淺析如何在數控車床上保證螺紋的加工精度

呂紅梅

摘要：隨著數控技術的發展，采用數控系統的機床品種日益增多，有銑床，鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床，車床等。此外還有能自動換刀，一次裝夾進行多工序加工的加工中心，車削中心等。本文主要闡述了在數控車床上加工螺紋時，由于設備、刀具或者人員的原因，在切削過程中容易發生的問題，以及解決辦法。

關鍵詞：數控；螺紋；刀具；機床

中圖分類號：G718 文獻標識碼：B 文章編號：1672-1578（2017）07-0222-03

緒論：螺紋是在圓柱或圓錐表面上，沿著螺旋線所形成的具有相同剖面和規定牙型的連續凸起和溝槽。在各種機械產品中，帶有螺紋的零件應用廣泛。它主要用作聯接零件、傳動零件、緊固零件和測量用的零件等等。在車床上加工螺紋，是比較常用的螺紋加工方法之一。

隨著科學技術的發展，數控車床的普及，在數控車床上車削螺紋被越來越多的使用。數控車床以加工效率高、加工質量穩定、加工精度高、加工范圍廣、調試方便（特別是它能精密加工在普車上比較難加工的一些特殊表面零件）等優勢在機械加工中占有越來越重要的地位。

在數控車床上能車削米制、英制、模數和徑節制四種標準螺紋，還能車削變螺距螺紋，端面螺紋等。但無論車削哪一種螺紋，數控車床主軸與刀具之間必須保持嚴格的運動關系：即主軸每轉一轉（即工件轉一轉），刀具應均勻地移動一個（工件的）導程的距離。它們的運動關系是這樣保證的：主軸帶著工件一起轉動，主軸的運動狀態由一根同步皮帶傳送到主軸編碼器，主軸編碼器檢測到主軸的轉速以后，將信息反饋到機床主系統信息處理中心，主系統再根據程序編制的導程發出指令控制主軸每轉一轉X軸或Y軸移動一個導程的距離（主要是為了獲得各種螺距），以保證主軸與刀具之間嚴格的運動關系。

在數控車床上車削螺紋，由于主機系統能同時控制主軸與X、Y軸的運動，而且數控車床是以um為單位的，所以能獲得精確的螺距。但是在實際車削螺紋時，由于各種原因（如主軸同步傳動皮帶磨損，X、Y軸絲桿磨損，刀具磨損，機床檢測系統錯誤等）造成由主軸到刀具之間的運動，在某一環節出現問題，引起車削螺紋時產生故障，影響正常生產，這時應及時加以解決。

本論文針對加工螺紋的過程中易出現的問題而提出了一些整改措施，供大家一起探討。

1.數控車床車削螺紋的原理

1.1 數控車削螺紋原理。主軸——主軸脈沖發生器——數控系統——步進電機——縱向長絲杠、螺母——溜板箱——刀架

在數控車床上加工螺紋時，其加工進給不是采用機械傳動鏈實現的，而是通過主軸編碼器、來實現螺紋加工的。數控系統依據檢測到的主軸旋轉信號，控制電動機的進給。實現車削螺紋所要求的比例關系，切削出符合要求的螺紋。

1.2 主軸脈沖發生器的安裝及調試。數控車床是采用增量式光電編碼器為主軸脈沖發生器，安裝于車床的主軸箱內，由主軸經過齒輪或同步齒形帶驅動，實現1：1的傳動。主軸旋轉時，編碼器與主軸同步旋轉，同時發出與主軸轉角相對應的脈沖信號，發出的這個信號是控制螺紋加工時刀具運動的重要信號。

2.在數控車床上車削螺紋時常見故障

2.1 切削過程中出現振動和扎刀現象：

（1）導程（螺距）值偏大；

（2）車刀安裝得過高或過低；

（3）工件裝夾不牢；

（4）車刀磨損過大；

（5）切削參數不正確。

解決方法：

（1）我們常用的螺紋加工指令有G32、G92和G76三種，進刀方式有直進法、斜進法和左右切削法三種形式。

①G92指令采用直進法進行加工。由于兩側刃同時工作，切削力較大，而且排削困難，因此在切削時，兩切削刃容易磨損。在切削螺距較大的螺紋時，由于切削深度較大，刀刃磨損較快，從而造成螺紋中徑產生誤差；但是其加工的牙形精度較高，因此一般多用于小螺距螺紋加工。由于其刀具移動切削 均靠編程來完成，所以加工程序較長；由于刀刃容易磨損，因此加工中要做到勤測量。

