数控车削螺纹常见问题与解决方法

2014-04-10东北大学工程训练中心辽宁沈阳110004张立君张树军刘春城张国斌

金属加工(冷加工) 2014年5期

东北大学工程训练中心(辽宁沈阳 110004）张立君张树军刘春城刘悦张国斌

车削螺纹的效率与滚丝、搓丝等先进工艺加工相比是很低的，但是在中小批量生产螺纹时通常还是采用车削完成。螺纹车削历来是难加工技术之一，随着数控机床的普及，现在已经广泛使用数控车床加工螺纹，降低了对操作者操作技能的要求，提高了加工效率和精度。但是由于受螺纹结构的特殊性和工艺的复杂性影响，在其编程之外所涉及的诸多加工因素，使得螺纹数控车削时依然易出现下列质量问题:

(1)加工螺纹时走刀次数多、刀具易磨损，使得牙型的尺寸、形状精度和表面粗糙度不易保证。

(2)加工大导程和难加工材料螺纹时问题尤为突出。

(3)加工大导程螺纹切削力大，易导致工件移位且编程难度大。

(4)影响螺纹尺寸计算的因素多，使螺纹易出现配合问题。

(5)车削长度较长螺纹，由于刚性差，易出现振动和变形，导致螺纹表面精度和圆柱度超差。

造成上述问题的主要原因是:刀尖及切削刃与工件轴线的位置要求十分严格;加工一条螺纹需要多次走刀，螺纹切削时切削速度快，径向和轴向切削力大，刀尖工作条件恶劣，刀尖受结构和角度限制，切削部分强度低，极易破损，使得刀具寿命低;由于是成形加工，螺纹牙型正确与否完全依赖于刀尖形状，而刀尖的磨损、崩刃和扎刀都影响螺纹牙型和中径、小径尺寸;螺纹工件的安装要求高;螺纹加工前需要对螺纹尺寸和刀具几何角度进行复杂的计算。

针对上述问题，需要研究出合理的数控车削螺纹技术，才能高效、稳定地加工出合格的螺纹产品。

1.正确制定加工方案

车削螺纹时会产生较大的切削力，使零件变形和移位，因此螺纹的加工应安排在其他加工内容的粗加工之后、精加工之前完成。考虑螺纹再加工时重新对刀困难、容易乱扣的问题，螺纹应在一次装夹中完成。除加工大导程、精度高的传动螺纹外，应在一次换刀中完成螺纹加工。

车削多线螺纹时，为避免螺纹倒牙和零件转动或移位而导致分头误差，应该先粗车所有螺纹并留有适当的余量，再分别进行精车，以保证螺纹的螺距和分头精度。

切槽和倒角一定要在螺纹加工前完成。

使用切削液不仅有利于断屑，还可以避免材料软化形成积屑瘤，可以非常有效地减少零件热伸长和变形，明显降低牙型的表面粗糙度值，提高刀具耐用度。螺纹刀具在车削时，切削速度高，切屑从工件上切除的瞬间温度极高，即使用切削液，如果切削液的渗透性不好或压力不够，切削液不能充分渗透到切削区，刀具的使用寿命仍然受到影响。所以一定要使用渗透性好、润滑效果显著的切削液;低速精加工黑色金属材料螺纹时，选用活性极压切削油或减摩切削油;低速精加工有色金属螺纹时，选用非活性极压切削油;高速加工时，选用水基切削液为宜，以避免使用切削油时产生油烟等问题。使用时应该大流量大流速连续浇注，不仅能够对刀具和零件进行充分的润滑，也能冲走堆积在螺纹牙槽内的细小切屑。

2.合理确定螺纹的进刀方式、对刀方法和螺纹加工起点

螺纹切削的进刀方式不同会影响切屑的形状和流出方向、刀具的使用寿命、螺纹的表面质量，合理选择进刀方式是保证螺纹质量的最重要因素，它由导程、零件材料、螺纹精度等条件决定。

