多线梯形螺纹的数控车削加工
多线梯形螺纹的数控车削加工
陈伟杰
云浮市中等专业学校
摘要： 在普通车床上加工多线梯形螺纹时，要达到精密分线是个难点，利用数控车床进行加工则精密分线的难题就迎刃而解。而当数控车削过程中，出现崩刀后再重新加工时，如何避免乱扣也是个难题。本文探讨了数控车削多线梯形螺纹的方法、技巧及防止重新加工时出现乱扣的措施，有效实现了多线梯形螺纹的数控车削高精度加工。
关键词： 分线 乱扣 多线梯形螺纹 数控车削
一、引言
在普通车床上加工多线梯形螺纹时，要达到精密分线一直是个难点。当第一条螺纹车成之后，需要手摇小刀架并用百分表校正，使刀尖沿轴向精确移动一个螺距再加工第二条螺纹；或者打开挂轮箱，调整齿轮啮合相位，再依次加工其余各线螺纹。受普通车床丝杠螺距误差、挂轮箱传动误差、小拖板移动误差等多方面的影响，多线螺纹的导程和螺距难以达到很高的精度。利用数控车床进行加工则多线梯形螺纹精密分线的难题就迎刃而解。而当数控车削过程中，出现崩刀后再重新加工时，如何避免乱扣也是个难题。本文探讨了数控车削多线梯形螺纹的方法、技巧及防止重新加工出现乱扣的措施，有效实现了多线梯形螺纹的数控车削高精度加工。
二、多线梯形螺纹的数控车削方法
下面以加工多线梯形螺纹Tr36×12(P6)为例，介绍如何在HNC-21/22华中世纪星数控系统的数控车床上进行多线梯形螺纹的数控车削加工。车削工件的零件图如图1所示。
1、多线梯形螺纹车刀的材料及几何角度
车削多线梯形螺纹时，因为径向切削力较大，为保证螺纹精度，可分别采用粗车刀和精车刀对工件进行粗、精加工。同时刀头宽度要小于螺纹的牙槽底宽。刀具后角要考虑螺纹升角的影响。考虑到工件材料为45#钢，同时精度要求较高，故采用高速钢车刀。
为了给精车时留有充分的加工余量，粗车刀的刀尖角要小于牙型角。高速钢多线梯形螺纹粗车刀如图2所示。
图1 多线梯形螺纹工件
图2 高速钢多线梯形螺纹粗车刀
为保证多线梯形螺纹的牙型精度，精车刀的纵向前角应该为零度，两侧切削刃的夹角应等于牙型角。为切削顺利、排屑顺利，车刀两侧刃都应磨有较大前角的卷屑槽。高速钢多线梯形螺纹精车刀如图3所示。
图3 高速钢多线梯形螺纹精车刀
2、多线梯形螺纹的具体车削方法选择
多线梯形螺纹的数控车削方法主要有以下的两种：
1）直进法 这种方法数控车床可采用指令G92来实现， 螺纹车刀X向间歇进给至牙深处，如图4所示。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”现象。很显然，这种方法不适宜用于多线梯形螺纹的加工。
2）斜进法 该方法在数控车床上可采用G76指令来实现,螺纹车刀沿牙型角方向斜向间歇进给至牙深处，如图5所示。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。这种方法适宜用于螺距较小的多线梯形螺纹加工。
因本例多线梯形螺纹螺距较小，故采用斜进法来加工。
图4 直进法加工梯形螺纹 图5 斜进法加工梯形螺纹
3、多线梯形螺纹的数控车削编程
本文中的多线梯形螺纹加工过程如下：采用G76指令编程，先用螺纹粗车刀进行粗加工，再换螺纹精车刀来修光梯形螺纹的两侧面。修光两侧面的加工过程可以分别编成两个子程序，每次调用时使车刀Z向偏移0.1 mm，通过三针测量法测量粗加工后的梯形螺纹，读出公法线千分尺两量针顶点间距离M的实测值M实测，计算出该距离的理论值M理论，进一步计算出M实测与M理论的差值，从而精确确定修光侧面所需的Z向总偏移量。据此确定两个子程序的调用次数，使得左右偏移量的和等于Z向总偏移量。加工完第一条螺纹后，将螺纹加工起点Z向偏移一个螺距，即可完成双线梯形螺纹的精密分线。重新按更改了加工起点的程序加工，即可精密加工出第二条螺纹，从而完成多线梯形螺纹的高效精密加工。
