浅析如何在数控车床上保证螺纹的加工精度

吕红梅

摘要：随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有铣床，镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床，车床等。此外还有能自动换刀，一次装夹进行多工序加工的加工中心，车削中心等。本文主要阐述了在数控车床上加工螺纹时，由于设备、刀具或者人员的原因，在切削过程中容易发生的问题，以及解决办法。

关键词：数控；螺纹；刀具；机床

中图分类号：G718 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2017）07-0222-03

绪论：螺纹是在圆柱或圆锥表面上，沿着螺旋线所形成的具有相同剖面和规定牙型的连续凸起和沟槽。在各种机械产品中，带有螺纹的零件应用广泛。它主要用作联接零件、传动零件、紧固零件和测量用的零件等等。在车床上加工螺纹，是比较常用的螺纹加工方法之一。

随着科学技术的发展，数控车床的普及，在数控车床上车削螺纹被越来越多的使用。数控车床以加工效率高、加工质量稳定、加工精度高、加工范围广、调试方便（特别是它能精密加工在普车上比较难加工的一些特殊表面零件）等优势在机械加工中占有越来越重要的地位。

在数控车床上能车削米制、英制、模数和径节制四种标准螺纹，还能车削变螺距螺纹，端面螺纹等。但无论车削哪一种螺纹，数控车床主轴与刀具之间必须保持严格的运动关系：即主轴每转一转（即工件转一转），刀具应均匀地移动一个（工件的）导程的距离。它们的运动关系是这样保证的：主轴带着工件一起转动，主轴的运动状态由一根同步皮带传送到主轴编码器，主轴编码器检测到主轴的转速以后，将信息反馈到机床主系统信息处理中心，主系统再根据程序编制的导程发出指令控制主轴每转一转X轴或Y轴移动一个导程的距离（主要是为了获得各种螺距），以保证主轴与刀具之间严格的运动关系。

在数控车床上车削螺纹，由于主机系统能同时控制主轴与X、Y轴的运动，而且数控车床是以um为单位的，所以能获得精确的螺距。但是在实际车削螺纹时，由于各种原因（如主轴同步传动皮带磨损，X、Y轴丝杆磨损，刀具磨损，机床检测系统错误等）造成由主轴到刀具之间的运动，在某一环节出现问题，引起车削螺纹时产生故障，影响正常生产，这时应及时加以解决。

本论文针对加工螺纹的过程中易出现的问题而提出了一些整改措施，供大家一起探讨。

1.数控车床车削螺纹的原理

1.1 数控车削螺纹原理。主轴——主轴脉冲发生器——数控系统——步进电机——纵向长丝杠、螺母——溜板箱——刀架

在数控车床上加工螺纹时，其加工进给不是采用机械传动链实现的，而是通过主轴编码器、来实现螺纹加工的。数控系统依据检测到的主轴旋转信号，控制电动机的进给。实现车削螺纹所要求的比例关系，切削出符合要求的螺纹。

1.2 主轴脉冲发生器的安装及调试。数控车床是采用增量式光电编码器为主轴脉冲发生器，安装于车床的主轴箱内，由主轴经过齿轮或同步齿形带驱动，实现1：1的传动。主轴旋转时，编码器与主轴同步旋转，同时发出与主轴转角相对应的脉冲信号，发出的这个信号是控制螺纹加工时刀具运动的重要信号。

2.在数控车床上车削螺纹时常见故障

2.1 切削过程中出现振动和扎刀现象：

（1）导程（螺距）值偏大；

（2）车刀安装得过高或过低；

（3）工件裝夹不牢；

（4）车刀磨损过大；

（5）切削参数不正确。

解决方法：

（1）我们常用的螺纹加工指令有G32、G92和G76三种，进刀方式有直进法、斜进法和左右切削法三种形式。

①G92指令采用直进法进行加工。由于两侧刃同时工作，切削力较大，而且排削困难，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。由于其刀具移动切削 均靠编程来完成，所以加工程序较长；由于刀刃容易磨损，因此加工中要做到勤测量。

