螺纹轴的数控加工工艺设计Word格式.docx
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还可使用软爪夹持工件，软爪弧面由操作者随机配制，可获得理想的夹持精度。
通过调整油缸压力，可改变卡盘夹紧力，以满足夹紧各种薄壁和易变形工件的特殊需要。
为减少细长轴加工时受力变形，提高加工精度，以及在加工带孔轴类工件内孔时，可采用液压自动定心中心架，定心精度可达0.03mm。
由于螺纹轴是一个普通轴类零件，所以采用三爪卡盘进行定位装夹。
加工时以右端面为定位基准，取工件的左端面中心为工件坐标系的原点。
（3）走刀路线的确定标准
走刀路线就是刀具在整个加工工序中的运动轨迹，它不但包括了工步的内容，也反映出工步顺序。
走刀路线是编写程序的依据之一。
确定走刀路线时应注意以下几点：
①寻求最短加工路线；
②最终轮廓一次走刀完成；
③选择切入切出方向；
第二章螺纹轴车削加工工艺及编程
2.1螺纹加工概念及加工工艺
螺纹加工是在圆柱上加工出特殊形状螺旋槽的过程，螺纹的常见的用途是连接紧固、传递运动等。
螺纹常见的加工方法有：
滚丝或螺纹成型、攻丝、铣削螺纹、车削螺纹等。
CNC车床可加工出高质量的螺纹，本章主要用CNC车床车削螺纹的工艺编程方法。
车削螺纹加工是在车床上，控制进给运动与主轴旋转同步，加工特殊形状螺旋槽的过程。
螺纹形状主要由切削刀具的形状和安装位置决定。
螺纹导程由刀具进给量决定。
如图2.1所示的螺纹车削加工。
图2.1车削螺纹加工
CNC编程加工最多的是普通螺纹，螺纹牙形为三角形，牙型角为60°
，普通螺纹分粗牙普通螺纹和细牙普通螺纹。
粗牙普通螺纹的螺距是标准螺距，其代号用字母“M”及公称直径表示，如M16、M12等。
细牙普通螺纹代号用字母“M”及公称直径×
螺距表示，如M24×
1.5、M27×
2等。
普通螺纹加工刀具刀尖角通常为60°
，螺纹车刀片的形状跟螺纹牙型一样，螺纹刀切削不仅用于切削，而且使螺纹成型。
机夹式螺纹车刀如图2.2所示，分为外螺纹车刀和内螺纹车刀两种。
可转位螺纹车刀是弱支撑，刚度与强度均较差。
图2.2车削螺纹加工
装夹外螺纹车刀时，刀尖应与主轴线等高（可根据尾座顶尖高度检查）。
车刀刀尖角的对称中心线必须与工件轴线垂直，装刀时可用样板来对刀。
一个螺纹的车削需要多次切削加工而成，每次切削逐渐增加螺纹深度，否则，刀具寿命也比预期的短得多。
为实现多次切削的目的，机床主轴必需恒定转速旋转，且必须与进给运动保持同步，保证每次刀具切削开始位置相同，保证每次切削深度都在螺纹圆柱的同一位置上，最后一次走刀加工出适当的螺纹尺寸、形状、表面质量和公差，并得到合格的螺纹。
图2.3螺纹加工路线
如图2.3，编程中，每次螺纹加工走刀至少有4次基本运动（直螺纹）。
运动①：
将刀具从起始位置X向快速（G00方式）移动至螺纹计划切削深度处。
运动②：
加工螺纹——轴向螺纹加工（进给率等于螺距）。
运动③：
刀具X向快速（G00方式）退刀至螺纹加工区域外的X向位置。
运动④：
快速（G00方式）返回至起始位置。
（1）螺纹切削起始位置
螺纹切削起始位置，既是螺纹加工的起点，又是最终返回点，必须定义在工件外，但又必须靠近它。
X轴方向每侧比较合适的最小间隙大约为2.5mm，粗牙螺纹的间隙更大一些。
Z轴方向的间隙需要一些特殊考虑。
在螺纹刀接触材料之前，其速度必须达到100％编程进给率。
由于螺纹加工的进给量等于螺纹导程，所以需要一定的时间达到编程进给率。
