数控车削圆柱外螺纹加工工艺及编程分析——以fanuc0i系统为例

苏兆兴，陈之林

(淮北职业技术学院机电工程系，安徽　淮北　235000)



数控车削圆柱外螺纹加工工艺及编程分析——以fanuc0i系统为例

苏兆兴，陈之林

(淮北职业技术学院机电工程系，安徽淮北235000)

摘要：圆柱形外螺纹是日常生活中常见的一种螺纹，在机械装备中应用比较广泛。我们通常熟悉的螺纹加工方法很多，但最为常见的就是螺纹车削加工。为了提高零件的加工速度和加工质量，现代化机械加工更多采用了数控车削螺纹的方式进行加工。而基于fanuc0i系统的螺纹加工编程指令有G32、G92、G76三种，通过对圆柱外螺纹进行工艺分析，通过G32、G92、G76三种不同的编程比较，得出当加工螺距<3mm的螺纹，采用G32指令加工的螺纹精度较高，而采用G92指令属于矩形循环加工方式，其程序简化；G76更适用于大螺距螺纹的加工，一般情况加工先采用G76指令粗加工后续采用G32指令或者G92指令精加工更为合理。

关键词：数控车削；圆柱外螺纹；加工工艺；编程

圆柱形外螺纹是日常生活中常见的一种螺纹，在机械装备中应用比较广泛。螺纹加工方法很多，如车削螺纹、铣削螺纹、磨削螺纹、研磨螺纹等，鉴于机械零件加工精度和经济性综合考虑，最为常见的方法为螺纹车削加工。目前基于fanuc0i系统的螺纹加工编程指令有G32、G92、G76三种，本文将就以上三种螺纹加工编程指令进行实例比较，分析其在加工应用中的优劣。

1车削圆柱外螺纹的加工工艺分析

螺纹加工由于刀具刀尖半径小，进给量大和切削深度小，因此不能一次加工完成，而是需要多次走刀、每次逐渐增加螺纹深度，最后一次走刀加工出合格的螺纹(见图1)，每次走刀的轨迹相同，由四个基本运动完成一次加工循环，只是螺纹数据有所变化。

螺纹加工运动由P→1→2→3→4→P，完成一次循环。加工圆柱螺纹时，该循环轨迹为一矩形。P为螺纹循环加工的起始点，通常是螺纹X轴和Z轴安全空隙的交点，必须定义在工件外，但又必须靠近工件。也就是说在编制螺纹加工程序时，必须考虑螺纹加工点的深度和起始位置。

螺纹加工运动有以下四种运动构成。螺纹加工运动1：使螺纹从起始点P到达螺纹加工深度。 加工螺纹时， 不能一次性将螺纹加工成型，这样会产生过大的切削力，损坏刀具或工件。可以根据螺纹的牙深(经验公式： 牙深=0.65×螺距)来分配每次切削的深度， 前两刀切削深度可以选择大些， 随着切削的加深和切削力的增大， 切削深度也应该相应的减少。 建议切削深度按牙深的1/2， 1/4，1/8，1/16…来分配，为了保证螺纹的表面质量，最后精车1～2刀(X向尺寸不变)。本例中，螺纹尺寸为M16×1.5，牙深0.65×1.5=0.975 mm，切削深度如表1所示。

表1　螺纹切削深度分配

螺纹加工运动2：确定Z轴方向的间隙需要一些特殊考虑。由于螺纹加工的进给量等于螺纹导程，所以在螺纹刀接触工件之前，其速度必须达到100%的编程进给量，否则会引起导程误差。因此要在螺纹的起点补偿δ1的切入空刀量。便于达到编程进给量。同样，在螺纹的终点处需补偿δ2退出空刀量，以消除导程误差(见图1)。编程时δ1和δ2可利用下式进行估算：

