数控车加工螺纹的工艺分析

摘 要：随着我国数控技术的快速发展，螺纹加工作为数控车床的主要功能之一，在生产加工中也得到了广泛应用。不同数控系统中提供的螺纹加工指令在编写程序、加工效率、加工精度等方面具有各自的特点，针对不同的加工要求，需进行合理选择。现以华中世纪星（HNC-21T）系统为例，从尺寸确定、主轴转速、刀具装夹、进刀方式等方面对数控车削螺纹的方法进行分析。

关键词：数控车床;螺纹加工;工艺特点

0    引言

螺纹不但具有连接、紧固及调节功能，还可以用来传递动力，因此广泛应用于各种机械结构。虽然加工螺纹的方法很多，但车削加工仍占据很大的比例。与普通车床相比，使用数控车床加工螺纹，其加工精度、生产效率更高，但要车削加工出高质量的螺纹，还应注意以下几个问题。

1    相关尺寸的计算方法

使用数控车床加工普通螺纹时，需确定的相关尺寸[1]有加工外螺纹前的光杆尺寸、加工内螺纹前的底孔尺寸等，其计算方法如下：

1.1    加工外螺纹前的光杆直径的计算方法

在车削外螺纹时，若工件材质为塑性材料，在螺纹车削过程中受到车刀的挤压，会导致螺纹的大径尺寸胀大，因此在车削外螺纹前的光杆直径应比螺纹的公称直径略小，一般取：光杆直径=螺纹公称直径-（0.1～0.13）P，其中P为螺纹螺距。

1.2    加工内螺纹前的底孔直径的计算方法

在车削内螺纹时，同样由于底孔在车削过程中受到车刀的挤压，会导致底孔直径缩小，因此在车削内螺纹前的底孔直径应比螺纹小径略大，一般取：

（1）工件为塑性材料时：底孔直径=公称直径-P;

（2）工件為脆性材料时：底孔直径=公称直径-（1.05～1.1）P。

1.3    螺纹切削起始位置的确定方法

为避免出现螺纹“乱扣”[2]现象，在同一螺纹的切削过程中，螺纹切削起点的Z坐标应设定为固定值，同时Z坐标的设定还应考虑到引入距离。螺纹切削起点的X坐标应大于螺纹的公称直径。

（1）单线螺纹。螺纹切削一般为分层切削，为确保刀具每次分层切削时能切削到同一条螺纹上，需保证每次螺纹切削起点的Z坐标为同一坐标值。

（2）多线螺纹。华中系统采用圆周分度分线法，即保持各条螺纹切削起点的Z坐标不变，而改变螺纹切削起点在圆周的位置。双线螺纹圆周方向每隔180°加工一条螺纹线，三线螺纹圆周方向每隔120°加工一条螺纹线，以此类推。

1.4    螺纹切削最终进刀位置的确定方法

螺纹刀在X方向的最终进刀位置取决于螺纹小径，一般通过螺纹小径=螺纹大径-1.3P来计算，也可通过螺纹分刀表来确定。

1.5    引入/引出距离

伺服系统具有滞后性，在加工螺纹时，螺纹切削起始位置会出现“超前”现象，而螺纹切削终了位置会出现“滞后”[3]现象，导致所加工螺纹两端的螺距与加工要求不符，因此在螺纹切削起始位置应考虑刀具的引入距离δ1，在螺纹切削终了位置应考虑刀具的引出距离δ2。一般取δ1=1.5P，δ2=P;也可取经验值：δ1为2～5 mm，δ2为δ1的一半。对具有退刀槽结构的螺纹，δ2一般可取退刀槽宽度的一半。

2    主轴转速

在进行螺纹切削时，由于切削力较大，故车削螺纹时的转速不宜过高，大多数经济数控车床车削螺纹的主轴转速[4]可依据n<1 200/P-K来确定，其中K为保险系数，一般取80。同时，为保证螺距的精度，需保证主轴转速恒定，故不能采用G96恒线速度指令。

3    螺纹刀的安装要求

（1）螺纹刀的刀尖需与车床主轴轴线等高。若螺纹刀安装过高，当切削到一定深度时，刀具的后刀面会顶住工件，导致摩擦力增大，造成工件弯曲，甚至出现“扎刀”现象;若螺纹刀安装过低，则不利于切屑的排出。

（2）螺纹刀刀尖角的对称中心线必须与工件轴线垂直，否则将会导致螺纹牙型不正确。在安装螺纹刀时，可借助对刀样板来校正。

（3）螺纹刀的刀头伸出长度不能过长，一般约为刀杆厚度的1.5倍。若刀头伸出长度过长，则在加工过程中刀杆的颤动会导致螺纹表面粗糙度较差。

4    螺纹切削的进刀方式

数控车床加工螺纹时，刀具有3种进刀方式[5]：直进法、斜进法和左右切削法（图1）。

4.1    直进法

采用直进法加工普通螺纹时，螺纹刀沿X轴方向（横向）间歇进给至牙深处。在切削过程中，螺纹刀的两个切削刃始终参与切削，导致切削力较大，排屑困难，散热条件差，车刀容易磨损。当进刀量过大时，还可能产生“扎刀”现象，甚至折断刀具。因此，只有在刀具材料质量较好且螺距较小（一般为螺距P≤3 mm）的情况下，才能采用直进法（G32或G82指令）进行加工。

