不锈钢管螺纹分层车削的宏程序编程方法

彭 正，黄冬英

（江苏省江阴中等专业学校，江苏 江阴 214433）

不锈钢材料强度高且具有优异的耐蚀性，所以在重工业、轻工业、生活用品行业以及建筑装饰等行业中获得广泛的应用。在国外，不锈钢由于无异味、无有害物质析出、保持水质纯净、对人体健康无害，已广泛应用于水暖管件设备中。不锈钢材料的切削加工具有了一定的难度。对于不锈钢材质的螺纹加工更是难上加难。

相对于普通材质螺纹的车削，不锈钢螺纹车削有每刀切削量要小、保证单刃切削等更高的要求，这也导致了不锈钢螺纹车削的程序编制增加了很大的难度。采用普通方法编写数控加工程序已不适合，需采用高级编程方法——宏程序来实现循环车削加工。

在不锈钢水暖管件、液体管道应用中的接头基本都采用带有锥度的管螺纹，其相关尺寸的计算、宏程序的编程等相对于普通三角螺纹更复杂。本文立足于解决大型不锈钢管螺纹接头数控车削加工中的实际问题，重点讨论利用分层切削法车削锥螺纹，并以FANUC数控车削系统为例，利用宏程序编写数控车削加工程序，从而实现不锈钢管螺纹接头的数控自动加工。

1 管螺纹分层切削法分析

对于螺纹分层切削法在其他文献及本人曾发表文章《大螺距三角形螺纹分层车削的宏程序编程方法》中都有详细的论述，这里将不再赘述。

2 不锈钢管螺纹宏程序编程分析

本文以美制3-8 NPT管螺纹（见图1）为例，对外螺纹的宏程序编程进行分析。

2.1 刀具的正确选择

在数控车床上一般都采用数控机夹刀杆和刀片进行车削加工。对于螺纹，主要根据螺纹的具体牙型和螺距、切削材质等合理选择数控机夹刀片。美制3-8NPT不锈钢管螺纹的牙型角为60°，螺距为3.175 mm，市场上很容易就能买到加工此型号螺纹的数控刀片，如果不是整盒购买，最好记录下刀片盒子上由厂家提供的切削用量参数，以便编程时据此合理确定切削参数。（例如：厂家提供的加工不锈钢材质推荐的切削速度为Vc=120 m/min，以本管螺纹基准平面内的中径直经86.068 mm为参照来计算车削时的主轴转速为：n=1 000×120/（3.14×86.068）≈444，加工时取400 r/min）。

美制NPT管螺纹的牙型面的对称中心线应垂直于螺纹轴线（图2所示），在装夹刀具时应注意。应保证螺纹刀头两刀刃的对称中心线与螺纹轴线垂直。

表1 美制一般密封管螺纹的基本尺寸Tab.1 The basic dimensions of American general sealing pipe thread

2.2 根据螺纹代号，计算确定管螺纹各主要尺寸

相对于普通三角形外螺纹，管螺纹各部分尺寸计算比较复杂。

根据表1和图3内相关尺寸示意图得知，管螺纹的锥度为1∶16，在基准平面内（距离端面19.456 mm的理论平面）螺纹的大径、中径、小径分别为：φ88.608，φ86.068，φ83.528。考虑到便于尺寸计算及螺纹车削时的空刀导入段和退出段，把螺纹车削的Z向起始点选择在离端面4.544处、终点选择在离端面27.456处，然后采用45°斜向退刀。综合以上分析，通过计算得到管螺纹编程起始点（Z4.544）的大径、中径、小径分别为：φ87.108，φ84.568，φ82.028；管螺纹编程结束点（Z-27.456）的大径、中径、小径分别为：φ89.108，φ86.568，φ84.028。

2.3 采用分层切削法粗车时，刀具最大偏移量的确定

如图4所示，本螺纹加工将采用分层借刀法加工。在每个切削层，车刀刀尖将从牙型右侧面向左逐渐逼进左侧面。由于该螺纹牙型为左右对称，故在每个切削层，刀尖相对牙型凹槽正中间的左右最大偏移量相等、方向相反。

由于采用分层切削加工后在牙型面上会留下明显的多刀车削痕迹、影响螺纹表面质量，因此需采用粗、精加工两个步骤。

粗加工时在某一切削层内刀尖相对牙型凹槽正中间的右侧最大偏移量Zcpyzy可按以下公式计算：

其中：h——牙型高度；hc——粗车后的牙型高度；n——加工至第n层；ap——每层切削深度。

左侧最大偏移量Zcpyzz=-Zcpyzy.