(1)径向进刀切削时刀刃的两侧都担负切削任务，形成V形切屑，较大的切削力和较差的切削条件极易加剧刀具磨损，易扎刀。所以只适合高速切削小螺距螺纹。

(2)斜向进刀该方式以单刀刃切削，形成卷曲状的切屑流向螺纹的待加工部分，断屑效果较好，能够保护已加工螺纹，切削力小，不易扎刀，但牙型精度差。适合切削塑性材料及导程较大、长度较长的螺纹。

(3)左右交替进刀切削时，刀刃按一左一右方式交替切削，刀片能够获得均匀的磨损和较长的寿命。适合加工牙型较深的大导程螺纹。

数控机床编程通常都以刀尖对刀，以利于编程计算。用螺纹刀尖对刀时，如果螺纹结束处有台阶，还要考虑刀片宽度对台阶的影响，否则就会使刀片或刀杆与工件台阶碰撞，出现这样的问题零件和刀具就会报废。应对的方法一是使用适宜宽度的刀片，并准确测量刀片宽度;二是用刀片进刀方向的一侧作为Z轴方向的对刀点，该方法能够有效避免与台阶碰撞，但要考虑刀尖与顶尖和尾座的位置。

螺纹加工起刀点位置的设置，首先要保证安全，X轴方向应留的最小距离约为2.5mm，以利于降速，否则螺纹径向尺寸难以保证。Z轴方向的距离需要保证刀具接触工件时其速度必须达到100%的编程进给率，否则距离太短，机床加速没有完成，结果得到的是有缺陷甚至不能用的螺纹。所以在加工精度高的螺纹时，起点位置应该是2～3倍导程的距离。但在实际加工小直径螺纹且需要使用顶尖支撑时，按上述距离，刀尖有可能与顶尖碰撞，可以适当降低主轴转速来解决。

起刀点还要考虑螺纹的旋向、螺纹车刀的安装方法、主轴的旋转方向和刀架的位置，否则就会车出旋向相反的螺纹。以后置刀架车床车削右旋螺纹时，若刀尖向上，螺纹刀应从左向右走刀。在没有退刀槽时，应使用刀尖向下的右手螺纹刀，螺纹刀从右向左走刀。

3.选择适宜的螺纹加工指令

通常每个数控系统都提供了几种螺纹指令供编程者选择，以 DASEN—3i数控系统为例 (下同)，有单一螺纹切削指令G32、固定循环指令G92和复合循环指令G76。在车削端面螺纹、连续螺纹时，使用G32指令。车削小螺距 (P≤2mm)或软材料时，使用G92指令。加工较硬材料或大螺距的螺纹，建议使用G76复合循环指令。与单一和固定螺纹指令相比，使用G76复合循环指令，系统能够进行内部逻辑计算，无论多大的螺距，只需编写一、二段程序或在循环指令中输入相关数据，就能够生成程序，程序占用内存少，具有开放性和灵活性，易于修改。其螺纹指令格式如下:

其中A(a)为螺纹牙型角度变量参数，在需要刀具以直进方式切削时，将其输入为“0”;在需要刀具以斜进方式进刀时，将其输入为“30”、“60”等时，刀具按其输入的数字以斜进方式进刀，使刀具负载小，排屑容易，并能使背吃刀量逐次递减，保持恒定的切削面积，使刀具每次切削时的受力一致，能够显著提高刀具的使用寿命。并可以根据牙型、材料和精度选择精加工次数“m”，使刀具同时双刃微量切削，保证螺纹牙型正确。在FANUC系统10T、11T、15T版本的G76复合指令和SIMENS—802D系统的CYCLE97螺纹循环指令中，还可以通过参数设定是斜向进刀还是左右交替进刀，还可以设定是恒定背吃刀量还是恒定切除截面积加工类型。车削多线、大导程或异型螺纹可以使用宏程序编程。采用宏程序最主要的是可以分层切削并合理分配刀径的变化和切削层的切削用量，能够有效降低刀具磨损和崩刃的机率，提高加工精度。但编写和输入程序的工作量大，出现错误的概率较大且检查和修改程序过程繁琐。

