外螺纹轴零件加工及检测指南

【任务描述】

解读图3-1所示外螺纹轴零件，使用图2-9所示工件为毛坯。结合外螺纹加工涉及的外螺纹车刀的安装与对刀、外螺纹参数计算、螺纹切削用量的确定和螺纹编程指令的学习完成该零件的编程、加工和检测。

图3-1 外螺纹轴零件

【任务目标】

知识目标：能说出普通螺纹的主要参数，并根据图样中螺纹尺寸的标注计算出加工螺纹时所需的参数。能熟知螺纹加工的特点及螺纹刀的特性，能够合理安排螺纹加工的背吃刀量。

能用螺纹加工指令G32、G92和G76等基本指令编写螺纹的加工程序。

技能目标：能正确安装外螺纹车刀，并能独立完成外螺纹车刀的对刀。能应用合理的加工技术保证螺纹的精度，完成零件的加工。掌握检测外螺纹的基本方法。

情感目标：严格遵守安全文明操作规程，树立安全意识，提高职业素养。

【相关知识】

1.螺纹加工编程的工艺知识

（1）螺纹的常用牙型 在沿螺纹轴线剖切的截面内，螺纹牙型两侧边的夹角称为螺纹的牙型。螺纹的牙型有三角形、梯形、锯齿形和矩形等。实际工作中常用螺纹的牙型如图3-2所示。

图3-2 常用螺纹的牙型

a）三角螺纹 b）管螺纹 c）梯形螺纹

牙型角α指在螺纹牙型上相邻两牙侧间的夹角。普通三角螺纹的牙型角为60°，管螺纹的牙型角为55°，梯形螺纹的牙型角为30°。

（2）普通螺纹的参数 如图3-3所示，三角形螺纹的参数分为理论牙型参数和三角形参数。

d或D——公称直径，指螺纹大径的基本尺寸（图样标注）。螺纹大径（d或D）也称为外螺纹顶径或内螺纹底径。

d₁或D₁——螺纹小径，也称为外螺纹底径或内螺纹顶径。

d₂或D₂——螺纹中径，是一个假想圆柱的直径。该圆柱剖切面牙型的沟槽和凸起宽度相等。同规格的外螺纹中径d₂和内螺纹中径D₂基本尺寸相等。

图3-3 三角形螺纹的理论牙型参数

P——螺距，是螺纹上相邻两牙在中径上对应点间的轴向距离。

L——导程，是同一条螺旋线上相邻两牙在中径上对应点间的轴向距离。

h₁——理论牙型高度，是在螺纹牙型上牙顶到牙底之间，垂直于螺纹轴线的距离。

H——螺纹三角形的牙型高度。

图3-4 三角外螺纹参数

2.螺纹加工的工艺分析

（1）螺纹加工的数据处理

1）外圆柱面的直径及螺纹实际小径的确定。

车削外螺纹时，需要计算实际车削时外圆柱面的直径d_计和螺纹实际小径d_1计。

①车螺纹时，零件材料由于受车刀挤压而使外径胀大，因此螺纹部分零件的实际外径应比螺纹的公称直径小0.2～0.4mm。一般取d_1计=d-0.1P，这个尺寸在加工外圆时获得。

②米制普通螺纹的尺寸按基本牙型进行计算，如图3-4所示。

螺纹的理论高度H：H=0.866P

牙型高度h：h=0.5413P

小径d₁（D₁）：d₁=d-1.0825P≈1.1P

在实际生产中，国家标准未注螺纹公差的普通螺纹的公差值较大，编程时螺纹大径和小径可按以下经验公式计算（外螺纹），有时要根据具体情况加以调整。

螺纹实际大径： d_大=d-0.1P

螺纹实际小径： d_小=d-1.3P

螺纹实际牙型高度： h=（d_大-d_小）/2

2）螺纹轴向起点与终点的确定。如图3-5所示，车削螺纹时进给速度分三个阶段：起始时需要的一个升速进刀段、正常速度车螺纹段和结束前的一个降速退刀段。所以车螺纹时，两端要设置足够的升速进刀距离δ₁及降速退刀段δ₂。δ1和δ₂的数值与螺纹的螺距和螺纹的精度有关，一般大于等于一个螺距即可。

图3-5 车螺纹时的进刀与退刀

实际生产中，螺距大和精度高的螺纹δ₁取大值，一般取值为2～5mm；δ₂值不得大于退刀槽宽度，一般取退刀槽宽度的一半左右，取值范围为1～3mm。如果螺纹收尾处没有退刀槽，收尾处的形状与数控系统有关，一般按45°退刀收尾。

