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在生产中数控车床螺纹加工指令的应用分析
在生产中数控车床螺纹加工指令的应用分析
摘要：在机械加工行业中，数控车床由于其适应性强、操作简单、加工效率高、精度高而得到广泛的应用。文章针对广州数控980TA系统，阐述在生产中如何合理地应用螺纹加工指令对梯形螺纹及特殊螺纹的加工，以此来减轻机床操作者的劳动强度，提高产品质量及生产率。
关键词：数控车床；螺纹；加工指令；加工程序

前言

　　在机械行业中，对数控有一定了解的人都知道，螺纹加工是最能体现数控车床优点的一种加工，在生产中应用广泛，但是对于梯形螺纹、大螺距螺纹及个别特殊加工要求的螺纹（如在工件上加工没有进刀位置的螺纹等），由于编程、加工工艺等方面存在一些困难，平常很少有人利用数控车床进行加工，甚至有人认为这些螺纹在数控车床上加工是不可能的。其实，类似性质的产品加工却是生产中经常要面对的问题。在日常的数控车床实习教学中，我通过对这类螺纹加工工艺的分析、研究，并使用不同的编程指令进行加工尝试，最终圆满解决了这些难题。本文就以上几种螺纹加工问题，从理论层面和实际加工上进行阐述及剖析。
　　一、GSK980TA数控系统螺纹加工指令分析
　　GSK980TA数控系统提供三种螺纹加工指令
　　1．G32---单段螺纹切削。G32螺纹加工指令属于直进式切削方法，其每次切削深度一般由编程人员编程给出，由于两侧刃同时工作，切削力较大，而且排屑困难，因此在切削时，两切削刃容易磨损，同时，该指令执行中其刀具移动均由编程来完成，加工程序编写繁锁，工作量大。故该指令多用于小螺距螺纹的精加工及没有进刀位置直插形成螺纹线的螺纹加工。
　　2．G92---螺纹切削循环。G92螺纹加工指令也属于直进式切削加工，但G92的加工有一个循环过程，程序编写简单，程序段少，易于检查，更多地应用于一般小螺距适合直进法加工的螺纹，但也可以同循环指令配合，通过左右借刀的交错切削法来加工大螺距螺纹或精度要求较高的螺纹等，在实际生产中应用较为广泛。
　　3．G76---复合型螺纹切削循环指令。G76螺纹加工循环属于斜进式切削方法，每次循环的切削量一定，由于是单侧刃加工，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；但由于单侧刃加工刀具负载较小，排屑容易，并且切削深度为递减式。因此，G76螺纹指令一般用来加工较大螺距且螺纹精度要求不高的螺纹。
　　二、梯形螺纹的数控加工
　　1．梯形螺纹加工实例
　　（1）零件如图1所示

图1：梯形螺纹零件简图
　　（2）相关尺寸计算
　　大径d=36；
　　中径d2=d-0.5P=36-3=33,查表确定其公差，故d2=33；
　　牙高h3=0.5P+ ac=3.5；
　　小径d3=d-2 h3=29,查表确定其公差，故d3=29；
　　牙顶宽f=0.366P=2.196；
　　牙底宽W=0.366P-0.536ac =2.196-0.268=1.928；
　　用3.1mm的测量棒测量中径，则其测量尺寸：
M=d2+4.864dD-1.866P=36.88,根据中径公差确定其公差，则M=36.88
　　2．利用G76螺纹加工指令进行加工
　　数控加工程序（GSK980TA系统）
　　　　　　程 序
说 明
O0076；
程序号
…………
省略部分程序段
M03 S200
启动主轴
G00 X38.0 Z10.0
快速定位
G76 P020030 Q50 R0.08；
设定精加工两次，精加工余量为0.16mm，牙型角为30°，最小切深为0.05mm。
G76 X28.75 Z-42.0 P3500 Q600 F6.0；
设定螺纹高为3.5mm，第一刀切深为0.6mm。
G00 X100.0 Z50.0；
返回起点
M05；
停主轴
M30；
程序结束
　　以上加工程序在螺纹切削过程中采用沿牙型角方向斜向进刀的方式，但是在梯形螺纹的实际加工中，由于梯形刀刀头宽度并不等于槽底宽（一般是小于槽底宽），因此通过一次G76循环切削无法正确控制螺纹中径等各项尺寸。为此可采用刀具Z向偏置后再次进行G76循环加工来解决以上问题，为了提高加工效率，最好只进行一次偏置加工，因此必须精确计算刀具Z向的偏置量。
　　刀具Z向偏置量的计算方法如图2所示：

