随着科学技术的迅速发展, 对机械产品提出了高精度和高复杂的要求, 而且产品改型频繁, 这对机床设备不仅提出精度与效率的要求, 同时也提出了通用性与灵活性的要求, 特别是煤矿、矿山等工业部门, 需要加工的零件大多具有形状复杂和批量小等特点, 使用普通机床加工这些零件, 不仅劳动强度大、效率低、而且难以保证精度, 有时零件甚至无法加工。因此数控机床成为机械加工设备的主流是必然的。
在数控机床的加工中, 零件的螺纹加工更是操作中的难点, 要想实现螺纹加工, 数控车床必须安装有脉冲编码器。为了保证螺纹加工中同一螺纹的多次切削, 每次加工要保证相同的螺距, 通过多次切削达到要求的螺纹深度, 每次螺纹切削进给起动要等到脉冲编码器零标记时才开始, 这就能保证刀具总是在工件圆周上的同一点进入工件。本文将以广州数控GSK980TDa和GSK980TDb数控系统为例进行介绍。
假设要加工的螺纹属于细牙普通螺纹, 材料是Q235, 选择硬质合金三角形外螺纹车刀。车刀的几何角度有三个 (1) 刀尖角ε应等于牙型角, 车削普通三角形螺纹是60°, 管制螺纹55°; (2) 前角Υ一般为0°~15°, 螺纹车刀的径向前角对牙形角的影响很大, 螺纹径向前角小些螺纹精度会高, 对螺纹精度要求高的螺纹径向前角约取0°~5°; (3) 后角α一般为5°~10°, 因螺纹升角的影响, 两后角大小应该磨成不同, 进刀方向一面应稍大一些.但对大直径, 小螺距的三角形螺纹, 这种影响可忽略不计.由于高速切削螺纹的时候实际牙型角会扩大, 因此刀尖角应减小30′~1°, 磨成59.5°~59°较好。螺纹车刀前、后刀面的表面粗糙度必须很小, 磨刀时一定要正确修整砂轮或用油石精磨刀具。车刀的左右刀刃必须是直线, 无崩刃.刀尖角的刃磨是技术活, 为保证磨出准确的刀尖角, 在刃磨时用螺纹角度样板测量刀尖角。测量时, 把刀尖角与样板贴合, 对准光源, 仔细观察两边贴合的间隙, 并以此为依据进行修磨。另外车刀磨损过大时会引起切削力增大, 使螺纹角度增大, 出现螺纹中经增大、顶弯工件或啃刀现象。此时应对车刀加以修磨。在安装螺纹车刀时要尽量减小伸出长度, 防止刀杆刚性不够, 切削时产生振动。螺纹车刀安装高度也很讲究, 过高或过低都会出现“扎刀”现象。过高, 则吃刀到一定深度时, 后刀面顶住工件, 增大摩擦力, 造成“扎刀”;过低, 则切屑不易排出, 从而把工件顶起, 出现“扎刀”现象。正确的位置是刀尖位置比工件中心高0.1~0.3mm。螺纹车刀的几何形状与样板对刀。
现在数控机床发展迅速, 数控上用到的刀具大多都是机夹刀具, 以上的参数都是有刀具生产厂家保证的, 但是我们在生产的过程中必须对此有所了解, 才能正确地安装刀具, 知道刀具的磨损情况, 保证工件的质量。
合理地使用切削液, 能降低切削时产生的热量, 减小由于温度升高引起的加工误差;能在刀具和工件表面间形成润滑膜, 冲走铁屑减少刀具与工件间的摩擦, 降低工件表面粗糙度, 减少刀具磨损;还可以防止工件生锈。根据实践经验, 加工此类零件, 一般要求使用水基切削液就可以达到要求, 如果精度要求高或材料粘度大就必须使用油基切削液, 如煤油、植物油等。
数控车床对普通螺纹的加工需要一系列尺寸, 普通螺纹加工所需的尺寸计算分析主要包括以下两个方面:
考虑在螺纹切削时, 由于刀具的挤压使得最后加工出来的顶径处塑性膨胀, 从而影响螺纹的装配和正常使用, 考虑到这个问题, 螺纹加工前工件直径一般为D-0.1P或d-0.1P (D为外螺纹大径, d为内螺纹大径, p为螺距) , 根据材料变形能力大小取比螺纹大径小0.1~0.5mm。
螺纹加工进刀量可以参考螺纹底径, 即螺纹刀最终进刀位置。螺纹小径为:大径-2倍牙高;理论牙高h=0.5413P (P为螺距) 考虑到理论和实际上的误差, 加工时按螺纹牙高h=0.6495P, 直径方向计牙深约1.3P。螺纹进刀量要递减, 具体螺纹切削用量的选择应根据工件材料、刀具和螺距的大小以及所处的加工位置等因素来决定。
