大螺距半圆形截面螺纹加工方法

作者：王军强　王 伟　韩 亮

单位：中钢集团西安重机有限公司

来源：《金属加工（冷加工）》2019年第11期 

目前，数控车床上车螺纹是操作系统自带的，一般用车螺纹的成型刀，按照系统的固定程序进行编辑后加工，该数控编程车螺纹的程序是固定的，而且仅限于螺距常规尺寸数值的修改，该程序对于标准内的小螺距螺纹的加工完全能够胜任。但是对于目前冶金设备的大型绳轮，其轮槽截面尺寸达到了R50mm或更大，且牙型为半圆形，如图1所示。这种牙型如果用常规机加工方法，加工程序就非常繁琐。

现在通过改进，运用宏程序加工，这种在数控车床上加工异形螺纹的数控编程方法，首先单独编写完成螺纹的单独牙型程序和车螺纹的走刀程序；然后以车单独牙型程序为主程序，车螺纹的走刀程序为子程序，将子程序最终调入主程序中使用。单独牙型程序为数控车床上异形件函数方程。单独牙型可以是矩形、梯形或弧形。车螺纹的走刀程序为一个加工导程的螺纹加工程序。

该编程方法简单易懂，而且不仅仅适用于一种形状的螺纹，只要满足机床的加工范围且能够在机床上面单独车出来的旋转体，均可以作为螺纹的牙型进行编程加工，如矩形、梯形及弧形等。

1.绳轮加工

卷扬机绳轮的加工，绳轮上的螺纹截面为半圆形螺纹，如图2所示。加工大螺距半圆形螺纹主要问题及解决办法如下。

（1）加工螺纹起始点的确定　螺纹的起始点是由数控机床上位置编码器从一转信号开始执行，刀具在螺纹轮廓线上多次走刀进行切削，圆周上切削开始点都是相同的。

（2）主轴转速　车螺纹要保证主轴转速恒定，主轴转速发生变化，螺纹就产生变化，出现乱牙现象。车螺纹时机床进给速度倍率是无效的，进给速度被限制在100%。

（3）切削量　大螺距半圆形螺纹加工，因为切削量大，要求分数次进行切削，每次进一定的进刀量，通常采取分层加工的方法。并且螺纹加工采用切削循环的方式，加工螺纹的进刀方式通常有直进法和斜进法，直进法一般用于螺距或导程小于3mm的螺纹加工，斜进法是刀具单侧刃加工，对刀具的负载力小，一般用于螺距或导程大于3mm的螺纹加工。螺纹从粗加工到精加工，刀具在螺纹轮廓线上多次走刀进行切削，且沿着螺纹轮廓线走刀，沿着螺纹轮廓线依次进刀。

（4）加工程序　大螺距的螺纹加工数控编程，如果采用普通编程方法，加工精度越高，机床的语句就越繁琐，操作工人越容易出错，效率低。如果采用宏程序加工零件，程序数量少，通用性强，程序简短，结构简单明了，在加工过程中平稳，程序容易修改并且逻辑性强.加工类似产品时，只需更改一些变量参数，提高生产效率。

（5）加工多线螺纹　方法一，车削好一条螺纹后，轴向进给移动一个螺距，或者起始点旋转一定角度，再车削另一条螺纹。多刀加工多头螺纹，车削多头螺纹时，分头要花费较多的辅助时间，而且手续较麻烦。方法二，如果用多刀加工多头螺纹，可不用分头即可车成多头螺纹，用两把车刀车双头螺纹，为了精确控制螺距，两把车刀的距离必须安装正确，可以将一块长度等于螺距的标准块放在两把车刀之间。但控制车刀之间距离较麻烦，工件必须有较长的出刀距离。使用数控车床，在数控车床有一个语句SF，通过SF设置多线螺纹转向角度。

（６）装夹方案　CKD52100数控车床为单动卡盘，由于工件直径大，高度高，采用四爪夹紧固定工件力度不够，夹紧力度大容易使工件变形，因此加工需要在工件周边上焊接挡块，四爪夹紧的同时采用压板压挡块来固定工件，外形先粗加工一半然后调头装夹、找正，加工另一半，粗加工完大部分部位后，去掉挡块。先粗加工第一条螺纹，半精加工螺纹，精加工螺纹，再通过设置SF=180°，加工第二条螺纹。

（7）车进/退刀槽  在螺纹起始端与结束端车进/退刀槽。选择合理的切削用量、切削深度、主轴转速和进给速度。

（8）外圆刻找正工艺线  在加工过程中，刀具容易被损坏，破坏后需要换刀并二次找正，换刀后按刻的找正工艺线找正，防止刀尖变换位置，使螺纹变换。

2.螺纹加工新方法

针对上述问题，提供一种大型机械加工技术，在数控立式车床上加工异形螺纹的数控编程方法。

本实例提出一种在数控立式车床上加工异形螺纹的数控编程方法，该方法步骤如下：首先单独编写完成螺纹的单独牙型程序和车螺纹的走刀程序；然后以车单独牙型程序为主程序，车螺纹的走刀程序为子程序，将子程序最终调入主程序中使用。所述单独牙型程序为数控车床上异形件函数方程。所述车螺纹的走刀程序为一个加工导程的螺纹加工程序。该编程方法简单易懂，而且不仅仅适用于一种形状的螺纹，只要满足机床的加工范围且能够在机床上单独车出来的旋转体，都可以作为螺纹的牙型进行编程加工，如矩形、梯形及弧形等。