图2：刀具Ｚ向偏置值的计算图示
　　设M实测- M理论=2AO1=δ，则AO1=δ/2，且四边形O1O2CE为平行
四边形，则ΔAO1O2≌ΔBCE，AO2=EB。ΔCEF为等腰三角形，则EF=2EB
=2AO2。 AO2=AO1×tan(∠AO1O2)=tan15°×δ/2
　　刀具Z向偏置量EF=2AO2=δ×tan15°=0.268δ
　　3．利用G92螺纹加工指令配合M98、M99子程序进行加工
　　编程原理：根据梯形螺纹牙底宽度及梯牙刀刀头宽度采用交错切削法进行加工。如上例螺距为6的梯形螺纹牙底宽度为1.928，若采用刀头宽度为1.4的梯形刀进行加工，可采用下面的加工程序进行。
数控加工程序（GSK980TA系统）
　　　程 序
　　　　　　　　说 明
O0010；
主程序
………
省略
M03 S180
启动主轴
G00 X45.0 Z10.0；
快速定位
G92 X35.3 Z-42 F6；
用螺纹指令开始梯形螺纹加工
M98 P100002；
子程序起点X=45，Z=10
M98 P100003；
子程序起点X=42，Z=10
M98 P100004；
子程序起点X=40，Z=10
M98 P100005；
子程序起点X=39，Z=10
　…以上子程序调用是对梯形螺纹进行粗加工，下面程序是对梯形螺纹进行精加工…
G0 W-0.2；
将螺纹车刀定位在X=38.5mm，Z=9.8mm，准备加工左边牙侧面
G92 X28.8 Z-42 F6；
半精加工左边牙侧面，以下程序段逐步从半精到精加工牙侧面
G0 W-0.04；

G92 X28.8 Z-42 F6；

G0 W-0.02；

G92 X28.8 Z-42 F6；

G0 W-0.008；

G92 X28.8 Z-42 F6；
车刀从中心向左累计偏移0.268mm，最后一刀切削重复二次，完成左侧螺纹面的精加工
G92 X28.8 Z-42 F6；

G0 W0.468 ；
将螺纹车刀定位在X=38.5mm，Z=10.2mm，准备加工右边牙侧面
G92 X28.8 Z-42 F6；
半精加工右边牙侧面,以下程序段逐步从半精到精加工牙侧面
G0 W0.03；

………
程序段性质跟左侧的加工方法相同，车刀从中心向右累计偏移0.268mm，最后一刀切削重复二次，完成左侧螺纹面的精加工
G92 X28.8 Z-42 F6；

G00 X100.0 Z50.0；
返回程序起点
M05；

M30；

O0011
第一子程序
G92 U-10 Z-42 F6；
第一刀螺纹加工深度到X=35mm，车刀退回起点X=45mm，Z=10mm位置。
G0 W-0.2；
车刀Z向偏移-0.2mm，加工深度不变。
G92 U-10 Z-42 F6；
以梯牙刀左刀面为吃刀面再加工同一深度的螺旋线
G0 W0.4；
车刀Z向偏移+0.4mm，加工深度不变。
G92 U-10 Z-42 F6；
以梯牙刀右刀面为吃刀面再加工同一深度的螺旋线
G0 W-0.2；
车刀Z向偏移-0.2mm，回到第一刀Z向加工位置（中间位置）
G0 U-0.3；
X向进给0.3mm
M99；
第一子程序结束
第一子程序意义：第一刀切削深度到X=35mm（含左右借刀各一次），以后每次循环进给0.3mm，10次子循环后车刀回到起刀点位置X=42mm，切削深度3.7mm，切削位置X=32.3mm。
O0012
二子程序
G92 U-9.9 Z-42 F6；

