浅析FANUC系统数控车床加工双线螺纹
浅析FANUC系统数控车床加工双线螺纹
摘要：在现代工业生产中，利用数控车床加工螺纹，能大大提高生产效率、保证螺纹加工精度，减轻操作工人的劳动强度。下面通过对螺纹零件的实际加工分析，阐述多头螺纹的加工步骤和方法。
关键词： 双线螺纹，加工方法，初始角，控制因素
螺纹的基本特性
螺纹：在圆柱或圆锥母体表面上制出的螺旋线形的、具有特定截面的连续凸起部分。
双线螺纹：沿两条在轴向等距分布的螺旋线形成的螺纹，称双线螺纹。
螺纹按其母体形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹；按其在母体所处位置分为外螺纹、内螺纹，按其截面形状（牙型）分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹及其他特殊形状螺纹（如图1），三角形螺纹主要用于联接，矩形、梯形和锯齿形螺纹主要用于传动；按螺旋线方向分为左旋螺纹和右旋螺纹，一般用右旋螺纹；按螺旋线的数量分为单线螺纹、双线螺纹及多线螺纹；联接用的多为单线，传动用的采用双线或多线。
图1
多线螺纹旋转一周时，能移动单线螺纹的几倍螺距，所以多线螺纹常用于快速移动机构中。判定螺纹的线数，可根据螺纹尾部螺旋槽的数目（见图2-a），或从螺纹的端面上判定螺纹的线数（见图2-b）。
图2-a
图2- b
2、加工方法
螺纹的加工，随着科学技术的发展，除采用普通机床加工外，常采用数控机床加工。这样既能减轻加工螺纹的加工难度又能提高工作效率，并且能保证螺纹加工质量。数控机床加工螺纹常用G32、G92和G76三条指令。G32和G92的直进式(径向进刀)切削方法,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。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。G32由于其刀具移动切削均靠编程来完成,所以加工程序比较冗长(每次进刀加工至少需要4个程序段,若螺纹加工时用斜线退刀,则需要5个程序段);由于刀刃容易磨损,因此加工中要做到勤测量。G92较G32它简化了编程,指令提高了效率。一条语句相当于G32四条语句,使编程语句简洁。在G76 螺纹切削循环中,螺纹刀以斜进的方式进行螺纹切削,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。
在普通车床上进行多头螺纹车削一直是一个加工难点：当第一条螺纹车成之后，需要手动进给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，再依次加工其余各头螺纹。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，多头螺纹的导程和螺距难以达到很高的精度。而且，在整个加工过程中，不可避免地存在刀具磨损甚至打刀等问题，一旦换刀，新刀必须精确定位在未完成的那条螺纹线上。这一切都要求操作者具备丰富的经验和高超的技能。然而，在批量生产中，单靠操作者的个人经验和技能是不能保证生产效率和产品质量的。
在制造业现代化的今天，高精度数控机床和高性能数控系统的应用使许多普通机床和传统工艺难以控制的精度变得容易实现，而且生产效率和产品质量也得到了很大程度的保证。
螺纹的测量
螺纹的主要测量参数有大径、小径、螺距和中经尺寸。
3.1 大、小径的测量
外螺纹的大径和内螺纹的小径的公差一般较大，可以使用游标卡尺或千分尺测量。
3.2 螺距的测量
螺距一般可以使用钢直尺或螺距规测量。由于普通螺纹的螺距一般较小，所以采用钢直尺测量时，最好测量10个螺距的长度，然后除以10，就可以得出一个较正确的螺距尺寸。
3.3中经的测量
对于精度要求较高的螺纹，可以使用外螺纹千分尺直接测量，所测得的千分尺的读数就是该螺纹中经的实际尺寸；也可以使用“三针”法进行间接测量（三针测量法仅适用于外螺纹的测量），但需通过计算后，才能得到其中径尺寸。
3.4综合测量
综合测量是指用螺纹塞规或螺纹环规的通、止规综合检查内、外普通螺纹是否合格。使用螺纹量规时，应按其对应的公差等级进行选择。
4、实例分析
现以FANUC 0i-Mate-TC系列数控车床，加工螺纹M30×3/2-5g6g为例（图2），说明多头螺纹的数控加工过程:
（图2）