δ1=3nF/1800，δ2=nF/1800

式中：n为主轴转速，r/min；F为螺纹导程，mm。

本例如图2所示，螺距F=1.5 mm，主轴转速n=720 r/min。则

δ1=3×720×1.5/1800=2(mm)，

δ2=720×1.5/1800=0.6(mm)，取δ1=2mm(此值即为P点X向坐标值)，δ2=1mm，则螺纹终点的Z坐标值为-16。

螺纹加工运动3：完成螺纹直径加工后，刀具快速撤离螺纹并返回X轴安全位置。

螺纹加工运动4：刀具快速返回起始点。

螺纹加工运动1、3和4 可以由G00完成，而运动2是螺纹加工的直线运动，但它不能使用G01，如果使用GO1，则每次螺纹加工的起点将不能与前一次加工的起点保持一致。通常用专用的螺纹切削G指令代码替代G01。

2加工使用指令及编程

2.1　G32单步切削

功能：加工恒距为F(或K)圆柱螺纹、圆锥螺纹、单线螺纹、多线螺纹以及多段连续螺纹等内外螺纹。

格式：G32X(U)-Z(W)-F-Q-；

X(U)、Z(W)：螺纹终点坐标(或螺纹终点相对于循环起点P的有向距离)

F或K：螺纹的导程，导程=螺距×线数

Q：多线螺纹切削时螺纹的起始角，增量是0.001。

编程

N20 G00 X16.0 Z2；

N30 G00 X15.2；

N40 G32 Z-16 F1.5；第一刀

N50 G00 X20.0；

N60 Z2；

N70 G00 X14.8；

N80 G32 Z-16 F1.5；第二刀

N90 G00 X20.0；

N100 Z2；

N110 G00 X14.4；

N120 G32 Z-16 F1.5；第三刀

N130 G00 X20.0；

N140 Z2；

N150 G00 X14.2；

N160 G32 Z-16 F1.5；第四刀

N170 G00 X20.0；

N180 Z2；

N190 G00 X14.1；

N200 G32 Z-16 F1.5；第五刀

N210 G00 X20.0；

N220 Z2；

N230 G00 X14.05；

N240 G32 Z-16 F1.5；第六刀

N250 G00 X100.0；

N260 Z100；

N270 M30；

2.2　G92单一切削循环指令

功能：对圆柱螺纹和圆锥螺纹进行循环切削。每执行一次，螺纹切削自动进行一次循环，完成螺纹加工的四个基本运动。

格式：G92X(U)-Z(W)-R-F-

X(U)、Z(W)：螺纹终点坐标(或螺纹终点相对于循环起始点P的有向距离)

F：螺纹导程，导程=螺距×线数

R：螺纹终点到起点的半径向量值，符号为差值符号

编程

N20 G00 X16.0 Z2；

N30 G92 X15.2 Z-16 F1.5； 第一刀

N40 G92 X14.8 Z-16 F1.5； 第二刀

N50 G92 X14.4 Z-16 F1.5； 第三刀

N60 G92 X14.2 Z-16 F1.5； 第四刀

N70 G92 X14.1 Z-16 F1.5； 第五刀

N80 G92 X14.05 Z-16 F1.5；第六刀

N90 G00 X100.0；

N100 G00 Z100.0；

N110 M30；

2.3　G76螺纹复合切削循环指令

采用G76指令进行螺纹切削复合循环加工，其加工轨迹如图3所示。

功能：加工形状为圆柱或圆锥的内外螺纹。只需给出螺纹高度k，第一次切削深度Δd和最小螺纹加工深度Δdmin，切削进刀深度可自动设定。

格式：

G76P(m)(r) (α)Q(dmin)R(d)；

G76X(U)Z(W)R(i)P(k)Q(d)F(L)；

m精加工次数(模态值)，必须用两位数设定，范围01～99，每档0.1；r螺纹尾部斜向退刀量(模态值)，范围00～99；α螺纹角(模态值)，只能等于80°、60°、55°、30°、29°及0°；Δdmin最小螺纹加工深度(模态值)，用半径值表示，μm；d精加工余量(模态值)，mm。

X(U)、Z(W)绝对编程时，为螺纹终点在工件坐标系下的坐标，增量编程时，为螺纹终点相对于起点P的有向距离。

i车主螺纹时，螺纹终点到起点的半径差值。若i=0或省略，则表示车削圆柱螺纹Δd第一切削深度，以正值半径值表示；k螺纹的牙深，μm；Δd为第一次切深，μm；L螺纹导程等于螺纹加工的进给量，mm。