4.2    斜进法

采用斜进法加工普通螺纹时，螺纹刀沿牙型角方向斜向间歇进给至牙深处。此时，因螺纹刀始终只有一个侧刃参与切削，排屑比较顺利，但刀具受力不平衡，导致主轴转速不能提高，工件易发生颤动，尤其是在进行最后一次切削时，吃刀量较大，易产生毛刺。因此，斜进法适用于加工螺纹精度要求不高的工件，若加工的螺纹精度要求较高，在确保粗精车螺纹切削起始位置一致的条件下，可先采用G76进行粗车，再采用G32或G82完成精车，若粗精车螺纹切削起始位置不一致，则容易产生“乱扣”现象。

4.3    左右切削法

采用左右切削法加工普通螺纹时，在螺纹分层切削过程中，当每层螺纹切削行程终了后，下一层螺纹切削时螺纹刀不但要在X轴方向进给，还要沿Z轴方向朝左右两侧做微量“借刀”，这种进刀方式可提高牙型两侧的表面质量，由于数值计算量较大，常借助宏程序完成。

5    华中世纪星（HNC-21T）系统常用的3种螺纹加工指令

华中世纪星（HNC-21T）系统在进行螺纹加工时，常用以下3种方法：单行程螺纹切削指令G32、螺纹切削单一固定循环指令G82与螺纹切削复合循环指令G76。

5.1    单行程螺纹切削指令G32

指令格式：G32 X（U）    Z（W）    R    E    P    F。

指令字说明：X、Z为螺纹有效终点的绝对坐标;U、W为螺纹有效终点相对于螺纹切削起点的增量坐标;R为螺纹切削在Z轴方向的退尾量;E为螺纹切削在X轴方向的退尾量;P为主轴基准脉冲距离螺纹切削起点的主轴转角;F为螺纹导程。

G32指令可以用来加工圆锥螺纹、圆柱螺纹与端面螺纹，既可加工外螺纹，又可加工内螺纹。使用G32指令，在分层加工切削螺纹时，每层切削均需由X轴方向进刀（G00）、Z轴方向螺纹切削（G32）、X轴方向退刀（G00）與Z轴方向退刀（G00）4个程序段组成，因此使用G32指令编写的程序段较多。

5.2    螺纹切削单一固定循环指令G82

指令格式：G82 X（U）    Z（W）    I    R    E    C    P    F。

指令字说明：X（U）、Z（W）、R、E、F与G32指令中X（U）、Z（W）、R、E、F的含义相同;I为螺纹起点与螺纹终点的半径差;C为螺纹头数，单头（线）螺纹取0或1;P：单头螺纹切削时，为主轴基准脉冲处距离螺纹切削起点的主轴转角（缺省值为0），多头螺纹切削时，为相邻螺纹头的切削起始点之间对应的主轴转角。

由于G82指令为固定循环指令，在分层加工切削螺纹时，每层切削仅需调用一次G82，即可包含使用G32指令时的4个程序段，因此可以简化编程。

5.3    螺纹切削复合循环指令G76

指令格式：G76 C（c）R（r）E（e）A（α）X（x）Z（z）I（i）K（k）U（d）V（Δdmin）Q（Δd）P（p）F（l）。

指令字说明：x、z、i、F与G82指令中X、Z、I、F的含义相同;c为精加工次数;r为螺纹Z轴方向退尾量;e为螺纹X轴方向退尾量;α为刀尖角度，根据螺纹牙型一般在80°、60°、55°、30°、29°和0°六个角度中选取;k为螺纹高度（半径量）;Δdmin为最小切削深度（半径量）;Δd为第一次切削深度（半径量）;P为主轴基准脉冲处距离螺纹切削起始点的主轴转角。

当加工导程较大的螺纹时，需要的切削循环次数更多，采用G32或G82编程将会变得非常烦琐，而使用G76指令，仅需一条指令即可完成螺纹的分层切削。

6    结语

在加工螺纹时，只有通过正确的尺寸计算、合理选择车刀并正确安装、合理选取引入/引出距离、确定合理的主轴转速，并根据工件材质、螺纹螺距与螺纹的精度要求等选择合理的进刀方式，才能确保螺纹的加工质量。

[参考文献]

[1] 冉启芬，罗福，刘春兰.数控车床螺纹切削三种方法分析与应用[J].数字技术与应用，2014（8）：27-28.

[2] 张喆.数控车床在螺纹加工中的应用[J].中国西部科技，2009，8（5）：28-29.

[3] 刘伟军，冯玉霞.车削螺纹时常见故障分析及解决方法[J].山东工业技术，2019（4）：21.

[4] 宋秀峰.数控车床螺纹加工的实用调节方法[J].价值工程，2019，38（10）：133-135.

[5] 李雅昔，王宏斌，李晓莉.梯形螺纹分层切削宏程序编程方法[J].河北工业科技，2015，32（2）：143-147.

收稿日期：2021-08-30

作者简介：李雅昔（1975—），男，陕西渭南人，硕士研究生，副教授，研究方向：机械设计与制造。