3）螺纹径向起点与终点的确定。螺纹加工时，径向起点由螺纹的大径确定（编程的起点X值为大径尺寸+2mm），径向终点由螺纹的小径确定（编程的终点X值为小径尺寸）。在编程大径确定后，背吃刀量就取决于小径的大小，所以在确定小径尺寸时，要考虑螺纹表面粗糙度值的要求。

（2）选择切削用量

1）主轴转速n。在数控车床上加工螺纹，主轴转速受数控系统、螺纹导程和尺寸精度、刀具、零件材料等多种因素影响，而且不同的数控系统推荐的主轴转速范围也不相同，操作者应在认真阅读说明书后，根据实际加工情况选用合适的主轴转速。多数普通数控车床车削螺纹时的主轴转速用如下公式计算

式中：P——螺纹的螺距（mm）；

K——保险系数，一般取80；

n——主轴转速（r/min）。

[例3-1] 加工M30×2普通外螺纹时：

主轴转速n≤1200/P-K=（1200/2-80）r/min=520r/min。再根据零件材料、刀具和加工精度等因素，建议在400～500r/min范围内选择主轴转速。

[例3-2] 加工M24×1.5普通内螺纹时：

主轴转速n≤1200/P-K=（1200/1.5-80）r/min=720r/min。根据零件材料、刀具和加工精度等因素，可取n=500～700r/min。

注意：螺纹加工时的主轴转速不能选择恒线速加工。因为在加工中，随着背吃刀量的变化，转速也将发生变化，将导致螺纹乱牙（乱扣）。

2）背吃刀量a_p。

①进刀方法的选择。螺纹加工常见的进刀方法有槽刀法、交错进刀法、直进刀法和斜进刀法，但在数控车床上加工螺纹时，一般选择直进刀法和斜进刀法。当螺距P＜3mm时，宜采用直进刀法，如图3-6a所示；螺距P≥3mm时，则采用斜进刀法，如图3-6b所示。

②背吃刀量的选用及分配。加工螺纹时，单边切削总深度等于螺纹实际牙型高度，一般取h=（d_大-d_小）/2。车削时，背吃刀量的选择原则是后一刀的背吃刀量要小于前一刀的背吃刀量，即递减分配原则，反之会因切削面积的增加导致切削力过大而损坏刀具。但最后一刀（精加工）要考虑螺纹的表面粗糙度，背吃刀量不能过小。当用硬质合金螺纹车刀时，一般最后一刀的背吃刀量不能小于0.1mm。

图3-6 螺纹加工的进刀方法

a）直进刀法 b）斜进刀法

如图3-7所示，a_p1＞a_p2＞a_p3＞a_p4；a_p4＞0.1mm；a_p1+a_p2+…+a_p最后=h实。常用螺纹加工的进给次数与背吃刀量见表3-1。考虑小型数控车床的功率较小，在螺纹加工任务中，进给次数比工业车床螺纹加工进给次数要多，每次的背吃刀量也要比工业车床螺纹加工的背吃刀量小。

图3-7 螺纹加工的背吃刀量

表3-1 常用螺纹加工的进给次数与背吃刀量 （单位：mm）

3）进给量f。

①单线螺纹的进给量等于螺距，即f=P。

②多线螺纹的进给量等于导程，即f=L。

在数控车床上加工双线螺纹时，进给量为一个导程，常用的方法是车削第一条螺纹后，轴向移动一个螺距（用G01指令），再加工第二条螺纹。

3.螺纹加工的编程方法

（1）单行程螺纹切削指令G32 单行程螺纹切削指令G32可加工固定导程的圆柱螺纹或圆锥螺纹，还可以加工端面螺纹。

指令格式：G32 X（U）_ Z（W）_ I_ F_；

其中：X、Z——螺纹编程终点的X、Z向坐标（图3-8）（mm），X为直径值；

U、W——螺纹编程终点相对编程起点的X、Z向相对坐标（mm），U为直径值；

I——螺纹部分起点与终点的半径差，如果是圆柱螺纹，I为0，可省略不写。

F——螺纹导程，即螺纹加工时的进给量（mm/r），此时进给倍率对其无效。

图3-8 单行程螺纹切削指令G32

G32指令的进刀方式为直进刀。对于圆柱螺纹，由于其起点与终点在X方向不变，所以其编程格式为：G32 Z（W）_ F_；对于斜角α在45°以下的圆锥螺纹，螺纹导程以Z方向指定，斜角α为45°～90°时，螺纹导程以X方向指定，该指令很少用。