编程

N20 GOOX20.0 Z2；

N30 G76 P011160 Q0.05 P10.05 R0.2；

N40 G76 X14.05 Z-16.0 P0.975 Q0.4 F1.5；

N50 U0 W0 M09；

N60 M30；

2.4　各种螺纹加工指令的特点

G32为单步切削的缺点是程序过长、难以编辑、容易出错并且占用内存，但它的所具有的优点是程序员可以控制螺纹编程过程，可以对螺纹的切削次数和每次的走刀深度进行调整。G92为单一循环指令加工螺纹，每执行一次，螺纹切削自动进行一次循环，完成螺纹加工的四个基本动作，简化了编程，也可以对螺纹的切削次数和每次的走刀进行调整。而G76为螺纹复合循环指令可以使编程更加优化，一条指令就可以完成螺纹的多次循环，并且不需要选择螺纹刀每次走刀深度。

3结论

1) 为了保证切削螺纹的质量，采用G32和G92指令编程时，背吃刀量一般应随着切深的增加而减小；

2) 为了克服电动机启动提速和结束后的降速引起很大的误差，所以在螺纹切削之前要留有合理的距离δ1和切削结束后的距离δ2；

3) G32切削圆柱螺纹时采用的是直进式进刀，所以刀刃两侧切削力增大，切屑难排出，切削螺纹时要避免使用恒线速切削，不然会引起螺距误差，此外，刀具沿X轴和Z轴移动和切削加工都是按照数控语言编程G代码相关命令执行的，所以程序较长；但是适合加工螺距P<3 mm的螺纹，其加工的螺纹的牙型精度较高。

4) G92切削圆柱螺纹也是采用直进式切削，走刀轨迹也是采用类似于G32编程加工，但是它属于矩形循环加工，比起G32指令简化了程序，实际加工中经常采用此种编程方式加工螺距P<

3 mm的螺纹；

5) G76切削圆柱螺纹采用的是单面刃切削加工的方法，切削深度采用递减式，所以切削力较小，排屑容易，但容易受伤的刀刃可能导致螺纹面不直，牙型精度较差，适合于加工大螺距螺纹，一般小螺距螺纹不推荐使用。

6) 一般情况下，加工圆柱螺纹时，首先采用G76进行粗加工，然后再用G32和G92进行精加工，不过此时应该保证加工起始点有很高的重合度，不然会引起螺距误差，影响螺纹加工精度。

参考文献：

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[4]孟少农.机械加工工艺手册(第1卷)[M].北京：机械工业出版社，1995.

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Process and Programming Analysis of Cylindrical External Thread Machining in NC Turning ——Taking Fanuc0i System as An Example

SU Zhao-xing, CHEN Zhi-lin

(Department of mechanical and electrical engineering, Huaibei Vocational and Technical College, Huaibei Anhui 235000, China)

Abstract:Cylindrical external thread is a common thread in daily life, and widely used in machinery and equipments. There are a lot of the common thread processing methods, in which the thread turning process is the most common. In order to improve the machining speed and machining quality of parts, in modern mechanical processing the numerical control turning method is more commonly used for thread turning processing. There are 3 thread process programming instructions G32, G92, G76 for fanuc0i system. On the basis of analysis of cylindrical external thread machining process and comparison of the 3 different programming instructions, it was concluded that for processing thread with pitch<3mm, thread machining precision with G32 instructions is better, and machining with G92 instructions belong to the rectangular loop processing method, and its programming is simplified. Machining with G76 is more suitable for the large pitch screw thread processing, generally processing with G76 instruction for rough machining at first, and then finishing with G32 or G92 instructions is more reasonable.

Key words:numerical control turning; cylindrical external thread; processing technology; programming

作者简介：苏兆兴(1977-)，男，安徽濉溪人，副教授，硕士，研究方向：机械制造及自动化。

基金项目：安徽省质量工程基金资助项目(2014jyxm502)；淮北职业技术学院教学团队基金资助项目(20131)；淮北职业技术学院教学研究基金资助项目(201312)

收稿日期：2015-03-30

中图分类号：TG659

文献标志码：A

文章编号：1672-1098(2015)04-0061-04