如同汽车在达到正常行驶速度以前需要时间来加速一样，螺纹刀在接触材料前也必须达到指定的进给率，确定前端安全间隙量时必须考虑加速的影响，故必须设置合理的导入距离。
导入距离一般为螺纹导程长度的3～4倍。
同理，螺纹切削结束前，存在减速问题，故必须合理设置的导出距离。
在某些情况下，由于没有足够空间而必须减小Z轴间隙，惟一的补救办法就是降低主轴转速（r／min）——不要降低进给率。
（2）从螺纹退刀
为了避免损坏螺纹，刀具沿Z轴运动到螺纹末端时，必须立即离开工件，退刀运动有两种形式——沿一根轴方向直线离开（通常沿X轴），或沿两根轴方向斜线离开（沿XZ轴同时运动），如图2.4所示。
（a）直线退出（b）斜线退出
图2.4螺纹退刀
通常如果刀具在比较开阔的地方结束加工，例如退刀槽或凹槽，那么可以使用直线退出，车螺纹Z向终点位置一般选在退刀槽的中点，使用快速运动G00指令编写直线退出动作，如：
N63G32Z-20F2（螺纹加工程序）
N64G00X50
如果刀具结束加工的地方并不开阔，那么最好选择斜线退出，斜线退出运动可以加工出更高质量的螺纹，也能延长螺纹刀片的使用寿命。
斜线退出时，螺纹加工G代码和进给率必须有效。
退出的长度通常为导程，推荐使用的角度为45°
，退出程序如下：
……
N63G32Z-20F2；
（螺纹加工程序）
N64U4W2；
（斜线退出，螺纹加工状态）
N65G00X50；
（快速退出）
（3）螺纹加工直径和深度
由于螺纹不能一次切削加工出所需深度，所以总深度必须分成一系列可操控的深度，每次的深度取值，不仅要考虑螺纹直径，还要考虑加工条件：
刀具类型、材料以及安装的总体刚度。
螺纹加工中随着切削深度的增加，刀片上的切削载荷越来越大。
对螺纹、刀具或两者的损坏可以通过保持刀片上的恒定切削载荷来避免。
要保持恒定切削载荷，一种方法是逐渐减少螺纹加工深度。
每次切削深度的计算并不需要复杂的公式,但需要一些常识和经验。
螺纹加工循环在控制系统中建立了自动计算切削深度的算法，手动计算的逻辑是一样的。
有关螺纹加工的一些数值可由下面列出经验计算方法得到：
外螺纹小径=外圆直径－2×
牙高；
螺纹牙高=0.61343P≈0.6P
走刀次数=2.8P+4；
式中：
P为螺纹导程，单线螺纹导程与螺距相同
车三角形外螺纹时，由于受车刀挤压会使螺纹大径尺寸胀大，所以车螺纹前大径一般应车得比基本尺寸小约0.1P。
车削三角形内螺纹时，内孔直径会缩小，所以车削内螺纹前的孔径要比内螺纹小径略大些，可采用下列近似公式计算：
车外螺纹前外圆直径=公称直径D－0.1P；
车削塑性金属的内螺纹底孔直径≈公称直径d—P
车削脆性金属的内螺纹底孔直径≈公称直径d一1.05P
（4）主轴转速以及进给率
螺纹加工时将以特定的进给量切削，进给量与螺纹导程相同，CNC在螺纹加工模式下控制主轴转速与螺纹加工进给同步运行。
螺纹加工是典型高进给率加工，比如加工导程为3mm的螺纹，进给量则是3mm／r。
螺纹加工的主轴转速直接使用恒定转速（r/min）编程，而绝不是恒线速度（CSS），这就意味着准备功能G97必须与地址字S一起使用来指定每分钟旋转次数，例如“G97S500M03”，表示主轴转速为500r／min。
那么如果加工导程为3mm的螺纹，其进给速度计算如下：
F＝700r／min×
3mm／r＝2100mm／min
为保证正确加工螺纹,在螺纹切削过程中，主轴速度倍率功能失效,进给速度倍率无效。
2.2G32螺纹切削指令应用
