓弧或負(fù)倒棱，機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片可以選擇前刀面有凹點(diǎn)或凸點(diǎn)的三維復(fù)合斷屑刀片，都能起到較好的斷屑效果。

8.使用編程技巧

在加工較長的螺紋時，由于尾座頂尖與主軸軸線不同心，將會導(dǎo)致螺紋形成圓錐輪廓。在實(shí)際加工時，手動調(diào)整尾座頂尖與主軸軸線的同軸度一絲不差較為困難。在測得圓錐差后，可以按逆向加工方法通過編程解決。例如，加工如圖3所示的圓柱螺紋時，如果出現(xiàn)左大右小的情況，螺紋將出現(xiàn)不能配合的問題，重新裝夾加工十分困難。此時，在測得圓錐差值后，按左小右大的輪廓以車削圓錐螺紋的方法編程來解決上述問題。為了避免螺紋加工結(jié)束后或零件卸下后，由于螺紋刀刃磨損或崩刃導(dǎo)致螺紋聯(lián)接不上的問題，在螺紋加工指令后，編寫一次“M00”暫停指令或“M01”選擇停指令用于檢查螺紋是否能夠旋合，如果不能旋合，在調(diào)整刀補(bǔ)后，搜尋到螺紋切削指令的程序段重新進(jìn)行螺紋車削，直至螺紋合格。

圖3

加工細(xì)長軸螺紋時為了避免出現(xiàn)腰鼓形缺陷，使用宏程序補(bǔ)償 (凹圓弧補(bǔ)償)，其部分程序格式如下 (以DASEN—3i系統(tǒng)為例):

9.結(jié)語

數(shù)控加工時，應(yīng)根據(jù)螺紋車削的特點(diǎn)和技術(shù)要求，確定科學(xué)合理的加工工藝，合理選擇編程指令，從刀具材料、刀具角度、切削用量和加工過程控制等多方面綜合考慮，保證加工質(zhì)量和效率。