数控车床的较低段转速范围的巧用——杭州市数控车削技能比赛记实
数控车床的较低段转速范围的巧用
杭州市数控车削技能比赛记实
雨晨
关键词: 机床 主轴转速 梯形螺纹 分析
内容提要
在数控车床上用机夹刀只要工艺分析合理，使用的加工指令得当，完全可以加工出合格的梯形螺纹。但刀具采购困难(一般需要预订)而且由于主轴转速和螺纹导程都较大，观察判断较困难，又因为刀具装夹要求和刀柄特性要求很高(特别是内梯形螺纹加工)，否则，极易产生振纹，或产生“扎刀”。如果能采用普通高速钢刀具低速切削，制造难度可大为下降。
而且由于梯形螺纹导程较大，车削时间影响不大，产品质量极易控制和极易得到保证。
前言
80年代以来，电控技术的发展，交流变频无级调速主轴电机使数控机床主传动实现无级调速，解决了直流电机长期运转产生整流火花和电刷磨损的难题。曾为主要动力源的直流调速电机，在多数数控机床主旋转运动中逐渐由交流调速主轴电机取代。
根据具体设计要求，一般选用的传动方案[2][3]: 一是选用内装式主轴电机(即电主轴) 所谓内装式主轴电机。二是选用输出转换型主轴电机,这种既能变频调速，又能切换绕组(即变级)分档变速，使电机本身的调速范围和恒功率区调速范围增大，以满足机床主轴较大变速范围的要求。若电机输出轴与机床主轴之间采用多联V型带或齿型带降速传动，可实现低速增转矩功能。采用这种交流变频主轴电机，最高转速为4500r/min,基本转速为1500 r/min,最低转速为45 r/min。
对于通用型数控机床，如数控车床、铣床、镗床及加工中心，要求主轴变速范围Rn≥100-200，根据机床的功率转矩特性曲线如图1所示。主轴传递的功率或转矩与转速之间关系, 图示中，当机床处在连续运转状态时，主轴的转速在437～3500r／min范围内，主轴传递电动机的全部功率为llkW，为主轴的恒功率区域Ⅱ(图中实线部分)。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩(245N·m)随着主轴转速的增高而变小。主轴转速在35～437r／min范围内，主轴的输出转矩不变，称为主轴的恒转矩区域Ⅰ(图中实线部分)。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。
一、机床最低稳定转速
目前，人们对主轴在计算转速437r/min以上高速恒功率区域研究较多[2][3]，而对在主轴的计算转速437 r/min以下，确很少有撰文。而主轴的恒转矩区域转矩作用较大，如采用普通高速钢车刀，在这样的转速范围内，能在抑制刀具磨损、改善表面粗糙度、控制积屑瘤生成等方面满足低速大转矩的切削加工要求,产品质量极易控制。一般经皮带传动的小型机床转矩可达到245 N·m，中型机床转矩大于490 N·m，大型机床达到785-1177 N·m。当然，在恒转矩区域内功率随转速降低而减小,实际用的最低转速取决于机床所要求的最小切削功率和电机的额定输出功率。 图(1)
例杭州市某次数控车削技能比赛时所
用的数控车床，也是现有大多数企业、学
校常用的通用数控机床CK6136，功率转矩
特性曲线如图2。其产品说明书提供的技
术参数一般为主轴转速范围100-2800rpm，
主电机功率3.7kW。
事实上数控车上很少用到100rpm
以下的主轴转速，机床厂商往往从主轴
低速稳定性角度出发，将机床最低稳定
转速定得较高，从而约束了机床的较低
段转速范围的应用。
在车削螺纹时，车床的主轴转速将受 图(2)
到螺纹的螺距P（或导程）大小、驱动电机的升降频特性，以及螺纹插补运算速度等多种因素影响，故对于不同的数控系统，推荐不同的主轴转速选择范围。大多数经济型数控车床推荐车螺纹时的主轴转速n(r/min)为[4]：
n ≤（1200/P）－k
?式中? P——被加工螺纹螺距，㎜；
?? k——保险系数，一般取为80。
此外，在安排粗、精车削用量时，应注意机床说明书给定的允许切削用量范围，对于主轴采用交流变频调速的数控车床，由于主轴在低转速时扭矩降低(使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩)。尤其应注意此时的切削用量选择。????????????????
