基于發那科數控系統的三線螺紋加工

□ 陳 艷

青島工學院 機電工程學院 山東青島 266399

1 加工背景

在機械制造行業中,帶螺紋的零件應用十分廣泛。采用數控車削來加工螺紋,是目前常用的方法。編寫數控程序需要理論知識與實踐知識的有效結合。筆者針對某帶螺紋典型零件進行編程與螺紋加工工藝研究。對螺紋加工進行數控編程,要在編程指令上合理選擇,在編程邏輯上合理編排,并且在工藝上合理選用經驗值,這樣才能高效、高精度、穩定地加工出螺紋,提高加工效率和精度。

2 螺紋加工指令分析

發那科數控系統在螺紋加工中常用的加工指令有G32、G92和G76[1-2]。

G32為單步螺紋切削指令,可以實現等距直螺紋、錐螺紋的加工。G32指令適用于直進式切削方法,刀具兩側刃可以同時切削零件,切削力較大,但排屑困難,適用于精度不太高的小螺距螺紋加工,也可適用于分段螺紋加工和相連的幾段螺紋加工。

G92為螺紋切削單一循環指令,用于加工內外圓柱或圓錐螺紋。G92指令一個程序段語句包括進刀、切削、退刀、返回四個動作。與G32指令相同,G92指令采用直進式切削方法,刀具兩側刃可以同時切削零件。在切削螺距較大的螺紋時,由于切削深度較大,造成刀刃磨損較快。G92指令加工的牙型精度較高,一般多用于小螺距高精度螺紋的加工,也適用于等螺距螺紋的加工。

G76為螺紋車削復合循環指令。與使用G32、G92指令進行螺紋加工相比,G76指令給定相應的螺紋參數,只需要兩個程序段就可以自動完成螺紋加工,可用于加工內外圓柱或圓錐螺紋。G76指令采用斜進式進刀方式,由于為單側刀刃加工,因此刀刃容易磨損,使加工的螺紋面不平,造成螺紋牙型精度不高。刀具單側刃工作,負載較小,排屑比較容易,切削深度參數為遞減值。G76指令一般適用于大螺距低精度螺紋的加工,如梯形螺紋等。

3 三線螺紋加工工藝

加工零件如圖1所示,零件材料選用直徑為40 mm的棒料。編寫零件數控加工程序,實現由毛坯件至三線螺紋的數控編程加工,具體包括外圓、切槽、螺紋加工三道工序[3]。

圖1 加工零件

3.1 螺紋編程指令

(1)直進法切削。車刀沿螺紋橫向間歇進給至牙深處,如圖2所示。直進法切削時,左右刀刃同時切削,排屑較困難,切削力大,切削熱量也較大。當進給量過大時,容易產生扎刀現象。直進法切削主要用于加工螺距不大的螺紋,采用G32單步螺紋切削指令和G92螺紋切削單一循環指令編程。

圖2 直進法切削

(2)斜進法切削。車刀沿螺紋牙型角方向斜向間歇進給至牙深處,如圖3所示。斜進法切削時,車刀始終只有單側刃參與車削,排屑順暢,刀尖的受熱和受力相比直進法有所改善,不易出現扎刀現象。斜進法切削主要用于大螺距低精度螺紋的加工,一般采用G76螺紋車削復合循環指令編程[4]。

圖3 斜進法切削

所要加工的零件螺紋為小螺距螺紋,為了減少編程的程序段,節約編程時間,提高零件加工效率,筆者應用G92螺紋切削單一循環指令編制零件三線螺紋加工程序[5]。

3.2 工藝參數

(1)主軸轉速和進給量。螺紋加工要求主軸轉速與刀具進給速度之間保持嚴格的速比關系,即主軸每轉一圈,刀具應均勻地移動一個螺紋導程。由于一般螺距遠大于車削外圓時的每轉進給量,因此主軸轉速不可隨意設定[6-7]。