②G76指令采用斜进法进行加工。由于是单侧刃加工，加工刀刃容易损伤和磨损，使加工螺纹面不直，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。因此可以加工导程较大的螺纹。

编程时应考虑加工螺纹的切入和切出量，以便保证螺纹导程的一致性。

加工螺纹之前一般应先加工退刀槽，如果没有退刀槽时，刀具在螺纹终点的加工路线应为倒角退刀。

加工螺纹时，由于进给量较大，螺纹车刀的强度较差，故螺纹牙型往往需分多次进行切削。

综上所述，我们可根据螺纹种类和螺距不同来选择螺纹的编程指令。

（2）车刀安装得过高或过低：过高，则吃刀到一定深度时，车刀的后刀面顶住工件，增大摩擦力，甚至把工件顶弯，造成扎刀现象；过低，则切屑不易排出，车刀径向力的方向是工件中心，加上横进丝杠与螺母间隙过大，致使吃刀深度不断自动趋向加深，从而把工件抬起，出现扎刀。

此时，应及时调整车刀高度，使其刀尖与工件的轴线等高（可利用尾座顶尖对刀）。在粗车和半精车时，刀尖位置比工件的中心高出1%D左右（D表示被加工工件直径）。

（3）工件装夹不牢：工件本身的刚性不能承受车削时的切削力，因而产生过大的挠度，改变了车刀与工件的中心高度（工件被抬高了），形成切削深度突增，出现扎刀，此时应把工件装夹牢固，可使用尾座顶尖等，以增加工件刚性。

（4）车刀磨损过大：引起切削力增大，顶弯工件，出现扎刀。此时应对车刀加以修磨。

（5）切削用量（主要是背吃刀量）过大：螺纹切削的进给量相当于加工中的每次深度，每次切深过小会增加走刀次数，影响切削效率，同时加剧刀具磨损；切深过大双容易出现扎刀、崩尖及螺纹掉牙现象。为避免上述现象发生，螺纹加工的每次切深一般都是递减的。即随着螺纹深度增加，背吃刀量越下越大，要相应的减小进给量。

2.2 乱牙：

故障分析：原因是当丝杠转一转时，工件未转过整数转而造成的。

主要原因有：

（1）伺服系统滞后效应；刀具在位移过程的开始和结束，都受到伺服驱动系统升降频率和数控装置插补运算速度的约束，由于升降频特性满足不了加工需要等原因，可能引起进给运动产生"超前"和"滞后"，而导致部分螺距不符合要求。

（2）机床主轴编码器同步传动皮带磨损，检测不到主轴的同步真实转速；

（3）编制的加工程序不正确；

（4）X轴或Y轴丝杆磨损。

解决方法：

（1）在保证生产效率和正常切削的情况下，选择较低的主轴转速；当螺纹加工程序段中的升速进刀段和降速退刀段的长度较大时，可选择高一些的主轴转速。

W=L+δ1+δ2式中：δ1：切入空刀行程量，一般取2～5mm；

δ2：切出空刀行程量，一般取0.5δ1。

主轴编码器同步皮带磨损：由于数控车床车削螺纹时，主轴与车刀的运动关系是由机床主机信息处理中心发出的指令来控制的，车削螺纹时，主轴转速恒定不变，X或Y轴可以根据工件导程大小和主轴转速来调整移动速度，所以中心必须检测到主轴同步真实转速，以发出正确指令控制X或Y轴正确移动。如果系统检测不到主轴的真实转速，在实际车削时会发出不同的指令给X或Y，那么这时主轴转一转，刀具移动的距离就不是一个导程，第二刀车削时螺纹就会乱扣。这种情况下，我们只有维修机床，更换主轴同步皮带。