根据我国引进并国产化的适用于这类机床的 BESK系列交流主轴电机，连续运转额定功率分别为7.5、11、15、18.5、22 kW五种规格，电机的最低稳定转速nmind＝45 r/min。而且，交流变频电机至主轴上即使采用皮带轮传动一般为等速或降速传动。所以，至少在转速45-100rpm范围内也应该是许用范围。
然而，低速不一定就是低效。尤其是在加工大螺距梯形螺纹时，常常由于加工工艺方面的原因，却很少进行梯形螺纹的加工，甚至有人提出在数控车床上不能加工梯形螺纹，显然这种提法是错误的。用机夹刀只要工艺分析合理，使用的加工指令得当，完全可以在数控车床上加工出合格的梯形螺纹。但刀具采购困难(一般需要预订)而且由于主轴转速和螺纹导程都较大，观察判断较困难，又因为刀具装夹要求和刀柄特性要求很高(特别是内梯形螺纹加工)，否则，极易产生振纹，或产生“扎刀”。如果能采用普通高速钢刀具低速切削，制造难度可大为下降。而且由于梯形螺纹导程较大，车削时间影响不大，产品质量极易控制和极易得到保证。下面把我校参加杭州市技能比赛并获一、二名的事例给予说明：
在数控车床上的加工Tr36×6梯形螺纹为例:
推荐主轴转速:n=(1200/6)-80=120 r/min, 比赛时实取50 r/min. (抑制高速钢刀具磨损)
设定螺纹高为3.5mm，第一刀切深为0.2-0.3mm。
单位切削力 kc=Fc/Ac= Fc/(ap f) = Fc/(ac aw) 可查手册[1] kc=2350N/mm2
功率转矩特性曲线如图2得到:M=30N·m.
许用切削力 Fc=2M/d=1666.67 N.
许用切削面积 Ac= Fc/ kc=0.709 mm2 刀顶宽W=0.366P-0.536ac =1.928mm
第一刀切深为 aw = Ac / ac =0.368mm
比赛时实取0.3mm. 据电机额定输出功率而定。
二、梯形螺纹加工的工艺分析
1.梯形螺纹的尺寸计算
梯形螺纹的代号 梯形螺纹的代号用字母“Tr”及公称直径×螺距表示，单位均为mm。左旋螺纹需在尺寸规格之后加注“LH”，右旋则不用标注。例如Tr36×6,Tr44×8LH等。
国标规定，公制梯形螺纹的牙型角为30°,梯形螺纹的牙型如图(3) 。
图(3) 梯形螺纹的牙型
2.梯形螺纹在数控车床上的加工方法
直进法 螺纹车刀X向间歇进给至牙深处（如图4a）。采用此种方法加工梯形螺纹时，螺纹车刀的三面都参加切削，导致加工排屑困难，切削力和切削热增加，刀尖磨损严重。当进刀量过大时，还可能产生“扎刀”和“爆刀”现象。这种方法数控车床可采用指令G92来实现，但是很显然，这种方法是不可取的。
斜进法 螺纹车刀沿牙型角方向斜向间歇进给至牙深处（如图4b）。采用此种方法加工梯形螺纹时，螺纹车刀始终只有一个侧刃参加切削，从而使排屑比较顺利，刀尖的受力和受热情况有所改善，在车削中不易引起“扎刀”现象。该方法在数控车床上可采用G76指令来实现。
交错切削法 螺纹车刀沿牙型角方向交错间隙进给至牙深（如图4c）。该方法类同于斜进法，也可在数控车床上采用G76指令来实现。
切槽刀粗切槽法 该方法先用切槽刀粗切出螺纹槽（（如图4d），再用梯形螺纹车刀加工螺纹两侧面。这种方法的编程与加工在数控车床上较难实现。
图(4) 梯形螺纹的几种切削方法
3.梯形螺纹测量
梯形螺纹的测量分综合测量、三针测量、和单针测量三种。综合测量用螺纹规测量，中径的三针测量与单针测量如图5所示如下：
图(5) 梯形螺纹中径的测量
三、梯形螺纹编程实例
例 如图6所示梯形螺纹，试用G76指令编写加工程序。
1．计算梯形螺纹尺寸并查表确定其公差
大径d=36 0 –0.375；