结合图样（见图3）具体说明实施步骤。以一绳轮卷筒为例，该卷筒总高3 200mm，卷筒直径2 500mm，要求加工绳槽轴向长度3 000mm，绳槽导程T＝120mm，绳槽半径50 mm，材料为Q345B，主要加工设备为数控立式车床CKD52100，SIMENS系统，编程过程如下：先将绳槽半径为50 mm的半圆形，编写一个数控车床的两个坐标X和Z建立半径为50 mm的变量关系方程式，这样就相当于把半径为50 mm的圆弧分为无数个点坐标，然后利用加工点坐标的形式进行加工，当然最后的圆弧表面粗糙度完全取决于编程时在整个R50 mm的圆弧上取了多少个点。由于是用插补的形式进行加工，那么取的点越多，加工的面就越光滑，反之就会出现不光滑的锯齿状；然后，编写一个加工导程T＝120mm的螺纹加工程序，建立为子程序L1；将该子程序L1调入前面车半圆的函数方程之后，即完成最终车半圆形螺纹程序。这样既解决了加工需求，将不可能变为可能，又提高了加工效率，减少人为的改动操作；最后再通过使用动力头带成型砂轮进行磨削，通过螺纹程序磨半圆形螺纹表面，提高螺纹表面表面粗糙度，加工路径如图4所示。

粗加工一个螺纹头，编写程序如下：

主程序   N10 M3 S8

         N20 G1 G90 G95 G55 F100

         N30 X1=0   Z1=0 R1=90

N40 TT2:R2=1

         N50 TT1:G33 Z1=-R2*SIN(R1)   X1=-R2*COS(R1)   K120 SF=0

         N60 L1

         N70 R1=R1-1

         N80 IF R1>-90  GOTO TT1

N90 R2=R2+1

         N100 IF R2<49  GOTO TT2

         N110 M05

         N120 M30

子程序  L1 ：

         N10 G33Z1=-3100  K120

         N20 G0 X1=50

         N30 Z1=0

         N40 X1=0

         N50 M17

粗加工另一个螺纹头，编写程序如下：

主程序  

N10 M3S8

         N20 G1 G90 G95 G55 F100

         N30 X1=0   Z1=0 R1=90

N40 TT2:R2=1

         N50 TT1:G33 Z1=-R2*SIN(R1)   X1=-R2*COS(R1)   K120 SF=180

         N60 L1

         N70 R1=R1-1

         N80 IF R1>-90  GOTO TT1

N90 R2=R2+1

         N100 IF R2<49  GOTO TT2

         N110 M05

         N120 M30

子程序  L1 ：

         N10 G33Z1=-3100  K120

         N20 G0 X1=50

         N30 Z1=0

         N40 X1=0

         N50 M17

粗加工螺纹刀痕如图5所示。

精加工一个螺纹头，编程如下：

主程序   N10 M3 S8

         N20 G1 G90 G95 G55 F100

         N30 X1=0   Z1=0 R1=90

N40 TT2:R2=49

         N50 TT1:G33 Z1=-R2*SIN(R1)   X1=-R2*COS(R1)   K120 SF=0

         N60 L1

         N70 R1=R1-0.1

         N80 IF R1>-90  GOTO TT1

N90 R2=R2+0.2

         N100 IF R2<50  GOTO TT2

         N110 M05

         N120 M30

子程序  L1 ：

         N10 G33Z1=-3100  K120

         N20 G0 X1=50

         N30 Z1=0

         N40 X1=0

         N50 M17

精加工另一个螺纹头，编程如下：

主程序   N10 M3 S8

         N20 G1 G90 G95 G55 F100

         N30 X1=0   Z1=0 R1=90

N40 TT2:R2=49

         N50 TT1:G33 Z1=-R2*SIN(R1)   X1=-R2*COS(R1)   K120 SF=180

         N60 L1

         N70 R1=R1-0.1

         N80 IF R1>-90  GOTO TT1

N90 R2=R2+0.2

         N100 IF R2<50  GOTO TT2

         N110 M05

         N120 M30

子程序  L1 ：

         N10 G33Z1=-3100  K120

         N20 G0 X1=50

         N30 Z1=0

         N40 X1=0

         N50 M17

    精加工螺纹刀痕如图6所示。

3.结语

该编程方法简单易懂，而且不仅仅适用于一种形状的螺纹，只要满足机床的加工范围且能够在机床上面单独车出来的旋转体，均可以作为螺纹的牙型进行编程加工，如矩形、梯形、弧形等。根据以上的方法，不难总结出其他异形螺纹的程序，只要将主程序中的关于建立半圆的函数方程改写为其他所需要的异形件的函数方程，然后调入子程序即可实现异形螺纹的数控立式车床加工。