在广州数控中, 螺纹切削一般有两种加工方法:G92直进式固定循环切削方法和G76斜进式切削方法, 由于切削方法的不同, 编程方法不同, 造成加工误差也不同。我们在操作使用上要仔细分析, 争取加工出精度高的零件。
(1) 两种加工方法的编程指令
说明:X、Z用于绝对编程;U、W用于相对编程;F为螺距
G92编程切削深度分配方式一般为常量值, 双刃切削, 其每次切削深度一般由编程人员编程给出。
说明:om:精加工重复次数;o r:倒角宽度;o a:刀尖角度;o△dmin:最小切削深度, 当每次切削深度 (△d·n?-△d· (n-1) ?) 小于△dmin时, 切削深度限制在这个值上;o d:精加工留量;o i:螺纹部分的半径差, 若i=0, 为直螺纹切削方式;o k:螺纹牙高;o△d:第一次切削的切削深度;o l:螺距。
G76编程切削深度分配方式一般为递减式, 其切削为单刃切削, 其切削深度由控制系统来计算给出。
(2) 加工误差分析及使用
G92直进式切削方法, 由于两侧刃同时工作, 切削力较大, 而且排削困难, 因此在切削时, 两切削刃容易磨损。在切削螺距较大的螺纹时, 由于切削深度较大, 刀刃磨损较快, 从而造成螺纹中径产生误差;但是其加工的牙形精度较高, 因此一般多用于小螺距螺纹加工。由于其刀具移动切削均靠编程来完成, 所以加工程序较长;由于刀刃容易磨损, 因此加工中要做到勤测量。G76斜进式切削方法, 由于为单侧刃加工, 加工刀刃容易损伤和磨损, 使加工的螺纹面不直, 刀尖角发生变化, 而造成牙形精度较差。但由于其为单侧刃工作, 刀具负载较小, 排屑容易, 并且切削深度为递减式。因此, 此加工方法一般适用于大螺距螺纹加工。由于此加工方法排屑容易, 刀刃加工工况较好, 在螺纹精度要求不高的情况下, 此加工方法更为方便。在加工较高精度螺纹时, 可采用两刀加工完成, 既先用G76加工方法进行粗车, 然后用G32加工方法精车。但要注意刀具起始点要准确, 不然容易乱扣, 造成零件报废。
下面用实例来说明3种格式编程的不同。
加工M24×1螺纹, 螺纹长度30 mm, 升刀段为3mm, 降刀为2mm, 由经验也知, 车螺纹时, 分3次进刀, 直径分别为0.7mm、0.4 mm、0.2 mm, 选加工螺纹主轴转速600 r/min, 工件为碳钢45, 刀位号为01, 刀补号为01, 则编程如下:
(1) G32指令编程
(2) G92指令编程
(3) G76指令编程
由上例可知3种方法中后者都比前者编程简单, 但设置参数越来越复杂。尤其G76参数需设置太多, 较容易出错, 同时计算机需要计算的时问也较长, 不够简单明了, 只有加工较大螺距的螺纹时才采用。因此, 常用螺距 (P=1~4) 的螺纹加工, 经常采用G92指令编程, 程序较简单, 参数设量清晰, 不容易出错。
在FANUC Oi系统数车上进行螺纹加工无论采取哪一种G代码编程, 因加工螺纹的精度受到诸如机床的精度、被加工材料的特性、螺纹刀具的磨损以及冷却等条件的影响, 因此加工完毕后的螺纹只有1/3左右符合质量要求, 大部分螺纹出现螺纹中径不合格 (通止规不符合旋进旋出要求) 现象。这时如果灵活地采用刀具磨耗的方法来解决这些问题, 必然取得事半功倍的效果。
在零件的加工过程中, 刀具由于磨损而使其半径变小, 若造成工件误差超出其工件公差, 则不能满足加工要求。在数车FANUC Oi系统加工螺纹时更是如此, 在车削螺纹时, 由于是螺纹车刀分几次直接加工完成很可能造成刀具的磨损, 同时机床本身的精度、工件的特性以及冷却不及时等因素影响, 很可能使加工出的螺纹中径尺寸超出螺纹的中径公差。而此时重新编制新的程序, 重新修正已加工的螺纹。而如果将刀补磨耗界面打开, 输入对应的螺纹刀刀号上的方向的磨耗即可, 自动加工后如还不合格, 一直输入磨耗, 直至车削出满意的螺纹。