2.4 精车螺纹

采用分层借刀完成螺纹粗车后，为了保证Z向精度，可采用换下粗车刀片然后装上精车刀头进行螺纹的精加工。由于该螺纹螺距为3.175 mm，牙型高度值适中，故精车时不采用分层加工，左右两牙侧面采用少量多刀的方法完成精修，但在完成精车后在牙型的最底部会产生一个小三角形余量，由于余量值很小，故采用直进法去除牙底余量并车至螺纹小径处。

3 管螺纹粗、精加工的宏程序编程

根据以上分析，本文以FANUC0i-TD数控系统为例，对图1所示管螺纹进行宏程序编程。

O3001（粗车程序）

M03 S300

T0303 M08

#1=87.108（螺纹起点处的大径）

#2=3.175（螺纹的螺距）

#3=2.54（螺纹牙型高度）

#4=2.4（粗车后的牙型高度，留精车余量）

#5=0.6（径向每层切削深度值，此值要能被#4整除）

#7=0.3（粗车时，在每层上的每刀轴向借刀量）

#8=4.544（螺纹编程起点的Z向坐标值）

#9=-27.456（螺纹编程终点的Z向坐标值）

#10=89.109（螺纹编程终点处的大径）

G00 X[#1+20]Z[#8]

#14=#4（从粗车牙型高度开始分层）

N1#14=#14-#5

#6=#14*TAN[30]（计算出某切削层中刀尖向右侧的最大借刀量）

#16=#6

N2 G00 Z[#8+#16]

G00 X[#1-2*#4+2*#14]

G32 X[#10-2*#4+2*#14]Z[#9+#16]F#2

G32 U6 W-3 F#2

G00 X[#1+20]

IF[#6 EQ 0]GOTO4（车了牙底最后一刀后退出螺纹车削）

IF[#16 EQ-#6]GOTO3（在某层上车了最左侧一刀后准备车下一层）

#16=#16-#7（轴向每次向左侧借刀0.3 mm）

IF[#16 GE-#6]GOTO2（在某层上循环借刀车削）

IF[#16 LT-#6]THEN#16=-#6

GOTO2（计算出的借刀量超出最左侧时，重新赋值后再车1刀）

N3 IF[#14 GT 0]GOTO1

N4 G00 X200

Z100

M05

M09

M30

%

O3002（精车程序）

M03 S300

T0303 M08

#1=87.108（螺纹编程起点处的大径）

175（螺纹的螺距）

#3=2.54（螺纹牙型高度）

#4=2.4（粗车后的牙型高度，留精车余量）

#5=0.08（螺纹牙型侧面的Z向总精车余量）

#6=0.02（精车每刀Z向精车余量，能被#5整除）

#8=4.544（螺纹编程起点的Z向坐标值）

#9=-27.456（螺纹编程终点的Z向坐标值）

#10=89.109（螺纹编程终点处的大径）

G00 X[#1+20]Z[#8]

#16=0

N1#16=#16+#6（每刀轴向精车0.02 mm）

N2 G00 Z[#8+#16]

G00 X[#1-2*#4]

G32 X[#10-2*#4]Z[#9+#16]F#2

G32 U6 W-3 F#2

G00 X[#1+20]

IF[#16 LT 0]GOTO3

IF[#16 GT 0]THEN#16=-#16（精车右侧后精车左侧）

GOTO2

N3#16=-#16

IF[#16 LT#5]GOTO1（共循环精车4刀）

G00 Z[#8]

G00 X[#1-2*#3]

G32 X[#10-2*#3]Z[#9]F#2（精车牙底余量）

G32 U6 W-3 F#2

G00 X[#1+20]

G00 X200

Z100

M05

M09

M30

%

4 结语

以上是一种不锈钢管螺纹的数控车削粗、精加工程序，对于同类型但不同规格的管螺纹，只需修改其中的变量参数值就可直接使用。