中径d2=d-0.5P=36-3=33,查表确定其公差，故d2=33–0.118 –0.453；
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 0 –0.537；
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
=32.88,根据中径公差确定其公差，则M=32.88–0.118 –0.453；
2.编写数控程序[5]
O0308；
G98 G40 G21；
G28 U0 W0；
T0202；
M03 S50；
G00 X37.0 Z3.0；
G76 P020530 Q50 R-0.08； (设定精加工两次，精加工余量为0.16mm，倒角量等于0.5倍螺距,牙型角为30°，最小切深为0.05mm。)
G76 X28.75 Z-40.0 P3500 Q300 F6.0；（设定螺纹高为3.5mm，第一刀切深为0.3mm。）
G00 X150.0；
M05；
M30；
图(6)
以上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，如图4b所示。在FANUC-0i系统中，有时还可采用如图4c所示交错螺纹切削方式，G76编程如下所示[5]：
G76 X28.75 Z-40.0 K3500 D300 F6.0 A30.0 P2；
K：螺纹牙型高度。
D：第一次进给的背吃刀量。
A：牙型角度。
P2：采用交错螺纹切削。
3.计算Z向刀具偏置值
在梯形螺纹的实际加工中，由于刀尖宽度并不等于槽底宽，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Z向的偏置量，Z向偏置量的计算方法如图7所示，计算如下：
设M实测- M理论=2AO1=δ，则AO1=δ/2
如图5所示，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
Z向偏置量EF=2AO2=δ×tan15°=0.268δ
实际加工时，在一次循环结束后，用三针测量实测M值，计算出刀具Z向偏置量，然后在刀长补偿或磨耗存贮器中设置Z向刀偏量，再次用G76循环加工就能一次性精确控制中径等螺纹参数值。
图5 Z向刀具偏置值的计算
图(7)
四、结论
通过技能比赛我们可以得出这样的结论，要想在数控机床上采用普通高速钢刀具低速切削加工出质量易得到保证的梯形螺纹，关键是做好如下几点：
1. 采用高速钢刀具低速切削加工导程较大的梯形螺纹，车削时间影响不大，产品质量极易控制, 但必须刃磨正确的刀具几何角度。
2.合理选择梯形螺纹的加工指令，通常选G76指令。
3.准确设定G76指令的参数值，这些值通常通过对梯形螺纹的分析计算获得。
4.根据初步测量得出的中径值，精确计算出Z向刀具偏置值，从而准确控制梯形螺纹的中径值。
高速钢刀具 45#钢刀柄
图(8) 比赛时采用
5. 内梯形螺纹采用自制45#钢刀柄刀具图(8), 更不易引起“扎刀”。
参考文献： 〔1〕 机床设计手册编写组机床设计手册〔第3册〕［M］北京：机械工业出版社，1986. 〔2〕 北京航空学院数控机床结构与传动［M］北京：国防工业出版社，1997. 〔3〕现代数控车床的主传动系统［J］机床. 李良福摘译，1992, 〔4〕数控加工编程与操作[M]
顾京.北京：高等教育出版社2003〔5〕数控机床车削加工直接编程技术[M]孙德茂 . 北京:机械工业出版社2005.
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