模块四内外螺纹数控车床加工编程.docx
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模块四内外螺纹数控车床加工编程
项目四内、外螺纹车削训练
教学目的:
①掌握数控车削螺纹的原理及车削螺纹的基本方法。
②掌握螺纹加工编程方法和操作技巧。
③掌握车螺纹时进刀方法及切削余量的合理分配。
④熟练掌握螺纹车刀在刀架上的安装和调整方法。
任务一编程的基本知识
在目前的数控车床加工中,螺纹切削一般有两种常用加工方法:
即直进式切削方法(G32、G92)和斜进式切削方法(G76)。
有些高档的数控系统还带有左右进刀加工的功能。
当然,也可以手工计算不同的循环点利用直进式切削方式实现“左右赶刀”的加工方法。
配合这些指令的切削方式不同,编程方法不同,适用的工件不同,造成加工误差也不同。
因此,在编程时要仔细分析工件特点,合理选择编程指令才能加工出高精度的螺纹。
1.螺纹切削指令G32
G32指令可以执行单行程螺纹切削,车刀进给运动严格根据输入的螺纹导程进行。
但是,车刀的切入、切出、返回均需编入程序。
利用G32指令可以加工圆柱螺纹、圆锥螺纹、外螺纹和内螺纹以及左旋螺纹和右旋螺纹。
指令格式:
G32X(U)Z(W)F;
其中,X(U)Z(W)为螺纹终点坐标值,X、Z用于绝对编程,U、W用于相对编程,F为导程(螺距)。
在G32指令程序中,进给速度F值是一个定值,加工中进给速度倍率修调无效,F值被限制在100%,主轴转速修调无效(保持程序给定速度)。
说明:
螺纹车削加工为成型车削,且切削进给量大,刀具强度较差,一般要求分数次进给加工。
在螺纹加工轨迹中应设置足够的升速进刀段
和降速退刀段
,如图11-2所示,
和
表示由于伺服系统的延迟(加速运动和减速运动)会造成螺纹头尾螺距减小(产生不完全螺纹),因此,在编程时,头尾应让出一定距离,一消除伺服滞后造成的螺距误差。
例:
如图11-2所示为待加工螺纹,M18螺纹,螺距F=1.5mm,螺纹长度16mm,右端面倒角C1.5mm,用G32指令为其编制螺纹加工程序。
在编制螺纹加工程序中,应首先考虑螺纹程序起刀点的位置及螺纹程序收尾点的位置。
取:
加工螺纹时,从粗车到精车需多次重复走刀,直至吧螺纹切削到要求的深度。
这个要求深度就是螺纹的牙型高度。
根据GB192~197—81普通螺纹国家标准规定,普通螺纹的牙型理论高度H=0.866P,实际加工时,由于螺纹车刀刀尖半径的影响,螺纹的实际切深有变化。
根据GB197—81规定,螺纹车刀可在牙低最小削平高度H/8处削平或倒圆。
则螺纹实际高度按下式计算:
牙型高度:
式中H——螺纹原始三角形高度,H=0.866P(mm);
P——螺距,mm。
按以上经验公式求的牙型高是单边值,数控系统规定采用直径方式编程。
双边牙型高:
螺纹底经尺寸:
式中D——螺纹牙顶尺寸;
d——螺纹牙低直径尺寸。
所以如图11-2所示,螺纹底径尺寸:
螺纹加工程序:
………;
G00X20.0Z5.0;
X17.0;直径切深1mm
G32Z-18.0F1.5;
G00X20.0;
Z5.0;
X16.5;直径切深1mm
G32Z-18.0F1.5;
G00X20.0;
Z5.0;
X16.05;直径切深到牙低尺寸
G00X20.0;
Z5.0;
………
2.螺纹切削循环指令G92
用G32指令加工一个螺纹需多次切削才可完成,而G32螺纹加工程序段每一句只能执行一个运动轨迹。
因此,完成一个螺纹加工需由多个G32程序段和多个X向进退刀、Z向工进和快退等程序段组成,所以G32指令编程时,程序较长,很繁琐,容易发生编程错误。
因此,建议大家采用螺纹循环切削指令G92来加工螺纹。
(1)G92直螺纹循环切削指令(图11-3)