②G76指令采用斜進法進行加工。由于是單側刃加工，加工刀刃容易損傷和磨損，使加工螺紋面不直，刀尖角發生變化，而造成牙形精度較差。但由于其為單側刃工作，刀具負載較小，排屑容易，并且切削深度為遞減式。因此可以加工導程較大的螺紋。

編程時應考慮加工螺紋的切入和切出量，以便保證螺紋導程的一致性。

加工螺紋之前一般應先加工退刀槽，如果沒有退刀槽時，刀具在螺紋終點的加工路線應為倒角退刀。

加工螺紋時，由于進給量較大，螺紋車刀的強度較差，故螺紋牙型往往需分多次進行切削。

綜上所述，我們可根據螺紋種類和螺距不同來選擇螺紋的編程指令。

（2）車刀安裝得過高或過低：過高，則吃刀到一定深度時，車刀的后刀面頂住工件，增大摩擦力，甚至把工件頂彎，造成扎刀現象；過低，則切屑不易排出，車刀徑向力的方向是工件中心，加上橫進絲杠與螺母間隙過大，致使吃刀深度不斷自動趨向加深，從而把工件抬起，出現扎刀。

此時，應及時調整車刀高度，使其刀尖與工件的軸線等高（可利用尾座頂尖對刀）。在粗車和半精車時，刀尖位置比工件的中心高出1%D左右（D表示被加工工件直徑）。

（3）工件裝夾不牢：工件本身的剛性不能承受車削時的切削力，因而產生過大的撓度，改變了車刀與工件的中心高度（工件被抬高了），形成切削深度突增，出現扎刀，此時應把工件裝夾牢固，可使用尾座頂尖等，以增加工件剛性。

（4）車刀磨損過大：引起切削力增大，頂彎工件，出現扎刀。此時應對車刀加以修磨。

（5）切削用量（主要是背吃刀量）過大：螺紋切削的進給量相當于加工中的每次深度，每次切深過小會增加走刀次數，影響切削效率，同時加劇刀具磨損；切深過大雙容易出現扎刀、崩尖及螺紋掉牙現象。為避免上述現象發生，螺紋加工的每次切深一般都是遞減的。即隨著螺紋深度增加，背吃刀量越下越大，要相應的減小進給量。

2.2 亂牙：

故障分析：原因是當絲杠轉一轉時，工件未轉過整數轉而造成的。

主要原因有：

（1）伺服系統滯后效應；刀具在位移過程的開始和結束，都受到伺服驅動系統升降頻率和數控裝置插補運算速度的約束，由于升降頻特性滿足不了加工需要等原因，可能引起進給運動產生"超前"和"滯后"，而導致部分螺距不符合要求。

（2）機床主軸編碼器同步傳動皮帶磨損，檢測不到主軸的同步真實轉速；

（3）編制的加工程序不正確；

（4）X軸或Y軸絲桿磨損。

解決方法：

（1）在保證生產效率和正常切削的情況下，選擇較低的主軸轉速；當螺紋加工程序段中的升速進刀段和降速退刀段的長度較大時，可選擇高一些的主軸轉速。

W=L+δ1+δ2式中：δ1：切入空刀行程量，一般取2～5mm；

δ2：切出空刀行程量，一般取0.5δ1。

主軸編碼器同步皮帶磨損：由于數控車床車削螺紋時，主軸與車刀的運動關系是由機床主機信息處理中心發出的指令來控制的，車削螺紋時，主軸轉速恒定不變，X或Y軸可以根據工件導程大小和主軸轉速來調整移動速度，所以中心必須檢測到主軸同步真實轉速，以發出正確指令控制X或Y軸正確移動。如果系統檢測不到主軸的真實轉速，在實際車削時會發出不同的指令給X或Y，那么這時主軸轉一轉，刀具移動的距離就不是一個導程，第二刀車削時螺紋就會亂扣。這種情況下，我們只有維修機床，更換主軸同步皮帶。

