曹胜豪
上海立达学院信息学院 上海 201609
【摘要】本论文通过阐述数控机床加工螺纹的现状及特点，分析了影响数控机床控制螺纹精度的因素，并且提出了相应的提高数控机床加工螺纹精度的措施。
【关键词】数控加工，螺纹精度，影响因素；
0引言
21世纪，随着数字控制技术的发展，生产企业对数控机床作为生产主体的依赖程度越来越高；人们对于产品质量、零件精度、互换性的追求也日趋显著。显然数控加工技术可以满足这样的需求，同时，应运而生了一部分数控技术人员对于数控机床控制零件精度进行不断的探索。加工精度直接决定了零件的使用性能、装配关系以及使用寿命，所以对于零件精度的控制十分有必要。
螺纹结构在机械结构中出现的频率很高，它起着连接零件、传递扭矩等作用。螺纹类零件精度准确与否直接影响了零件之间连接的密封性，甚至直接决定了零件是否合格。数控机床能够大大提高螺纹类零件的加工精度，然而在数控机床加工螺纹结构的过程中，对于螺纹精度的控制来说有诸多影响和考虑的因素，其中包括编程语句、加工工艺、机床参数以及机床本身精度等。
1数控加工技术简介
数控加工技术源于20世纪50年代，数控技术结合了电子计算机、自动控制技术、伺服驱动、精密检测以及新型机械结构。全球第一台数控机床是在1952年由麻省理工学院伺服机构实验室研制的数控机床试验性样机。在当代制造业中，数控加工已经占有举足轻重的位置，数控机床本身具有加工精度高、生产效率显著、劳动强度低、能够实现复杂结构零件的加工等优点。
数控技术是人类智慧和机械之美的有机融合，在数控机床加工零件的整个过程中，首先需要对零件图纸进行分析并且制定合理的加工工艺方案，对零件的一些加工节点进行数学处理；其次进行程序的编制，当今程序编制一般分为手动编程和自动编程，手动编程指的是程序员根据自己所学的编程知识进行程序编制，自动编程则可以结合当今现有的CAM软件进行程序的自动生成，如SolidCAM、Mastercam等；最后需要对编制完成的程序进行检验，通常可通过试切或者软件模拟加工对程序进行完善及修正。
数控装置分为硬件数控和软件数控。数控技术在硬件的支持下，通过执行控制软件来进行工作的；硬件包括CPU，存储器，局部总线，外围逻辑电路，I/O部件等，数控软件起着控制和管理的功能，用来实现零件程序的输入输出，译码，刀具补偿，速度及位置控制；其中速度和位置控制是直接影响加工精度的关键因素之一。
2数控机床加工螺纹及其特点
传统方式加工螺纹大多是通过主运动和进给传动之间的紧密机械连接和传动来实现，而数控机床加工螺纹则是通过数控系统中的译码功能进行主轴转速与伺服驱动刀具进给来实现；在数控机床加工螺纹的过程中，最先完成的是数控系统对螺纹加工程序进行编码。众所周知，带有螺纹结构的零件一般属于标准件，螺纹结构也有其相应的国家标准，其对应的直径、导程等参数都有严格的标准限制，那么在加工螺纹的数控程序中需要体现出这些主要参数，以便数控系统对其进行译码；当主轴旋转时，数控系统则会检测到相应信号，随后伺服系统将会根据先前编译好的主轴转速与进给量之前的比例关系对螺纹刀具进行驱动进给，此时伺服系统的性能直接影响了数控机床对于螺纹车削的精度。
利用数控机床加工螺纹结构，其方法也是多种多样的，以FANUC系统为例，螺纹加工的程序通常有螺纹车削单一循环指令G92以及螺纹切削复合循环指令G76。其中G92的加工方式为轴向进刀，可以车削内外圆柱、圆锥螺纹，一次单一循环完成径向进刀-轴向进刀切削-径向退刀-轴向退刀返回循环起点；程序中需要提供循环终点、导程、锥螺纹相应的锥度参数等。而G76属于螺纹切削复合循环指令，它采用斜向进刀，斜向进给量、牙型高度、精车余量等相应参数，该指令有粗、精车之分，与G92相比，有相对较高的加工精度。