G0 W-0.2；
左借刀
G92 U-9.9 Z-42 F6；

G0 W0.4；
右借刀
G92 U-9.9 Z-42 F6；

G0 W-0.2；
回到中间位置
G0 U-0.2；
X向进给0.2mm
M99；
第二子程序结束
第二子程序意义：每次循环X进给0.2mm，再左右借刀各一次，10次子循环后车刀回到起刀点位置X=40mm，切削深度2mm，切削位置X=30.3mm。
　O0013（第三子程序） O0014（第四子程序）类同于O0012 及O0011。
　　4．结论
　　（1）采用G76车削加工方法只适合于小螺距及螺纹两侧表面粗糙度要求不高的梯形螺纹。
　　（2）采用G92车削加工方法适合于大螺距及螺纹两侧表面粗糙度要求较高的梯形螺纹，但需要经过多次计算及验证，程序编写繁锁。该加工方法同时适合于大螺距特殊螺纹的加工。
　　（3）梯形螺纹加工中应根据不同的要求合理选择刀具宽度；据不同情况正确设定起刀点的位置；刀具左侧切削刃的刃磨后角等于工作后角加上螺纹升角ψ，即ao=(3°～ 5°)+ψ。
　　三、没有进刀位置螺旋槽的数控加工
　　1．没有进刀位置螺旋槽的相关问题。在日常生活中，我们经常用到一些塑料瓶，这些瓶子的外壁非常薄（如矿泉水瓶、化妆品塑料瓶、家用洗涤用品的瓶盖等），生产厂家为了降低塑料瓶的成本（外壁薄），同时又为了提高瓶子的使用性能及美化产品的外观，在塑料瓶的中间设计出几圈圆形螺旋槽。而这几圈螺旋槽不是从外圆端面开始，而是在直径相同的一段外圆的中间。在数控设备未普及之前，类似性质工件（模件）的螺旋槽都是在普通车床上借鉴螺纹加工的方法来完成的。这样的加工，工人劳动强度大，产品生产周期长，精度、外观差，且经常出现废品，加工效果不是很理想。现在潮汕地区是广东玩具、塑料模具的生产基地，加工行业中经常要面对这一类工件的加工，如何采用一种新的加工方法来代替普通车床加工是人们一直在探索的问题。为此，我进行多次不同的尝试并加工比较，最终在数控车床上找到解决问题的方法。
　　2．加工实例
　　（1）零件如图3所示
　　（2）零件尺寸分析
工件外圆φ24.5，螺旋槽起刀圆弧中心位置在离工件端面6mm，退刀圆弧中心位置离工件面 图3：没有进刀位置螺旋槽加工零件简图
15mm，螺旋槽圆弧半径1mm，牙深单边0.4 mm，槽距（螺距）3 mm。
　　3．在数控车床上利用G32螺纹加工指令进行加工
　　因为圆弧的形状一般都不标准，所以必须根据圆弧的形状将刀片刃磨成形，同时由于螺纹径向进给是车刀螺纹线插入工件，所以G32径向一般选取较小的进给量。
数控加工程序（GSK980TA系统）
程 序
　　　　　　　　　说 明
O0032；
主程序
………
省略
M03 S80；

T0100；

G99 G0 X25 Z-6；
定位螺纹加工起点
G32 X24.4 F3；
采用端面螺纹的加工形式，将螺纹车刀径向旋入工件的起点位置，避免车刀因等待下一个G32指令而在工件起牙位置产生一圈进刀线 ①转载于范文中国网 。
M98 P0002；
调用子程序O0002，进行螺纹的加工、退刀及定位 ②
G32 X24.2 F3；
以下程序重复上面①、②动作，直到弧形螺纹线达到设计要求
M98 P0002；

………
省略：X径向进刀按递减方式进行
G32 X23.70 F3；

M98 P0002；

G0 X60 Z80 M05；
返回程序起点
M30；
主程序结束
O0321
子程序
G32 Z-15 F3；
直螺纹加工
G32 X25 F3；
采用端面螺纹的加工形式，将车刀以螺旋线方式退出加工的终点位置
G0 Z-6；
Z轴退刀，回加工起点
M99；
子程序结束，返回主程序执行相应M98的后续程序段
　　4．结论。四年前我为一家企业加工没有起刀位置螺旋槽（工件的一小部分）时编写了这套数控加工程序，该程序利用端面螺纹的加工指令做为外圆螺纹加工起刀位置的定位指令，避免车刀定位螺旋加工起点后因等待外圆G32指令而在工件螺旋起牙位置产生一圈进刀线，从而使加工的产品符合图纸的设计要求。采用该方法对这类螺旋槽进行加工，加工效率提高近三倍。四年来，在同类企业的生产实践中，证明这套程序在数控车床上的使用的确可以提高生产量，有效降低操作工人的劳动强度，产品的合格率及优质品率在99.99%以上，大大降低了产品生产成本，为企业带来明显的经济效益。
　　四、结语
　　将GSK980TA数控系统提供的三个螺纹加工指令合理应用于实际加工中，使我在数控车床方面的专业层次提高了一个台阶。在科学技术高度发展的今天，我会继续学习、研究，不断创新，将更专业的数控知识应用于生产实践中，降低机床操作者的劳动强度，提高产品生产效率，为社会创造更多的经济财富。
参考文献
[1]GSK980TA 车床数控系统使用手册[S]．广州：广州数控设备厂．
[2]方芹．数控机床编程与操作实训[M]．北京：国防工业出版社，1999.
[3]张超英，谢富春．数控编程技术[M]．北京：化学工业出版社，1994．