4.准确计算螺纹的尺寸

(1)螺纹相关尺寸的计算方法螺纹车削的目的，最关键地是能与另一个螺纹联接，满足旋合精度要求，否则螺纹加工就没有意义。所以首先要根据螺纹的几个要素 (公称直径、导程、牙型、线数、旋向)计算螺纹和刀具的相关尺寸。使用螺纹量规测量时，G32、G92指令只需要计算螺纹的小径d1，G76指令需要计算螺纹的牙型高度h和螺纹小径d。其中螺纹中径d2是影响螺纹联接配合松紧的最主要尺寸，而中径是指一个螺纹上牙槽宽与牙宽相等位置的直径，其大小是由螺纹牙的“肥瘦”(或者说螺纹槽的宽窄)所决定的。两个大径、小径均相同的螺纹，牙“瘦”的螺纹 (刀尖圆弧半径大)中径就小;牙“肥”的螺纹 (刀尖圆弧半径小)中径就大。所以中径的大小与螺纹的大径和小径并无关系，而与刀尖圆弧半径有关。计算小径时应考虑刀尖圆弧半径对中径的影响。数控车削普通螺纹多采用螺纹车刀刀尖作为对刀位置，其中机夹可转位刀片的刀尖圆弧半径R值，一些生产厂家是由螺距和螺纹的类型、精度决定的。由于外螺纹牙顶到标准三角形底的尺寸是K=7/8H=0.7578P，因此数控车削普通螺纹时，牙型高度的计算公式为h=K－R=0.7578P－R，螺纹小径d1=D－2(0.7578P－R)。

为了保证螺纹配合后牙顶有适当的间隙，以及避免高速切削塑性材料螺纹时，受刀具挤压作用使得外螺纹的大径d膨胀增大、内螺纹的小径缩小的问题，车削外螺纹前的外圆直径要比螺纹大径小，其值等于螺纹公称直径减去0.13P(螺距);车削内螺纹时，内螺纹的孔径要比小径略大些，车削塑性材料的内螺纹孔径D孔≈d－P;脆性材料的内螺纹孔径D孔≈d－1.05P。

(2)圆锥螺纹圆锥半径差的计算问题车削螺纹时，为了避免螺纹升速、降速时螺距不一致的问题，编程时要加入导入、导出距离。对于圆锥螺纹，加入导入、导出距离后，螺纹起点、终点的坐标变化对圆锥半径有影响，编程时一定要重新计算圆锥半径值。

5.选择合理可靠的零件及刀具安装方法

螺纹零件安装时要考虑零件本身的刚性，可使用卡盘+顶尖等，以增加零件刚性，减少振动、变形、移位和打滑。为了保证装夹牢固，最好不使用两顶尖+鸡心夹头的方式装夹，以免出现意外。车削牙型较深或硬度高、强度大的螺纹时，切削力较大，零件必须夹紧，并且要有可靠的轴向定位，一般使用零件的台阶或使用轴向定位装置。在车削图1所示的螺纹时，毛坯与工件等长，没有装夹余量，螺纹需要调头装夹时，采用三爪卡盘+螺纹开口套或对开专用夹具 (见图2)装夹，能够避免夹坏螺纹，满足同轴度精度要求。

图1

图2

在安装螺纹车刀时要尽量减少伸出长度，防止刀杆刚性不足而产生振动。为了减少装刀左右歪斜现象，通常使用对刀板校正刀尖的安装位置，以保证牙型准确对称。为了避免“扎刀”现象，粗车、半精车时理想的刀尖位置比工件中心略高 0.1～0.3mm，精车时则应使刀尖和螺纹轴线等高。

6.确定合理的切削用量

数控车削螺纹，主轴转速n受机床允许的最大、最小转速，螺纹的导程P和公称直径、刀具、零件材料以及数控系统多重因素影响。主轴转速n与P值的乘积不得大于Z轴最大移动速度。一旦超过，有些系统就会报警;有些系统则会将导程变小，零件报废。另一方面，刀具切削部分在螺纹加工时的工作条件是非常恶劣的，不仅切削力大，而且摩擦剧烈，发热严重，刀具材料本身对切削速度也有一定的限制，转速要适当降低。切削铸铁等脆性材料时，为了避免螺纹表面受刀尖冲击“掉渣”影响牙型的完整性，转速也要比塑性材料低。切削高强度钢等难加工材料时，其转速要比一般中低硬度的塑性材料低一倍左右。