与普通车床车削螺纹相比，首先存在着加工工艺性的差异，数控车床在车削螺纹的过程中，进给速度较快，螺纹刀具刀尖处作用力较大；第二，数控车床加工螺纹工艺较为简化，对于操作者的技术水平要求降低；第三，数控车削螺纹的效率及安全性相比普通车床有明显的提升。以上数控机床加工螺纹的显著特点使得研究数控机床加工螺纹精度的控制有了充分的必要性。
3数控机床加工螺纹精度的影响因素
（1）数控机床本身精度及形态变化
数控机床精度一般由伺服驱动装置所决定的，根据伺服系统的控制方式不同，数控机床可分为开环控制、半闭环控制以及闭环控制三种；其中，以直接检测工作台直线位移的闭环伺服系统精度最高，而没有位置、进给速度反馈机制的开环控制系统精度最低。
数控机床的形态变化取决于数控机床的刚度及其热变形情况。在外力作用下，机床能够承受的最大应力而不变形的情况作为机床的刚度，如果机床的刚度不能满足要求，那么在一定外力的作用下，机床的加工精度会受到一定影响；其次，机床在加工过程中受到的热源也是影响加工精度的因素之一，无论是机床还是零件本身，都会有一定程度的热变形，然而在加工螺纹的过程中的受热情况又和刀具材料、零件材料、加工方法等有着密切的联系。所以在螺纹加工时要对机床的自身精度以及螺纹加工时的受热情况进行一定的分析和处理。
（2）刀具及切削用量的选择
对于机械加工而言，刀具的选择至关重要，螺纹加工也不例外。
首先对于刀具自身的参数，如刀具强度、耐磨性、耐热等需要拥有一个综合性能较好的状态；其次，加工人员对于刀具的控制状态也尤为重要，刀具的角度安装、刀尖圆弧半径的控制都会影响螺纹的加工精度，如刀尖圆弧，刀尖圆弧越大，表面容易细化，但同时也会降低刀具的强度。所以怎样能够在刀具的选择和使用时对其进行合理有效的控制，从而提高螺纹精度是值得我们思考的问题。
其次，切削用量的合理选择也直接影响到螺纹的加工精度。众所周知，切削用量一般指背吃刀量、进给量和进给速度。其中，进给速度与主轴转速有关，在车削螺纹的过程中不宜采用较高的主轴转速；背吃刀量与数控机床在加工螺纹时的编程方法有直接的关系。所以采用合理的切削用量也是螺纹加工精度的保证。
（3）数控系统参数设置对螺纹精度的影响
在数控系统中，后台会有很多参数对于数控机床实现一些功能进行必要的参数设置，这些参数包括主轴功能、进给功能、图形显示、插补功能等，其中也有许多参数与螺纹加工有关，包括螺纹退尾参数、螺距误差补偿参数，进给插补补偿参数等。这些参数在不同程度上都对螺纹加工精度有着一定影响。比如FANUC系统N3624数据表示的是螺纹补偿点间隔，顾名思义，补偿点间隔越近，那么加工出来的螺纹精度更能得到保证。
（4）螺纹检测方式
我们知道，螺纹的检测方式一般有综合检测和单项检测两种。所谓综合检测一般指的用螺纹环规对螺纹总体情况进行考量，更注重旋合性的情况。而单项检测则是通过各种测量工具和仪器对螺纹中径、牙型半角和螺距进行精细测量，常用的工具有万能工具显微镜、立式光学计和量针等。一般情况下，单项测量能更有效，直接地控制螺纹的精度，而相对综合检测，单项检测需要消耗更多的时间和人力。
随着科技的不断进步，一些高精密的检测装置以及更为科学、先进的检测方法正在不断应运而生，其中包括在线检测及误差补偿系统等，都能从不同程度上，在螺纹加工过程中提高其精度