1）第一条梯形螺纹的加工程序（设右端面Z=0）
O8888（主程序）
N10 T0101 M08 （螺纹粗车刀）
N20 G00 X100 Z100
N30 M03 S150
N40 G00 X37 Z-5 （定位到第一条螺纹加工起点）
N50 G76 C1 A30 X28.69 Z-65 K3.5 U0.05 V0.1 Q0.1 F12（粗车梯形螺纹）
N60 G00 X100
N70 Z100
N75 M05
N80 M00 （程序暂停，此时用三针测量法测出螺纹粗加工后公法线千分尺读数实测值M实测，并计算出修光侧面所需的Z向总偏移量，据此确定两个子程序的调用次数。此程序段只需在第一条螺纹加工时使用。）
N85 M03 S150
N90 T0202 （换梯形螺纹精车刀）
N100 G00 X37 Z-5
N110 M98 P1111L5 （调用O1111子程序5次，调用的次数由前面计算出的修光侧面所需的Z向总偏移量来确定）
N120 G00 X37 Z-5
N130 M98 P2222L4 （调用O2222子程序4次，调用的次数由前面计算出的修光侧面所需的Z向总偏移量来确定）
N140 G00 X100
N150 Z100
N160 M30
%1111（子程序，精车梯形螺纹左侧面）
N10 G01 W-0.1 （螺纹精车刀向左偏移0.1mm）
N20 G76 C1 A30 X28.69 Z-65 K3.5 U0.05 V0.1 Q3.5 F12 （将第一次切削深度由0.1mm变为3.5mm后可减少车削次数）
N30 M99
%2222（子程序，精车梯形螺纹右侧面）
N10 G01 W0.1 （螺纹精车刀向右偏移0.1mm）
N20 G76 C1 A30 X28.69 Z-65 K3.5 U0.05 V0.1 Q3.5 F12
N30 M99
2）第二条梯形螺纹的加工程序（设右端面Z=0）
O9999（主程序）
N10 T0101 M08 （螺纹粗车刀）
N20 G00 X100 Z100
N30 M03 S150
N40 G00 X37 Z1 （定位到第二条螺纹加工起点，也就是在第一条螺纹加工起点处Z向偏移一个螺距，实现了双线螺纹的精密分线）
N50 G76 C1 A30 X28.69 Z-65 K3.5 U0.05 V0.1 Q0.1 F12（粗车梯形螺纹）
N60 G00 X100
N70 Z100
N80 T0202 （换梯形螺纹精车刀）
N90 G00 X37 Z1
N100 M98 P1111L5
N110 G00 X37 Z1
N120 M98 P2222L4
N130 G00 X100
N140 Z100
N150 M30
%1111（子程序，精车梯形螺纹左侧面）
N10 G01 W-0.1 （螺纹精车刀向左偏移0.1mm）
N20 G76 C1 A30 X28.69 Z-65 K3.5U0.05 V0.1 Q3.5 F12
N30 M99
%2222（子程序，精车梯形螺纹右侧面）
N10 G01 W0.1 （螺纹精车刀向右偏移0.1mm）
N20 G76 C1 A30 X28.69 Z-65 K3.5 U0.05 V0.1 Q3.5 F12
N30 M99
3) 梯形螺纹粗加工后修光侧面所需的Z向总偏移量的确定方法