螺紋加工程序段中的進給量即螺紋導程,相當于以進給量表示的進給速度。如果機床主軸轉速選擇過高,那么換算后得到的進給速度必定大大超過正常值。零件三線螺紋加工時,主軸轉速設為300 r/min,即加工時的進給量為3 mm/r。

(2)螺紋大徑。由于螺紋多數為塑性材料,因此需要考慮螺紋加工時牙型的膨脹量。一般螺紋加工前零件的直徑約等于螺紋公稱直徑減去10%螺距,圖1零件螺紋的大徑編程數值設為29.9 mm。

(3)螺紋底徑。螺紋底徑d′為:

d′=d-2×(0.55～0.649 5)P

(1)

式中:d為螺紋公稱直徑;P為螺距。

由式(1)計算得到圖1零件螺紋的底徑為28.76 mm。

(4)螺紋加工起點。車削螺紋時,刀具沿螺紋方向的進給量應與零件主軸旋轉保持嚴格的速比關系。刀具從停止狀態達到指定的進給速度,或從指定的進給速度恢復停止狀態,驅動系統必須有一個過渡過程。因此,沿軸向進給的加工路線長度除保證加工螺紋長度外,還應該增加刀具引入距離和刀具切出距離,一般刀具切出距離等于螺距,刀具引入距離不小于刀具切出距離。

3.3 刀具選用

選用1號刀具為外圓車刀,加工零件外圓;2號刀具為4 mm刀寬切槽刀,加工退刀槽;3號刀具為螺紋刀,加工M30×3(P1)三線螺紋。加工刀具參數見表1。

表1 加工刀具參數

3.4 編程思路構建

在加工多線螺紋時,先加工完第一條螺紋,然后在加工第二條螺紋時,車刀的軸向起點在加工第一條螺紋的軸向起點上偏移一個螺距。加工三條螺紋,刀具的三個軸向起點依次相差一個螺距。螺紋的底徑與螺距有關,而與螺紋導程無關。

將程序中重復出現的程序段抽出,按一定格式編寫為一個完整的子程序供調用,可以簡化主程序的編制[8-10]。程序編制中,使用M98子程序調用指令和M99從子程序返回指令。

為實現圖1零件三線螺紋加工,編程時將單線螺紋的加工路線作為一個子程序,每次調用子程序時,Z向值的起點相差一個螺距,調用三次,達到三線螺紋加工的目的。

選用后置刀架機床,零件坐標系原點設在零件右端面中心位置。

數控加工程序如下:

O0115;//主程序

G99 M03 S500;

T0101;

G00 X45.Z5.;

G90 X35.Z-34.F0.2;

X30.;

G01 X26.9 Z0 F0.3;

X29.9 Z-1.5 F0.1;

Z-34.;

G00 X100.Z100.;

T0202;

G00 X45.Z5.;

Z-34.;

G01 X28.F0.1;

X40.F0.1;

G00 X100.;

Z100.;

T0303;

M03 S300;

G00 X35.Z5.;

M98 P30201;

G00 X100.Z100.;

M30;

O201;//子程序

G92 X29.Z-31.F3.0;

X28.76;

G00 W1.0;

M99;

4 仿真加工

應用發那科數控車床仿真系統進行加工,數控系統中三把刀具的相關參數如圖4所示,三線螺紋加工過程如圖5所示,零件加工效果如圖6所示,尺寸滿足圖紙要求。

圖4 數控系統中刀具相關參數

圖5 三線螺紋加工過程

圖6 零件加工效果

通過仿真加工可見,綜合螺紋單一循環指令和子程序調用功能,減少了程序段,大大提高了加工效率。另一方面,選擇合理的車削方式和工藝參數,有效改善了螺紋的加工表面質量,實現了三線螺紋加工的高精度和高效率。

5 結束語

筆者基于發那科數控系統對三線螺紋加工進行了研究,根據機床、數控系統、螺紋特征、加工對象的特點及技術要求,合理選擇螺紋加工的進刀路線,采取合理的加工工藝,進行數控編程,取得了良好的三線螺紋加工效果。