工件要求：螺纹长度为25mm，两头倒角为2×45°、牙表面粗糙度为Ra3.2的螺纹。采用的材料是为45#圆钢坯料
4.1准备工作
通过对加工零件的分析，利用车工手册查找M30×3/2-5g6g的各项基本参数：该工件是导程为3mm纹且螺距为1.5(该参数是查表的重要依据)的双线螺纹；公称直径为30，公差带为6g，查得其尺寸上偏差为-0.032、下偏差为-0.268，公差有0.236，公差要求较松；中径为29.026，公差带为5g，查得其尺寸上偏差为-0.032、下偏差为-0.150，公差为0.118，公差要求较紧；小径按照公称直径减去车削深度确定。螺纹的总背吃刀量ap与螺距的关系按经验公式ap≈0.65P，每次的背吃刀量按照初精加工及材料来确定。
公称直径是车削螺纹毛坯外圆的编程依据，中径是螺纹尺寸检测的标准和调试螺纹程序的依据，小径是编制螺纹加工程序的依据。两边留有一定尺寸的车刀退刀槽。
4.2正确选择加工刀具
螺纹车刀的种类、材质较多，选择时要根据被加工材料的种类合理选用，材料的牌号要根据不同的加工阶段来确定。对于45#圆钢材质，宜选用YT15硬质合金车刀，该刀具材料既适合于粗加工也适合于精加工，通用性较强，对数控车床加工螺纹而言是比较适合的。另外，还需要考虑螺纹的形状误差与磨制的螺纹车刀的角度、对称度。车削45钢螺纹，刃倾角为10°，主后角为6°，副后角为4°，刀尖角为59°16’，左右刃为直线，而刀尖圆弧半径则由公式R=0.144P确定(其中P为螺距)，刀尖圆角半径很小在磨制时要特别细心。
5、多头螺纹加工方法及程序设计
多头螺纹的编程方法和单头螺纹相似，采用改变切削螺纹初始位置或初始角来实现。假定毛坯已经按要求加工，螺纹车刀为T0303，采用如下两种方法来进行编程加工。
5.1用G92指令来加工圆柱型多头螺纹
G92指令是简单螺纹切削循环指令，我们可以利用先加工一个单线螺纹，然后根据多头螺纹的结构特性，在Z轴方向上移过一个螺距，从而实现多头螺纹的加工。(工件原点设在右端面中心)
O1122;
……
M03 S300 T0303;
G00 X32 Z3;（第一条螺纹线，切削螺纹初始位置）
G92 X29 Z-27 F3;
X28.5;
X28.3;
X28.15;
X28.05;
G00 X32 Z4.5;（第二条螺纹线，在Z轴方向上偏移一个螺距）
G92 X29 Z-27 F3;
X28.5;
X28.3;
X28.15;
X28.05;
G00 X150 Z100;（刀具退离工件）
M30;（程序结束，并返回起始处）
5.2用G32指令来加工圆柱型多头螺纹
用地址Q指定主轴一转信号与螺纹切削起点的偏移角度，可以很容易的切出多头螺纹。
指令格式：
G32 X(U) Z(W) F Q
式中：X、Z——绝对尺寸编程的螺纹终点坐标(采用直径编程)。
U、W——增量尺寸编程的螺纹终点坐标(采用直径编程)
F——螺纹的导程
Q——螺纹起始角
程序：
O2233；
……
M03 S300 T0303;
G00 X32 Z4;
X29;
G32 Z-27 F3 Q0;（第一条螺旋线起始角为0°）
……
G00 X32 Z4;
X29;
G32 Z-27 F3 Q180000;（第二条螺旋线起始角180°）
……
M30;
6.多头螺纹加工的控制因素
在运用程序加工多头中，要特别注意对以下问题的控制：
6.1主轴转速S300的确定。由于数控车床加工螺纹是依靠主轴编码器工作的，主轴编码器对不同导程的螺纹在加工时的主轴转速有一个极限识别要求，要用经验公式S≦1200/P-80来确定(式中P为螺纹的导程)，S不能超过320r/min，故取S300 r/min。
6.2表面粗糙度要求。螺纹加工的最后一刀基本采用重复切削的办法，这样可以获得更光滑的牙表面，达到Ra3.2要求。
6.3批量加工过程控制。对试件切削运行程序之前除按正常要求对刀外，在FANUC数控系统中要设定刀具磨损值在0.3~0.6之间，第一次加工完后用螺纹千分尺进行精密测量并记录数据，将磨损值减少0.2，进行第二次自动加工，并将测量数据记录，以后将磨损补偿值的递减幅度减少并观察它的减幅与中径的减幅的关系，重复进行，直至将中径尺寸调试到公差带的中心为止。在以后的批量加工中，尺寸的变化可以用螺纹环规抽检，并通过更改程序中的X数据，也可以通过调整刀具磨损值进行补偿。
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