指令格式:
G92X(U)Z(W)F;
图11-3
G92螺纹循环切削指令(如图11-4)是将从循环点(起刀点)→X向快进→Z向螺纹工进切削→X向快速退出→Z向快速返回循环点的四个轨迹段自动循环。
在加工时,只需一句指令,刀具便可加工完成四个轨迹的工作环节,这样大大优化了程序编制。
例:
用G92螺纹循环切削指令为图11-2所示零件编制螺纹加工程序。
如图11-3所示,用G92螺纹循环切削指令编程就简化多了。
图例11-2程序:
O0112;
G54G99G97S400M03;
T0303;
G00X20.0Z5.0;
G92X17.0Z-18.0F1.5;
X16.5;
X16.1;
X16.05;
G00X200.0Z100.0;
M05;
M30;
从上例可以看出,运用G92指令,简化了程序的编制过程,提高了编程效率,减小了出错率,缩短了程序的输入量,且在CRT显示屏上可清晰地了解加工进程,更便于对工件的加工质量进行分析。
(2)G92锥螺纹循环切削指令
对于G92指令直螺纹编程来说,除编程方式和G32指令有所不同,它优化了编程过程,其他如循环点选择、升速进刀段
,降速退刀段
的让出距离、螺纹底径的计算等,与G32的螺纹切削相同。
而且,G92和G32都可以切削锥螺纹。
指令格式:
G92X(U)Z(W)RF;
其中,R为刀具切出点到切入点距离在X方向的投影,与X轴方向相同取正,与X轴方向相反取负(半径值)。
如图11-5所示为一锥螺纹的零件,试计算其相关值:
a.设定升速进刀段
,降速退刀段
。
b.求R值根据相似三角形的计算方法计算得出(见图11-6):
得R=7.2
R投影方向与X正向相反,R为-7.2。
c.求螺纹切出点大径值(牙顶直径)
根据相似三角形:
求FG值
得FG=0.625
求D牙值D牙=D+2×FG=31.25
d.求螺纹切出点小径值
d牙=D牙-2hh=0.65P
经计算得出d牙=29.3mm
得出上面各计算结果后,可编写出图11-5所示的锥螺纹加工程序:
O0114;
G54G99S400M03
T0303;
G00X32.0Z5.0;
G92X30.5Z-18.0R-7.2F1.5;
X30.0;
X29.7;
X29.5;
X29.4;
X29.35;
X29.3;
G00X200.0Z100.0M05;
M30;
说明:
采用G32、G92直进式切削方法(如图11-7所示),由于两侧刃同时工作,切削力较大,而且排屑困难,容易产生“啃刀现象”。
因此,一般多用于中小螺距螺纹加工。
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,从而会造成螺纹中径产生误差。
采用G32、G92直进式切削方法加工大螺距螺纹时,每切削一刀,刀具在X向的吃刀深度必需合理地进行分配,一般开始时吃刀深度要大些,越到后来吃刀深度越小。
吃刀深度的分配需要凭经验或通过计算和试验得到,即使这样有时也无法避免“啃刀现象”的发生。
(3)用G92加工多头螺纹
在大多数情况下采用单头螺纹,通常采用多头螺纹的目的是在较长的距离上较快地精确传递运动。
要注意精确这个词,粗螺纹也可以比较快地传递运动,但精确度比较差。
对于编程者而言,加工多头螺纹需要特殊的考虑。
也就是每线螺纹的起始点的位置在螺纹的端面圆上必须均匀分布。
图38-24所示螺纹横截面和末端螺纹截面图。
图中从上往下依次为单头螺纹、双线螺纹、三线螺纹和四线螺纹,黑点表示螺纹起点。
用G92指令加工多头螺纹时,编程需正确计算加工进给率和移动量。
螺纹加工进给率通常等于螺纹导程,而不是螺距,单头螺纹导程和螺距的值相等,但是多头螺纹并不如此。
图38-25所示给出了常见多头螺纹的螺距和导程之间的关系。