編制輸入的程序不正確：我們知道，車削螺紋時為了防止亂扣，必須保證后一刀車削軌跡要與前一刀車削軌跡重合，在普車上我們用倒順車法來預防亂扣。在數控車床上，我們用程序來預防亂扣，就是在編制加工程序時，我們用程序控制螺紋刀在車削前一刀后，退刀，使后一刀起點位置與前一刀起點位置重合（相當于在普車上車削螺紋時，螺紋刀退回到前一刀所車出的螺旋槽內），這樣車出的螺紋就不會亂扣。有時，由于程序輸入的導程不正確（后一段程序導程與前一段程序導程不一致），車削時也會出現亂扣現象。

例一： ………………………

G00 X 20 ；

Z 5；

G32 Z -20 F 200；

G00 X 30；

Z 5；（后一刀起點位置與前一刀起點位置重合，螺紋不會亂扣）

X 19；

G32 Z -20 F 200；（后一段程序導程與前一段程序導程一致，螺紋不會亂扣）

………………………

例二： ………………………

G00 X 20；

Z 5；

G32 Z -20 F 200；

G00 X 30；

Z 4；（后一刀起點位置與前一刀起點位置不重合，螺紋會 亂扣）

G32 Z -20 F 220；（后一段程序導程與前一段程序導程不一致，螺紋會亂扣）

………………………

X軸或Y軸絲桿磨損嚴重：維修機床，更換X軸或Z軸絲桿。

2.3 螺距誤差

螺距不正確的原因主要有：

（1）主軸編碼器傳送回機床系統的數據不準確；

（2）X軸或Y軸絲桿和主軸的竄動過大；

（3）編制和輸入的程序不正確。

解決方法：

（1）主軸編碼器傳送數據不準確：維修機床，更換主軸編碼器或同步傳送皮帶；

（2）X軸或Y軸絲桿和主軸竄動過大：調整主軸軸向竄動，X軸或Y軸絲桿間隙可以用系統間隙自動補償功能補償。

（3）校檢程序，務必使程序中的指令導程與圖紙要求一致。

2.4 螺紋牙型不正確：

原因主要有：

（1）刀具角度選擇錯誤；

（2）車刀安裝不正確；

（3）車刀磨損。

解決方法：

刀具角度選擇錯誤：正確刃磨和測量車刀刀尖角度，對于牙型角精度要求較高的螺紋車削，可以用標準的機夾式螺紋車刀車削，或者用工具磨床來刃磨螺紋車刀。

車刀安裝不正確：裝刀時用樣板對刀，或者通過用百分表找正螺紋刀桿來裝正螺紋刀。

車刀磨損：根據車削加工的實際情況，合理選用切削用量，及時修磨車刀。

2.5 螺紋表面質量差

原因主要有：

（1）刀尖產生積屑瘤；

（2）刀柄剛性不夠，切削時產生震動；

（3）車刀徑向前角太大；

（4）高速切削螺紋時，切削厚度太小或切屑向傾斜方向排出，拉毛已加工牙側表面；

（5）工件剛性差，而切削用量過大；

（6）車刀表面粗糙度差。

解決方法：

調整切削用量，并正確選擇切削液；

增加刀柄截面，并減小刀柄伸出長度；

減小車刀徑向前角；

高速鋼切削螺紋時，最后一刀的切屑厚度一般要大于0.1mm，并使切屑沿垂直軸線方向排出；

檢查工件安裝，增加工件安裝剛度，選擇合理的切削用量；

刀具切削刃口的表面粗糙度應比零件加工表面粗糙度值小1至2級。

3.總結

利用數控車床加工螺紋零件，在保證加工精度的同時可以成倍的提高加工效率，數控車床在對螺紋零件加工時可以代替傳統車床。

車削螺紋時產生的故障形式多種多樣，既有設備的原因，也有刀具、操作者等的原因，在排除故障時要具體情況具體分析，通過各種檢測和診斷手段，找出具體的影響因素，采取有效的解決方法。

參考文獻：

[1] 《數控機床編程與操作》中國勞動社會保障出版社2009年6月出版

[2] 《數控車床FANUC系統編程與操作說明書》中國勞動社會保障出版社2004年4月

[3] 《數控原理及系統》中國勞動社會保障出版社

[4] 《車工工藝學》勞動人事出版社一九八四年出版

[5]《車工工藝與技能訓練》中國勞動社會保障出版社2001年1月出版