（5）其他因素
在螺纹加工过程中，对于机械加工系统而言会有来自外界各种各样的因素干扰其加工过程，如：温度、振动等。此外，螺纹加工者的专业技术水平也对螺纹精度控制有着一定的影响。
4数控机床控制螺纹加工精度的措施
（1）提高机械加工工艺系统性能
机械加工工艺系统包括机床、刀具、夹具以及零件本身，需要通过提高机械加工工艺系统来提升螺纹加工精度的话，机床和刀具是可以大做文章的。
对于机床而言，我们可以提高主轴刚度、主轴精度、导轨精度等。主轴是数控机床最重要的部件之一，也是实现主运动的重要部件，它旋转时的平稳状态直接决定了零件的振动、平稳等情况，因此主轴的精度和刚度尤为重要。同时，主轴相对于导轨以及其他相关重要部件的相对位置也是我们考量螺纹精度的因素之一。主轴不够平稳、主轴相对于导轨位置不平行可以直接导致螺纹牙型形状的偏差。除了主轴刚度和精度以外，导轨的精度也对螺纹加工的进给运动有所影响，比如数控车床车削螺纹时，刀架安装在导轨上，导轨精度有所偏颇时会影响螺纹大径、中径等基本尺寸。所以经常对机床导轨进行必要的检查和维护是长期使螺纹加工精度处于较高状态的有效手段之一。
螺纹刀具因素也一定程度影响了最终螺纹加工的精度，刀具因素中包括刀具角度、刀具安装、刀具自身性能等。平时应该加强刀具的控制管理，在加工螺纹时，要规范加工流程，刀具安装方法明确。
（2）选择合理的螺纹加工方案和检测方法
数控机床加工螺纹有很多种方法，其中单一循环加工的精度相对要比复合循环加工的精度要低一些，此外，合理编制复合循环中的各个加工参数也是保证螺纹精度的方法之一。此外，螺纹加工完的检测环节，也是最后一道精度控制关卡，不同精度要求的螺纹，选用不同的检测方式。
（3）设置最佳数控机床系统参数
在第3点中论述到在数控系统中成千上万的系统参数控制着数控机床加工过程的方方面面，其中也有大量参数和控制螺纹精度有着密切的联系。因此，在加工螺纹之前可以根据螺纹的精度要求对其相关的一些系统内部控制参数进行一定的修正；或者在加工螺纹过程中出现精度总是有偏差，或者有大概率精度难以保证，亦或是其他任何原因难以解决精度问题时，不妨可以排查一下系统参数，是否影响了螺纹加工精度。
（4）采用在线检测及误差补偿技术
该技术是比较先进的自动监测及误差补偿，该技术主要通过图像处理技术，对于获得的在线加工的螺纹图像进行图像分割处理，对分割后得到的图像进行目标边缘提取的过程，从而得到螺纹的实际加工参与，通过与螺纹的标准参数进行对比后，进行必要的误差补偿。该技术不仅可以运用在螺纹加工中，还可以推广至轮廓加工，是目前比较有效的提高零件加工精度的重要手段之一。
5总结
随着人们对产品质量以及精度要求的不断提高，机械加工技术也在日益更新。通过对影响螺纹精度因素的深入研究和探索，找出问题，加以解决；并且不断融入新技术、新科技，不仅在螺纹精度上加以保证，同时缩短加工时间、提高加工效率，加快步伐走进机械加工新时代。
6参考文献
[1] 周维泉. 螺纹的数控车铣加工[M].北京：机械工业出版社，2017
[2] 罗敏. FANUC数控系统设计及应用[M].北京：机械工业出版社，2014
[3] 钟新元. 数控车床加工精度的影响因素及措施《科技资讯》2017年第31期
作者简介：曹胜豪，男（1986.12-），汉族，上海人，工学学位，上海立达学院信息学院?助教，研究方向：机械制造，数控加工编程。