编制输入的程序不正确：我们知道，车削螺纹时为了防止乱扣，必须保证后一刀车削轨迹要与前一刀车削轨迹重合，在普车上我们用倒顺车法来预防乱扣。在数控车床上，我们用程序来预防乱扣，就是在编制加工程序时，我们用程序控制螺纹刀在车削前一刀后，退刀，使后一刀起点位置与前一刀起点位置重合（相当于在普车上车削螺纹时，螺纹刀退回到前一刀所车出的螺旋槽内），这样车出的螺纹就不会乱扣。有时，由于程序输入的导程不正确（后一段程序导程与前一段程序导程不一致），车削时也会出现乱扣现象。

例一： ………………………

G00 X 20 ；

Z 5；

G32 Z -20 F 200；

G00 X 30；

Z 5；（后一刀起点位置与前一刀起点位置重合，螺纹不会乱扣）

X 19；

G32 Z -20 F 200；（后一段程序导程与前一段程序导程一致，螺纹不会乱扣）

………………………

例二： ………………………

G00 X 20；

Z 5；

G32 Z -20 F 200；

G00 X 30；

Z 4；（后一刀起点位置与前一刀起点位置不重合，螺纹会 乱扣）

G32 Z -20 F 220；（后一段程序导程与前一段程序导程不一致，螺纹会乱扣）

………………………

X轴或Y轴丝杆磨损严重：维修机床，更换X轴或Z轴丝杆。

2.3 螺距误差

螺距不正确的原因主要有：

（1）主轴编码器传送回机床系统的数据不准确；

（2）X轴或Y轴丝杆和主轴的窜动过大；

（3）编制和输入的程序不正确。

解决方法：

（1）主轴编码器传送数据不准确：维修机床，更换主轴编码器或同步传送皮带；

（2）X轴或Y轴丝杆和主轴窜动过大：调整主轴轴向窜动，X轴或Y轴丝杆间隙可以用系统间隙自动补偿功能补偿。

（3）校检程序，务必使程序中的指令导程与图纸要求一致。

2.4 螺纹牙型不正确：

原因主要有：

（1）刀具角度选择错误；

（2）车刀安装不正确；

（3）车刀磨损。

解决方法：

刀具角度选择错误：正确刃磨和测量车刀刀尖角度，对于牙型角精度要求较高的螺纹车削，可以用标准的机夹式螺纹车刀车削，或者用工具磨床来刃磨螺纹车刀。

车刀安装不正确：装刀时用样板对刀，或者通过用百分表找正螺纹刀杆来装正螺纹刀。

车刀磨损：根据车削加工的实际情况，合理选用切削用量，及时修磨车刀。

2.5 螺纹表面质量差

原因主要有：

（1）刀尖产生积屑瘤；

（2）刀柄刚性不够，切削时产生震动；

（3）车刀径向前角太大；

（4）高速切削螺纹时，切削厚度太小或切屑向倾斜方向排出，拉毛已加工牙侧表面；

（5）工件刚性差，而切削用量过大；

（6）车刀表面粗糙度差。

解决方法：

调整切削用量，并正确选择切削液；

增加刀柄截面，并减小刀柄伸出长度；

减小车刀径向前角；

高速钢切削螺纹时，最后一刀的切屑厚度一般要大于0.1mm，并使切屑沿垂直轴线方向排出；

检查工件安装，增加工件安装刚度，选择合理的切削用量；

刀具切削刃口的表面粗糙度应比零件加工表面粗糙度值小1至2级。

3.总结

利用数控车床加工螺纹零件，在保证加工精度的同时可以成倍的提高加工效率，数控车床在对螺纹零件加工时可以代替传统车床。

车削螺纹时产生的故障形式多种多样，既有设备的原因，也有刀具、操作者等的原因，在排除故障时要具体情况具体分析，通过各种检测和诊断手段，找出具體的影响因素，采取有效的解决方法。

参考文献：

[1] 《数控机床编程与操作》中国劳动社会保障出版社2009年6月出版

[2] 《数控车床FANUC系统编程与操作说明书》中国劳动社会保障出版社2004年4月

[3] 《数控原理及系统》中国劳动社会保障出版社

[4] 《车工工艺学》劳动人事出版社一九八四年出版

[5]《车工工艺与技能训练》中国劳动社会保障出版社2001年1月出版