螺纹车削，需要多次重复切削完成，为了避免“扎刀”、崩刃，减少刀具磨损，每次切削时，应使刀尖承受的切削力一致，这样需要每次切削层的截面积一致。编程时每刀的背吃刀量ap要逐次减少。车削脆性材料时，由于其冲击力大于塑性材料，背吃刀量要小于塑性材料，切削次数要多于塑性材料，以避免螺纹“掉渣”，以保护牙型的完整性。切削硬度较高的难加工材料时，切削次数也要比45号钢增加1/3左右。

7.合理选择螺纹车刀

实际车削螺纹时，一旦刀具崩刃，需要重新更换刀片甚至重新对刀，在刀尖切削至崩刃处，由于切削层的突然变化，刀具极易再次崩刃。因此，刀具崩刃要比磨损带来的后果更严重，因此，在同类刀具材料中，应该优先选择韧性好的牌号，除了车削脆性材料外，数控车床可以充分使用切削液，使得切削热对刀具的影响大大降低，刀具的硬度和耐热性可以作为次要衡量指标，韧性作为首要指标。条件允许时，可以广泛使用细晶粒或超细晶粒的硬质合金、涂层硬质合金、TiC(N)基硬质合金 (金属陶瓷)。

螺纹加工中，由于螺纹升角的存在，使实际切削时的工作前角和后角发生了改变，实际生产中，一般车削小螺距螺纹时，因为小螺距螺纹的螺纹升角很小，工作后角改变不大，只要后角在正常范围(3°～5°)就可以正常切削，故可以不考虑螺纹升角。在车削大螺距螺纹或者多头螺纹时，螺纹升角大，为了保持刀头的强度，在不影响切削的情况下，沿切削方向的后角要加一个螺纹升角，沿已切削端的后角要减去一个螺纹升角。使用机夹可转位螺纹车刀时，其螺旋升角已经固定，在加工单头螺纹时对切削没有影响，在加工多头螺纹时其螺旋升角增大，所以在加工时要考虑螺纹升角的影响。可以通过改变装刀角度来改变实际的工作前角。在加工中可以采用法向装刀的方法，刀具的基面与轴线成螺纹升角的角度，使车刀两侧切削刃组成的平面垂直于螺旋线装夹平面。这时两侧刀刃的工作前角都为0°，可以消除螺纹升角的影响，保持两侧切削顺畅。但这样会影响牙型的准确性，精加工时不宜采用。车削螺纹的特点是不允许断续切削，在高速车削强度高、韧性大、螺纹长度较长的塑性材料螺纹时，断屑在编程和选择刀具切削角度时是必须重点考虑的问题，切屑呈带状流出时，不仅可能会损坏刀具、零件，更会带来人身安全问题。除选择断屑效果较好的G76指令外，还要选择断屑效果好的刀具，例如车刀的前刀面不是平面，加工较软材料时，选择凹型前刀面。加工较硬材料时，选择凸型前刀面或切削刃刃磨出圆弧或负倒棱，机夹可转位刀片可以选择前刀面有凹点或凸点的三维复合断屑刀片，都能起到较好的断屑效果。

8.使用编程技巧

在加工较长的螺纹时，由于尾座顶尖与主轴轴线不同心，将会导致螺纹形成圆锥轮廓。在实际加工时，手动调整尾座顶尖与主轴轴线的同轴度一丝不差较为困难。在测得圆锥差后，可以按逆向加工方法通过编程解决。例如，加工如图3所示的圆柱螺纹时，如果出现左大右小的情况，螺纹将出现不能配合的问题，重新装夹加工十分困难。此时，在测得圆锥差值后，按左小右大的轮廓以车削圆锥螺纹的方法编程来解决上述问题。为了避免螺纹加工结束后或零件卸下后，由于螺纹刀刃磨损或崩刃导致螺纹联接不上的问题，在螺纹加工指令后，编写一次“M00”暂停指令或“M01”选择停指令用于检查螺纹是否能够旋合，如果不能旋合，在调整刀补后，搜寻到螺纹切削指令的程序段重新进行螺纹车削，直至螺纹合格。