其次,多头螺纹的编程不能只考虑进给率,同样重要的因素还有刀尖移动的编程量,该移动量能保证每个起始点与其他所有起始点之间保持恰当的关系。
当加工完一线螺纹后,必须将刀具的起始位置(只沿Z轴)移动一个螺距长度,刀具移动量的公式如下:
移动量=螺距
必须在第一线螺纹的基础上为其他所有螺纹的起点编写移动量,也就说程序中的移动次数等于螺纹线数减1。
移动次数=线数-1
例如对于双线螺纹,在完全加工完第一线螺纹后,移出并加工第二线螺纹至所需深度。
例:
在前置刀架式数控车床上,用G92指令编写如图4-22所示的双线左旋螺纹的加工程序。
在螺纹加工前,其螺纹外圆直径已加工至
。
O0006;
………
G00X31.0Z-34.0;
G92X28.9Z3.0F3.0;
X28.4
X28.15;
X28.05;
G01Z-32.5F200;
G92X28.9Z4.5F3.0;
X28.4
X28.15;
X28.05;
G00X100.0Z100.0;
M30;
3.复合螺纹切削循环指令G76
G76复合螺纹切削循环指令,是多次自动循环切削螺纹的一种编程加工方式。
此循环加工中,刀具为单侧刃加工(斜进加工),从而使刀尖的负载可以减轻,避免出现“啃刀现象”。
G76指令加工轨迹如图11-8所示:
格式:
G76P(m)(r)(a)Q(Δdmin)R(d);
G76X(u)Z(w)R(i)P(k)Q(Δd)F(L)
其中:
m—精加工次数(1~99),为模态值;
r—退尾倒角量,数值为0.01L~9.9L(介于00~99之间),为模态值;
a—刀尖角度,可选80º、60º、55º、30º、29º、0º;
Δdmin—最小切削深度(半径值);
d—精加工余量(用半径编程指定)
i—螺纹两端的半径差;如i=0,为圆柱螺纹切削方式;
k—螺纹单边牙深(半径值),通常为正;
△d—第一次车削深度(半径值),后续加工切深为递减式;
L—螺距。
例:
车削如图11-9所示工件M20×2.5螺纹。
取精加工次数3次,螺纹退尾长度为0,螺纹车刀刀尖角度60º,最小背吃刀量取0.1mm,精加工余量取0.3mm,螺纹牙型高度为1.624mm,第一次背吃刀量取0.5mm,螺纹小径为16.75mm,前端倒角C2,为其编制螺纹加工程序。
程序说明
………
S400M03;
T0303;换螺纹刀(60º)
G00X22.0Z5.0;
G76P30060Q100R0.2;m:
3次、R:
0、a:
刀尖角60º
G76X16.75Z-18.0R0P1624Q500F2.5;Δdmin=0.1mm、d=0.2mm、i=0、k=1.6mm
Δd=0.5mm
G00X200.0Z100.0;
M05;
M30;
说明:
G76斜进式切削方法(如图11-10所示),由于为单侧刃加工,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,从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,并且深度为自动递减式。
因此,这种加工方法一般适用与大螺距螺纹加工。
由于此加工方法排屑容易,刀刃加工工况较好,在螺纹精度要求不是很高的情况下,此加工方法更为方便(可以一次成型)。
在加工较高精度螺纹时,可采用两刀加工完成,即先用G76加工方法进行粗车,然后用G32、G92加工方法精车。
但要注意刀具起始点要准确,否则容易产生“乱牙”,造成零件报废。
任务二螺纹加工相关工艺知识
1.进退刀尖的选择
螺纹加工指令在做切削进给运动过程中,包括有加速运动、恒速切削运动和减速运动三个过程。
当螺纹刀接到指令开始进给时,进给速度从0~F给定值时是加速运动。