车削螺纹进给量要留一定的余量△dz, 然后在刀具磨耗补偿界面逐一输入逐渐减小的△d1、△d2、△d3直至合格, 这里设△dz=△d1+△d2+△d3?△dn, 同时△d1≥△d2≥△d3?△dn。
广州数车系统的刀具补偿功能有磨耗补偿和形状补偿2个界面, 刀具形状补偿是确定刀具位置补偿的, 即对刀使用的。下面以加工螺纹为例介绍刀具磨耗补偿界面的使用。
将上述加工螺纹的程序修改后写成:
加工的螺纹直径方向留有一定的余量△d=0.1mm, 设△dz=△d1+△d2+△d3?△dn, △d1、△d2、△d3分别设为0.05mm, 0.03mm, 0.02mm。当将程序OOOO4调出, 自动循环加工到程序段N40时, 机床无条件暂停。用螺纹通止规检测, 发现不合格, 螺纹要继续加工。在机床面板上按下功能键OFFSET或软键“磨耗”打开刀具补偿界面, 选择软键“磨耗”, .将光标打到G01 x位置 (用“→”“←”“↑”“↓”功能键) 输入-0.050 (即△d1, 方向为负, X的反方向进给补偿) , 按下软键或功能键INPUT, 然后将加工程序返到程序头 (必须是从程序头开始, 才能加上螺纹刀刀补, 刀具磨耗补偿值才起作用) , 并打开“跳步”功能键, 使跳步功能有效。在当前程序下开启循环起动按钮进行自动加工, 执行N15条后跳过N20条和N25条马上执行N30条 (螺纹加工的最后一刀程序) , 回到换刀点后暂停, 用通止环规再检测, 发现合格, 往下执行。如不合格继续按上面方法打开刀具补偿界面, 输入一0.030 (即△d2) , 按相加输入软键+INPUT, 然后再将程序返到程序头, “跳步”功能键打开, 按循环起动自动加工, 直至螺纹加工合格。
在广数系统加工螺纹过程中, 用刀具磨耗补偿方法既使用简单又便于操作, 并且使加工的螺纹中径尺寸在公差尺寸内。合格率明显提高, 起到了事半功倍作用。掌握这种方法以后, 对于数车加工工件其他项目如外圆、端面、槽等如果精车后发现最终的尺寸要比图纸尺寸大△d, 那么就用刀具磨耗补偿一的办法来修复加工项目, 使这些项目达到尺寸要求。
缺点是, 刀补磨耗不能修复比图纸尺寸小的项目, 同时这种方式并不是适用于所有刀路, 只适用于2D形状以及采用等高加工方式的3D形状刀路。
在实际的加工生产中, 以上措施有效地解决了螺纹加工精度不高、毛刺多等问题, 减轻了操作者的劳动强度, 提高了生产效率, 保证了零件的质量。其中, 使用刀具磨耗补偿功能是数车GSK980TDa/b系统加工螺纹中径尺寸保证的关键, 同时, 还可以修复整个工件的其他项目, 对提高整个工件的质量具有重要的运用价值。数控车床在机械制造业中的应用越来越广泛, 我们要善于分析, 不断总结, 掌握一定的编程技巧, 编制出合理、高效的加工程序, 多学习先进的加工技术, 使数控车床的功能得到合理的应用与充分的发挥, 保证高效率、高标准地完成零件的加工。
摘要：螺纹在机械制造业中应用广泛, 因而螺纹车削的质量是机械产品质量的重要环节。在车削加工中, 螺纹车削由于切削速度较快, 切削力较大和作用力集中, 导致毛刺较大加工难度高。本文将从两种螺纹加工方法的不同之处来阐述怎样控制螺纹加工质量。
关键词：螺纹,毛刺,车削方法,加工程序
[1] 韩加好.数控编程与操作技术 (实训版) [M]北京:冶金工业出版社, 2008.115～125
[2] 曹奇星赵军华.普通车削加工操作实训[M]北京:机械工业出版社, 2008.61～109
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