G32指令可以执行单行程螺纹切削，车刀进给运动严格按照输入的螺纹导程进行，如图3-9所示，切削螺纹可分四步形成一个循环：快速径向进刀（AB）→切削（BC）→快速径向退刀（CD）→快速轴向返回（DA）。这四个步骤均需编入程序。

图3-9 单行程螺纹切削指令G32的走刀路径

a）圆柱螺纹 b）圆锥螺纹

（2）螺纹切削循环指令G92 螺纹切削循环指令G92可切削圆锥螺纹和圆柱螺纹。

指令格式：G92 X（U）_ Z（W）_ I（R）_ F_；

其中：X、Z——螺纹终点的绝对坐标（mm），X为直径值；

U、W——螺纹终点的相对起点坐标（mm），U为直径值；

F——螺纹导程，即螺纹加工时的进给量（mm/r），此时进给倍率对其无效；

I（R）——圆锥螺纹起点半径与终点半径的差值（mm）。其值的正负判断方法与G90相同，圆锥螺纹终点半径大于起点半径时，I（R）为负值；圆锥螺纹终点半径小于起点半径时，I（R）为正值；圆柱螺纹I=0时，可省略。

圆柱螺纹编程格式：G92 X（U）_ Z（W）_ F_；

圆锥螺纹编程格式：G92 X（U）_ Z（W）_ I（R）_ F_；

G92指令用于单一循环加工螺纹，其循环路线与单一形状固定循环指令G90基本相同。如图3-10所示，系统运行G92程序时，将完成①进刀→②切削→③退刀→④返回过程，此四步形成一个循环。该指令也是切削圆柱螺纹和圆锥螺纹时使用最多的螺纹切削指令。

（3）螺纹切削复合循环指令G76 螺纹切削复合循环指令G76的背吃刀量和进给次数等均可设置（图3-11）后自动完成。

1）指令格式。

图3-10 螺纹切削循环指令G92的走刀路径

(www.xing528.com)

图3-11 螺纹切削复合循环指令G76

2）指令说明。

①m：精车重复次数，用两位数字指定（01～99）。该参数为模态量。

②r：螺纹尾部倒角量，该值的大小可设定为0.0～9.9L，系数应为0.1L的整数倍，用00～99之间的两位整数来表示，其中L为导程，用两位数字指定。该参数为模态量。

③α：刀尖角度，可从80°、60°、15°、30°、29°和0°六个角度中选择，用两位整数来表示，常用60°、15°和30°三个角度，用两位数字指定，该参数为模态量。

m、r和α用地址P同时指定，例如：m=2，r=1.2L，α=60°，表示为P021260。

④Δdmin：最小背吃刀量，用于指定半径值，该参数为模态量。

车削过程中每次的背吃刀量为，当计算值小于Δdmin时，则背吃刀量为Δdmin。

⑤d：精车余量，该参数为模态量。

⑥X、Z：螺纹终点的绝对坐标（mm）；u、w：螺纹终点的相对起点坐标（mm）。

⑦i：螺纹部分的半径差。i=0时为圆柱螺纹，可省略不写。

⑧k：螺纹高度，用半径值指定。

⑨Δd：第一次背吃刀量，用半径值指定。

⑩f：导程（单线螺纹，导程即等于螺距）。

指令中Q、P、R地址后的数值一般以无小数点的形式表示。

实际加工三角形螺纹时，以上参数一般取：m=2，r=1.1L，α=60°，表示为P021160。Δdmin=0.1mm，d=0.05mm，k=0.65P，Δd根据零件材料、螺纹导程、刀具和机床刚性综合给定，可参考表3-1，建议取0.7～2.0mm。其他参数由零件具体尺寸确定。

G76指令用于多次自动循环切削螺纹的复合循环指令，采用斜进式进给方式，经常用于加工不带退刀槽的圆柱螺纹和圆锥螺纹，一般适用于大螺距低精度螺纹的加工。

3）练习。图3-1所示螺纹轴零件用G76指令编程，程序如下：

O3011；

T0303；

M03 S500；

G00 X26. Z2. M08；

G76 P021160 Q50 R50；

G76 X22.35 Z-13. P750 Q250 F1.5；

G00 Z100. M09；

M05；

T0300；

M30；

（4）螺纹旋向 若主轴正转（M03），车刀从机床尾座向卡盘方向进给（沿–Z方向进给），加工出右旋螺纹；若主轴正转（M03），车刀从卡盘向机床尾座方向进给（沿+Z方向进给），加工出左旋螺纹。