在梯形螺纹的实际加工中，由于刀尖宽度并不等于牙槽底宽，所以粗加工后，需要用精车刀作Z向偏移来修光两侧面。使得螺纹中径达到尺寸要求。梯形螺纹常用三针测量法作精密测量，如图6所示。精加工所需的Z向总偏移量的计算方法如图7所示。
图6 梯形螺纹的三针测量法
图7 Z向总偏移量计算方法示意图
计算如下：
设M实测- M理论=2AO1=δ，则AO1=δ/2
公式中：M实测——公法线千分尺两量针顶点间距离M的实测值
M理论——公法线千分尺两量针顶点间距离M的理论值
如图7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向总偏移量EF=2AO2=δ×tan15°=0.268δ
设用直径为3.1mm的测量棒测量中径，则
M理论=d2+4.864dD-1.866P=32.88mm
公式中： d2——梯形螺纹中径
dD——测量用量针的直径
P ——梯形螺纹螺距
通过三针测量法测量粗加工后的梯形螺纹，读出公法线千分尺两量针顶点间距离M的实测值M实测，根据前面计算出的该距离的理论值M理论，进一步计算出M实测与M理论的差值，从而精确确定修光侧面所需的Z向总偏移量。据此确定两个子程序的调用次数，使得左右偏移量的和等于Z向总偏移量。
三、数控车削梯形螺纹时出现崩刀后重新加工避免乱扣的措施
在数控车床上加工梯形螺纹，如果出现崩刀、断刀现象，换刀并按正常方法对刀后直接调用原程序加工的话，很容易出现乱扣的问题。因为在螺纹切削过程中，不能使用进给保持功能，所以不能象在普通车床上车削螺纹换刀后对刀一样，在切削过程中停机对刀，但普通车床上车削螺纹时的换刀操作原理，可以供数控车削螺纹时参考。重新加工时要避免乱扣，就要在换刀后先按正常方法对刀，然后将X向磨损（刀补）增加约两个牙型高度（直径编程），运行程序，车刀开始在牙槽外走刀，并最终切入很浅的一刀。目测车刀与牙槽的相对位置，通过不断修改Z向的磨损（刀补），直到车刀与牙槽完全对正，再把X向磨损（刀补）改回换刀前的原值，重新调用程序加工。具体操作方法如下：
1、改变X向磨损（刀补），运行程序，车刀在牙槽外空走。
在刀偏表中精车刀刀号对应的X向磨损（刀补）处，输入稍大于两个牙型高度值8mm（直径编程），运行程序，车刀在接近工件表面空走。此时大致可以观察到车刀是偏左还是偏右，偏移值大致是多少。
2、反复设Z向磨损（刀补），稍减X向磨损（刀补），运行程序，直到车刀与牙槽完全对正。
根据前面的观察结果，在刀偏表中精车刀刀号对应的Z向磨损（刀补）处初设Z向磨损（刀补），并稍减X向磨损（刀补）为6.68mm，运行程序，车刀开始在牙槽外走刀，并最终切入很浅的一刀。观察车刀与牙槽的相对位置，再反复设Z向磨损（刀补），直到车刀与牙槽完全对正。
3、重设X向磨损（刀补）为换刀前的数值，前面设定的Z向磨损（刀补）不变，运行程序正常加工，就可以很好地解决乱扣的问题。
四、结束语
在数控车床上加工多线梯形螺纹，可以解决用普通车床加工时精密分线的难题，用文中所述的编程方法可以加工出高精度的多线梯形螺纹。文中所述的遇到崩刀或断刀现象重新换刀后的操作方法，能有效避免重新加工时出现乱扣现象，保证了数控车削加工多线梯形螺纹的优势。
致谢
本文在撰写的过程中，得到了江门市高级技工学校李国东老师及广东省国防科技技工学校唐红权老师的具体指导，并对论文的修改提供了宝贵的意见，谨此表示致谢。
参考文献:
蒋增福主编：《车工工艺与技能训练》，高等教育出版社 1998
谢晓红主编：《数控编程与加工技术》，电子工业出版社 2005
华中数控股份有限公司工程技术研究中心主编：《世纪星车床数控系统HNC—21/22T编程说明书》， 2003
多线梯形螺纹的数控车削加工.doc