G32是Fanuc控制系统中最简单的螺纹加工代码，该螺纹加工运动期间，控制系统自动使进给率倍率无效。
2.2.1G32螺纹切削指令
指令格式：
G32X（U）～Z（W）～F～Q～；
（等螺距螺纹切削指令）
X（U）Z（W）——为直线螺纹的终点坐标；
F——为直线螺纹的导程，如果是单线螺纹，则为直线螺纹的螺距；
Q——为螺纹起始角，该值为不带小数点的非模态值，其单位为0.001°
，如果是单线螺纹，则该值不用指定，这时该值为0；
2.2.2G32螺纹切削编程实例
试用G32指令,编写图2.5所示工件的螺纹加工程序。
图2.5螺纹加工工件
（1）相关工艺
设计螺纹切削导入距离6mm；
刀具退出的方式为45°
斜线，长度为导程1.5mm。
如图2.6（a）所示。
图2.6示例工件螺纹加工相关设计
车外螺纹前外圆直径＝公称直径D－0.1P＝24－0.1×
1.5＝23.85；
螺纹牙高=0.61343P≈0.61343×
1.5≈0.92；
牙高＝23.85－2×
0.92＝22.01；
设计螺纹分五次切削加工出所需深度，第一刀切深0.32mm，然后，每刀逐渐减少螺纹加工深度，最后精加工切深0.045mm.。
分层切削染余量分配如图2.6（b）所示。
拟定主轴转速使用恒定转速500r/min,进给量则是导程1.5mm／r。
（2）螺纹加工程序
编写螺纹加工程序O2001如下：
O2001
G21G99
………
T0404（调用第4号外螺纹刀具）
G97S500M03
N20G00X30Z6M08；
（起始点,导人距离5mm）
N21G00X23.21；
（刀具从起始位置X向快速移动至螺纹计划切削深度处）
N22G32Z-21F1.5；
（轴向螺纹加工，进给率等于螺距）。
N23U4W-2；
（刀具退出的方式为45°
斜线，保持螺纹切削状态）
N24G00X30；
（刀具X向快速退刀至螺纹加工区域外的X30位置）
N25Z6；
（快速G00方式返回至起始位置）。
（N21～N25完成螺纹的第一刀切削）
N26G00X22.76；
N27G32Z-21F1.5；
N28U4W-2；
N29G00X30；
N30Z6
（N26～N30完成螺纹的第二刀切削）
N40G00X22.01
N41G32Z-21F1.5；
N42U4W-2；
N43G00X30；
N44Z6
（N40～N44完成螺纹的最后切削）
G00X100Z100M09
M05
N41M30（程序结束）
2.3螺纹切削单一固定循环G92
（1）单一循环螺纹加工指令G92简介
由程序O2001可见，用G32编写螺纹多次分层切削程序是比较繁琐，每一层切削要五个程序段，多次分层切削程序中包含大量重复的信息。
FANUC系统可用G92指令的一个程序段代替每一层螺纹切削的五个程序段，可避免重复信息的书写，方便编程。
G92指令称单一循环加工螺纹指令，如图2.7，G92螺纹加工程序段在加工过程中，刀具运动轨迹为：
图2.7G92螺纹切削路线
首先：
刀具沿X轴进刀至螺纹计划切削深度X坐标；
第二步：
沿Z轴切削螺纹；
第三步：
启动45°
倒角螺纹（斜线切出）；
第四步：
刀具沿X轴退刀至X初始坐标；
第四步沿Z轴退刀至Z初始坐标。
在G92程序段里，须给出每一层切削动作相关参数，必须确定螺纹刀的循环起点位置，螺纹切削的终止点位置。
（2）单一循环螺纹加工指令G92格式
G92X（U）～Z（W）～F～R～；
格式说明：
①X（u）、Z（w）为螺纹切削终点处的坐标；