当加工快要终了时,有系统反馈判断出即将结束加工,为达到准确的位置精度,刀具做减速运动,进给速度从F给定值~0。
现在我们可以判断出,螺纹头部和尾部的加工,会造成螺纹螺距的减小,而产生不完全螺纹。
因此,在编程时,螺纹头部和尾部都应留出一定距离(将不完全螺纹留在非加工范围内),这两个距离分别称为升速进刀段
和降速退刀段
。
、
可利用经验公式进行计算:
式中n——主轴转速;
F——螺纹的导程(对于单头螺纹则为螺距);
1800——常数,是基于伺服系统时间常数0.0335得出的。
由经验公式可以看出,
、
和导程(螺距)有关。
加工普通的小螺距螺纹时,不用计算
值,一般升速段
取5.0mm左右,
取2.0mm左右。
但特别要注意是
、
的距离值一定不要使刀具与工件或顶尖位置形状发生干涉(必要时可以改变加工工艺方案或更改加工图样)。
2.车削螺纹时主轴转速的选取
车削螺纹的主轴转速可按下面经验公式计算:
≤
式中P——工件的螺距,mm;
K——保险系数,一般取80。
当然,主轴的转速选择也不是唯一的。
当使用一些高档刀具切削螺纹时,其主轴转速可以按照线速度200m/mm选取(前提是数控系统能够支持高速螺纹加工操作,一般经济型机床在高速加工螺纹时会造成“乱牙”现象)。
3.分层切削深度的选择
如果螺纹牙型较深,螺距较大,可分几次进给。
每次进给的背吃刀量用螺纹深度减精加工背吃刀量所得的差按递减规律分配,如图11-8所示。
常用螺纹切削的进给次数与背吃刀量可参考表11-1和表11-2选取。
在实际加工中,当用牙型高度控制螺纹直径时,一般通过试切来满足加工要求。
表11-1常用公制螺纹切削次数和背吃刀量单位:
mm
公制螺纹
螺距
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
牙深
0.649
0.974
1.299
1.624
1.949
2.273
2.598
背吃刀量及切削次数
第1次
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
1.5
1.5
第2次
0.4
0.6
0.6
0.7
0.7
0.7
0.8
第3次
0.2
0.4
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
第4次
0.16
0.4
0.4
0.4
0.6
0.6
第5次
0.1
0.4
0.4
0.4
0.4
第6次
0.15
0.4
0.4
0.4
第7次
0.2
0.2
0.4
第8次
0.15
0.3
第9次
0.2
说明:
当然,螺纹切削的进给次数与背吃刀量也需要根据不同的加工材料和刀具质量自定选取,但一定要遵循逐渐递减的原则。
4.螺纹车刀的装夹方法
车削螺纹时,为了保证齿形正确,对安装螺纹车刀提出了较严格的要求。
(1)刀尖高装夹螺纹车刀时,刀尖位置一般应与车床主轴轴线等高,特别是内螺纹刀尖高必须严格保证,以免出现“扎刀”、“阻刀”、“让刀”及螺纹面不光等现象。
当高速车削螺纹时,为防止振动和“扎刀”,其硬质合金车刀的刀尖应略高于车床主轴轴线0.1~0.3mm。
(2)牙型半角装夹螺纹车刀时,要求它的刀尖齿形对称并垂直于工件轴线【如图11-11(c)所示】。
通过牙型对称中心线与车床主轴轴线处于垂直位置的要求来安装螺纹车刀。
如果外螺纹刀装歪,如图11-11(b)所示,所车螺纹就会产生牙型歪斜等质量异常现象,而影响正常旋合。
外螺纹车刀装刀时可按照图11-11(a)所示,用样板校对刀型与工件垂直的对刀方法安装、锁紧螺纹刀。
内螺纹车刀装刀时可按照图11-12所示,用样板校对刀型与工件端面平行的方法安装内螺纹刀。
(3)刀头伸出长度刀头一般不要伸出过长,约为刀杆厚度的1~1.5倍。