若主轴反转（M04），车刀从机床尾座向卡盘方向进给（沿–Z方向进给），加工出左旋螺纹；若主轴反转（M04），车刀从卡盘向机床尾座方向进给（沿+Z方向进给），加工出右旋螺纹。

4.螺纹车刀的安装

（1）刀尖高 装夹螺纹车刀时，刀尖位置一般应与工件的轴线等高，特别是内螺纹车刀的刀尖必须严格保证做到这一点，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，硬质合金车刀的刀尖应高于工件轴线0.1～0.3mm。

（2）刀头伸出的长度 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该比螺纹孔直径小3～5mm，以免退刀时碰伤牙顶。

（3）牙型半角 装夹螺纹车刀时，要求刀尖齿形对称并垂直于工件轴线，即螺纹车刀两侧切削刃相对于牙型对称中心线的牙型半角应各等于牙型角的一半。如果螺纹车刀装歪了，车出来的螺纹就会产生牙型歪斜等质量异常现象，影响正常旋合。

安装螺纹车刀时，将刀杆侧面靠紧刀架，并可用角度样板（图3-12）校对刀型是否与工件轴线垂直，然后锁紧螺纹车刀。

图3-12 角度样板

（4）外螺纹车刀的对刀 如图3-13所示。

1）Z向对刀：将刀尖对准工件外端基准面，然后按[OFS/SET]键，再按屏幕下方的[形状]软键，将光标移至“G003”后，输入“Z0”，按[测量]键。

2）X向对刀：用刀尖慢慢去碰外螺纹大径ϕ20mm的圆柱面，然后按[OFS/SET]键，将光标移至“G003”后，输入“X20.”，按[测量]键。注意，刀尖越靠近工件，进给要越慢。

图3-13 外螺纹车刀的对刀

【引导操作】

1.任务分析

（1）零件图分析 图3-1所示零件为普通外螺纹轴零件，材料为铝，图2-9所示工件为工件毛坯。M24×1.5为细牙普通三角螺纹，牙型角60°，公称直径为25mm，螺距为1.5mm，右旋。应用螺纹切削单一固定循环指令进行螺纹加工程序的编写，选用三角刀片、方形刀柄完成螺纹的切削加工。

（2）工件原点 选用数控车床加工，以工件右端面与轴线的交点作为工件原点，建立工件坐标系。

2.任务准备

1）量具选用见表3-2。

表3-2 量具选用

2）刀具选用见表3-3。

表3-3 刀具的选用

3）数控加工工艺卡见表3-4。

表3-4 数控加工工艺卡

4）数控加工程序单见表3-5。

表3-5 数控加工程序单

（续）

3.任务实施

1）启动车床前检查车床的外观和润滑油箱的油位，清除车床上的灰尘和切屑。

2）启动车床后在手动模式下检查主轴箱和进给轴的传动是否顺畅，是否有异响情况。

3）回车床参考点。

4）装夹工件并找正（注意装夹牢固可靠）。

5）装夹刀具并找正（注意装夹牢固可靠）。

注意：

①安装外螺纹车刀时，刀尖与工件轴线应在同一高度。

②螺纹车刀的刀尖对称线一定要垂直于工件轴线，否则加工出来的螺纹会倒牙。

③刀体不宜伸出过长。

6）对刀建立坐标系。

注意：

①以第一把刀（外圆车刀）为基准，对第二把刀（外槽车刀）和第三把刀（外螺纹车刀）。对第三把刀（外螺纹车刀）的方式与第二把刀差不多，必须以第一把刀为基准，不能试切，X方向以“碰”为主，碰得越准，精度越高，当刀具越靠近工件时，进给倍率越小。

②螺纹车刀Z向对刀时，要对准比较困难，目测就行。

7）将图3-1所示工件的加工程序（程序名为O3001）输入车床，具体程序见表3-5。

8）校验运行程序。

9）加工螺纹前将外圆车至ϕ23.85mm。

10）运行程序进行加工，保证螺纹槽的精度。

11）完成工件加工并检测。

12）进行车床维护和保养。

【应用训练】

试加工如图3-14所示零件，完成以下步骤。

图3-14 普通外螺纹轴零件

1）选用量具，填写表3-6。

表3-6 量具选用

2）选用刀具，填写表3-7。

表3-7 刀具选用

3）填写数控加工工艺卡，见表3-8。

表3-8 数控加工工艺卡

4）编写数控加工程序。

①编写外圆加工程序（采用内、外径粗车循环指令G71）。

②编写外沟槽加工程序（采用直线插补指令G01）。

③编写外螺纹加工程序（采用内、外螺纹单一固定循环指令G92）。

5）加工零件。

6）进行检验和质量分析。