②F为螺纹导程的大小，如果是单线螺纹，则为螺距的大小；
③45°
斜线螺纹切出距离在0.1L至12.7L之间指定，指定单位为0.1L，可通过系统参数进行修改。
（L为导程）
④R为圆锥螺纹切削参数。
R值为零时，可省略不写，螺纹为圆柱螺纹。
（3）G92编程示例
螺纹加工程序O2001用G92编程可改写成程序O2002
O2002
G97S500M03
（外螺纹刀具到达切削起始点,导入距离6mm）
G92X23.21Z-23F1.5（完成第一层螺纹切削）
X22.76；
（完成第二层螺纹切削）
X22.40；
（完成第三层螺纹切削）
X22.10；
（完成第四层螺纹切削）
X22.01；
（完成螺纹的最后切削）
显然用G92编程的程序O2002比O2001简洁多了。
2.4螺纹切削复合循环G76
（1）复合循环螺纹加工指令G76简介
CNC发展的早期，G92单一螺纹加工循环方便了螺纹编程。
随着计算机技术的迅速发展，CNC系统提供了更多重要的新功能，这些新功能进一步简化了程序编写。
螺纹复合加工循环G76是螺纹车削循环的新功能，它具有很多功能强大的内部特征。
图2.8G76螺纹切削路线及有关参数
使用G32方法的程序中，每刀螺纹加工需要4个甚至5个程序段；
使用G92循环每刀螺纹加工需要一个程序段，但是G76循环能在一个程序段或两个程序段中加工任何单头螺纹。
在机床上修改程序也会更快更容易。
如图2.8所示，表明G76指令的加工动作。
G76螺纹加工循环需要输入初始数据。
（2）复合螺纹加工循环指令G76格式
G76指令格式：
G76P（mrα）Q（最小切深）R（精加工余量）；
G76X（U）Z（W）P（牙高）Q（最大切深）R（锥螺纹参数）F（导程）；
FANUC0i复合螺纹加工循环指令G76格式分两个程序段，格式中各参数含义如下表2.1：
表2.1G76格式说明
第一程序段：
G76P（mrα）Q～R～
P～
（m）
精加工重复次数，为1~99的两位数
（r）
倒角量，当螺距为L，从0.0L到99L设定，单位为0.1L，为1~99的两位数
（α）
刀尖角度，选择80°
、60°
、55°
、30°
、29°
、0°
六种中的一种，由两位数规定。
Q～
为最小切深（用半径值指定）切深小于此值时，切深钳在此值
R～
精加工余量（微米）
第二程序段：
G76X（U）Z（W）R～P～Q～F～
X（U）Z（W）
螺纹最后切削的终端位置的X、Z坐标，X（U）表示牙底深度位置
第一刀切削深度，半径值，正值，（微米）
牙高，半径值，正值（微米）
锥螺纹半径差；
圆柱直螺纹切削省略。
F～
螺距正值
（3）G76外螺纹切削编程示例
螺纹加工程序O2001用G76编程可改写成程序O2003
O2003
N30G76P011060Q100R0.1；
（螺纹参数设定）
N40G76X22.01Z-23.P920Q320F1.5；
M30（程序结束）
显然用G76编程的程序O2003比O2001和O2002又简洁多了。
G76程序段N30，N40说明：
程序段“N30G76P011060Q100R0.1；
”中：
P011060表示：
精加工次数是一次；
倒角量为一个导程；
刀尖角度60°
。
Q100表示：
最小切深钳制在半径值100微米
R0.1：
表示精加工余量0.1mm
程序段“N40G76X22.01Z-21.P920Q320F1.5；
”中
X22.01Z-23.表示：
牙底深度X值为X22.01；
螺纹切削Z终点Z-23.