内螺纹车刀的刀头加上刀杆后的径向长度应比螺纹底径直径小3~5mm,以免退刀时碰伤牙顶。
5.内螺纹孔径的计算
由于国家标准规定螺纹孔径有很大的公差,内螺纹小径的基本尺寸相同,为了计算方便,可用近似公式:
~1.1)P
式中
——内螺纹小径尺寸;
——内螺纹大径尺寸;
P——螺距。
当用丝锥攻制内螺纹或高速切削塑性金属内螺纹时,螺纹孔径加工尺寸推荐:
P
当车削脆性金属(铸铁等),或低速车削内螺纹(尤其是细牙螺纹)时,螺纹孔径推荐:
1.1P
任务三螺纹加工相关操作实例
在数控车床上加工如图11-13所示零件。
1.零件图工艺分析
(1)技术要求分析
此零件图为内、外螺纹配合件,包括外圆柱阶梯面、外螺纹、外退屑槽加工;内圆柱阶梯面、内螺纹和内倒角等加工,并配合手工截断、车端面、倒角等操作保证零件尺寸精度。
零件材料为LY12硬铝合金,内、外圆柱面粗糙度要求
,其余各处要求均为
,内螺纹件要求内螺纹孔与外圆柱面有同轴度要求;内、外圆柱
处为配合位置设计,尺寸精度要求分别为
和
,精度要求较高。
两配合件问隙为0.1mm,配合处偏差范围为0.07~0.13mm。
无热处理和硬度要求。
(2)确定装夹方案、定位基准和刀位点
a.装夹方案:
原料为毛坯棒料,可采用三爪自定心卡盘装夹定位。
外螺纹轴工件,伸出卡盘端面50mm。
内螺纹套工件,伸出卡盘端面40mm。
b.设定程序原点:
以工件右端面与轴线交点处建立工件坐标系(采用试切对刀法建立)。
c.换刀点设置:
在工件坐标系X200.0Z100.0处。
d.加工起点设置:
外螺纹轴工件粗、精加工设定在X42.0Z2.0处;退屑槽设定在X30.0Z2.0处;外螺纹设定在X22.0Z2.0处。
内螺纹套工件外圆粗、精加工加工设定在X42.0Z2.0处;镗内孔粗、精加工设定在X16.0Z2.0处;内倒角加工设定在X17.0Z2.0处;内螺纹加工设定在X17.0Z2.0处。
(3)刀具选择、加工方案制定和切削用量确定:
分别见表11-3和表11-4。
2.数值计算
a.设定程序原点:
外螺纹件以工件右端面与轴线的交点为程序原点,建立工件坐标系。
内螺纹套件以工件左端面与轴线的交点为程序原点,建立工件坐标系。
b.计算基点位置坐标值:
图中各基点坐标值可通过标注尺寸识读或换算出来(略)
c.螺纹的计算:
①轴螺纹的计算
根据公式
轴螺纹底径坐标尺寸(螺纹加工最后一刀尺寸)为X17.4Z-23.0。
②套螺纹的计算
根据公式
套螺纹孔底径坐标尺寸为X18.0Z-33.5
3.工艺路线的确定
a.螺纹轴的加工
①用G71复合固定循环指令粗车外圆表面(精加工余量0.5mm)
②用G70精加工循环指令精车内圆表面。
精车轨迹为:
G00移刀至XOZ2.0——G01工进移刀至X0Z0——工进切削端面并倒角C2.0至X19.8Z0——工进切削外圆面至X19.8Z-25.0——工进车端面台至X30.0Z-25.0——工进车外圆阶台轴至X30.0Z-30.1——工进车端面台并倒角C0.5至X39.0Z-30.1——工进车外圆阶台轴至X39.0Z-41.0。
③切退屑槽。
轨迹为:
快速移刀至X30.0Z2.0——快速移刀至X30.0Z-25.0——工进移刀至X20.0Z-25.0——工进切削至X16.0Z-25.0——刀具在槽底停2秒——工进返回至X20.0Z-25.0。
④切外螺纹。
用G76复合螺纹切削循环指令切削外螺纹。
螺纹底径至X17.4Z-23.0;精加工重复次数(m:
3次);刀尖角度(a:
60º);最小切削深度(△
:
0.1mm);精加工余量(d:
0.2mm);锥螺纹的半径差(i:
0);螺纹的牙高(k:
1.3mm);第一次车削深度(△d:
0.5mm)。
⑤手动切断工件——工件调头装夹(工件表面应包一层铜皮),用划针或百分表校正工件后夹紧——车端面至规定尺寸并倒角0.5mm。
b.螺纹套的加工
①手动钻毛坯孔——钻中心孔
——用
10钻头钻孔,深34mm——用
16钻头扩孔,深34mm——用
16平头钻平孔底面。
②用G90单一固定循环指令粗车外圆表面(精加工余量0.5mm)
③用G71复合固定循环指令粗镗内孔表面(精加工余量0.5mm)
④用G70精加工循环指令精毯内孔表面。
精车轨迹为:
G00移刀至X32.0Z2.0——G01工进移刀至X32.0Z0——工进切削倒角至X30.0Z-1.0——工进切削内圆孔至X30.0Z-5.0——工进车内端面台并倒角C2.0至X30.0Z-5.0——工进车削螺纹孔径至X18.0Z-33.5。
⑤车孔径内倒角。
轨迹为:
G00移刀至X17.0Z2.0——G0l工进移刀至X17.0Z-33.0——工进切槽至X22.0Z-33.0——刀具在槽底停2秒——工退返回至X17.0Z-33.0——Z正向工进移刀至X17.0Z-31.0——X向工进进刀至X18.OZ-31.0——工进车削倒内角C2.0至X22.0Z-33.0——刀具在槽底停2秒——X向工退至X17.0Z-33.0——Z向工退至X17.0Z2.0。
⑥车内螺纹。
用G92螺纹循环切削指令切削内螺纹(精车时,采用螺纹轴配合车削)。
⑦精加工外圆表面。
精车轨迹为:
G00移刀至起刀点X42.0Z2.0——G00移刀至X30.0Z2.0——GO1工进移刀至X30.0Z0——工进切削端面并倒角C0.5至X39.0Z0——工进车削外圆表面至X39.0Z-30.5。
⑧手动切断工件——工件调头装夹(工件表面应包一层铜皮),用划针或百分表校正工件后夹紧——车端面至规定尺寸并倒角C0.5。
4.编程
a.外螺纹轴加工程序
程序内容说明
OO131;输人程序号
N1;粗加工外圆表面
G54G99G97S600M03;转进给方式加工,主轴正转
TO1O1;调用1号刀,建立工件坐标系
G00X200.0Z100.0;换刀点
X42.0Z2.0;循环点(加工起刀点)
G71U1.5R0.5;用G71复合固定循环指令粗车外圆表面
G71P10Q11U0.5W0.05F0.15;
N1OG00X0;
G01Z0;
X19.8C2.0;
Z-25.0;
X30.0C0.5;
Z-30.1;
X39.0C0.5;
N1lZ-40.5;
G00X200.0Z100.0;返回换刀点
M05;主轴停
M00;进给停,检测
N2;精车外圆表面
G54G99G97S1000M03;建立工件坐标系转进给方式加工,主轴正转
T0101;调1号刀
G00X42.0X2.0;循环点(加工起刀点)
G70P10O1lF0.08;用G70精加工循环指令精车外圆表面
G00X200.0Z100.0;返回换刀点
M05;主轴停
M00;进给停,检测
N3;切退刀槽
G54G99G97S450M03;建立工件坐标系转进给方式加工,主轴正转
T0404;调4号刀,
G00X30.0Z2.0;循环点(加工起刀点)
Z-25.0;快速移刀
GO1X20.0F0.3;工进移刀
X16.0F0.05;工进切削
G04U2.0;槽底停2秒
G01X20.0F0.3;工进返回
G00X200.0Z100.0;返回换刀点
M05;主轴停
M00;进给停,检测
N4;切外螺纹
G54G99G975400M03;建立工件坐标系转进给方式加工,主轴正转
T0303;调3号刀
G00X22.0Z5.0;循环点(加工起刀点)
G76P030060Q100R
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- 模块 内外 螺纹 数控车床 加工 编程