P920表示：
牙高为半径值920微米
Q320表示：
第一刀切深为半径值320微米
F1.5表示：
螺距1.5mm
2.5内螺纹切削编程示例
试编写图2.9所示工件的内螺纹加工程序。
图2.9内螺纹示例工件及加工相关设计（单位:
mm）
螺纹加工前的底孔直径≈公称直径d—P＝30－2＝28；
确定工件坐标系如图2.9；
设计螺纹切削循环G76起点在（X24，Z6），选择X24不仅保证刀具X向与实体的安全间隙，又避免螺纹刀退出时碰撞工件。
Z6是螺纹切削导入距离6mm。
如图2.9。
设计螺纹最后一刀切削的终点（与起点相对形成矩形切削区域）坐标是（X30，Z－35）。
X30为内螺纹的牙底直径。
Z－35保证刀具足够切出距离，又不至于让刀具碰撞到夹具。
内螺纹的其它切削参数计算如下：
2≈1.22（mm）
走刀次数=2.8P+4≈9；
（mm）
拟定主轴转速使用恒定转速400r/min,进给量则是导程2mm／r。
设螺纹底孔已经加工完毕，内螺纹加工程序O2004如下：
O2004；
G21G99；
G97S400M03；
N20G00X24Z6M08；
N30G76P011060Q130R－0.1；
（注意：
内螺纹精加工余量取负值）
N40G76X30Z-35.P1220Q400F2；
G00X100Z100M09；
M05；
M30；
（程序结束）
第三章典型轴类零件（螺纹轴）的数控加工工艺分析
典型轴类零件如图3.1所示，毛坯为φ58㎜×
100㎜棒材，零件材料为45钢，数控车削前毛坯已粗车端面、钻好中心孔。
无热处理和硬度要求，试对该零件进行数控车削工艺分析。
图3.1典型轴类零件
3.1零件图工艺分析
该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。
其中多个直径尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度等要求；
球面Sφ50㎜的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用。
尺寸标注完整，轮廓描述清楚。
零件材料为45钢，无热处理和硬度要求。
通过上述分析，可采用以下几点工艺措施。
①对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，因其公差数值较小，故编程时不必取平均值，而全部取其基本尺寸即可。
②在轮廓曲线上，有三处为圆弧，其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。
③为便于装夹，坯件左端应预先车出夹持部分（双点画线部分），右端面也应先粗车出并钻好中心孔。
毛坯选φ60㎜棒料。
3.2选择设备
根据被加工零件的外形和材料等条件，选用TND360数控车床。
3.3确定零件的定位基准和装夹方式
①定位基准确定坯料轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。
②装夹方法左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧，右端采用活动顶尖支承的装夹方式。
3.4刀具选择
①选用φ5㎜中心钻钻削中心孔。
②粗车及平端面选用900硬质合金右偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉（可用作图法检验），副偏角不宜太小，选κ=350。
③精车选用900硬质合金右偏刀，车螺纹选用硬质合金600外螺纹车刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取rε=0.15～0.2㎜。
将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中（见表3.1），以便编程和操作管理。
表3.1数控加工刀具卡片
产品名称或代号
×
零件名称
典型轴
零件图号
序号
刀具号
刀具规格名称
数量
加工表面
备注
1
T01
φ5中心钻
钻φ5mm中心孔
2
T02
硬质合金90°
外圆车刀
车端面及粗车轮廓
右偏刀
3
T03
精车轮廓
4
T04
硬质合金60°
外螺纹车刀
车螺纹
编制
审核
批准
3.5确定加工顺序及进给路线
加工顺序按由粗到精、由近到远（由右到左）的原则确定。
即先从右到左进行粗车（留0.25㎜精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。
TND360数控车床具有粗车循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床数控系统就会自动确定其进给路线，因此，该零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人为确定其进给路线（但精车的进给路线需要人为确定）。
该零件从右到左沿零件表面轮廓精车进给，如图3.2所示。
图3.2精车轮廓进给路线
3.6切削用量选择
①背吃刀量的选择
轮
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