雙導(dǎo)程蝸桿車削加工關(guān)鍵技術(shù)問題的解決措施

【摘要】雙導(dǎo)程蝸桿的車削，是螺紋加工中最復(fù)雜的工藝，關(guān)鍵技術(shù)問題有掛輪計(jì)算、車刀幾何形狀的選擇、齒厚遞增方向與車削順序的確定、防止車削過程引起扎刀和碰傷螺旋面、標(biāo)準(zhǔn)齒厚位置上的齒厚控制等；處理好上述問題，是保證加工質(zhì)量和效率的前提。

【關(guān)鍵詞】雙導(dǎo)程蝸桿變厚量標(biāo)準(zhǔn)齒厚車削加工質(zhì)量

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2014）05C-0184-03

雙導(dǎo)程蝸桿，是設(shè)計(jì)時(shí)給定蝸桿的左右兩螺旋面的導(dǎo)程不相等，所形成的螺紋齒厚按一定的變厚量逐漸變化（如圖1所示），所以亦稱漸齒厚蝸桿。漸齒厚蝸桿與蝸輪嚙合，當(dāng)蝸桿作軸向位移時(shí)，還可以調(diào)整蝸桿與蝸輪的嚙合側(cè)隙，常用于機(jī)械傳動(dòng)中要求精確分度的機(jī)構(gòu)。雙導(dǎo)程蝸桿的制造精度要求很高，除了軸承位的尺寸精度和形位公差要求，還有蝸桿的齒側(cè)對(duì)軸承位的位置精度，標(biāo)準(zhǔn)齒的齒厚尺寸精度及齒側(cè)表面粗糙度等，都有較高要求；另外齒部要求有較高的硬度和耐磨性。因此，工藝過程比較復(fù)雜，尤其蝸桿齒部的加工最為關(guān)鍵。本文以雙導(dǎo)程蝸桿齒部切削加工為重點(diǎn)研究對(duì)象，通過實(shí)踐總結(jié)出車削雙導(dǎo)程蝸桿的關(guān)鍵技術(shù)問題及解決措施，對(duì)保證加工質(zhì)量和提高加工效率具有實(shí)質(zhì)性意義。

圖1 雙導(dǎo)程蝸桿示意圖

注：在In-In截面上，點(diǎn)劃線部分為假想齒廓，指軸向剖面的齒槽最窄處。

一、切削雙導(dǎo)程蝸桿常見的主要技術(shù)問題

在車削雙導(dǎo)程蝸桿過程中，常見的主要技術(shù)問題有：車床銘牌里沒有加工雙導(dǎo)程蝸桿對(duì)應(yīng)的導(dǎo)程，且原有的配換掛輪不滿足所加工導(dǎo)程要求；車刀幾何形狀選擇不合理，使切削無法正常進(jìn)行；加工出的蝸桿齒厚遞增方向與圖樣不符；車削過程出現(xiàn)扎刀或蝸桿螺旋面被碰傷；標(biāo)準(zhǔn)齒厚位置上的齒厚與圖樣嚴(yán)重不符等。

針對(duì)上述主要技術(shù)問題，找出解決方法和注意事項(xiàng)，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效車削雙導(dǎo)程蝸桿的有效途徑。

二、雙導(dǎo)程蝸桿的齒形形成原理及加工中相關(guān)計(jì)算

雙導(dǎo)程蝸桿軸向剖面內(nèi)的齒廓和普通的阿基米德螺旋線蝸桿的齒廓一樣，不同的是雙導(dǎo)程蝸桿齒槽左右兩側(cè)的螺旋面的左面導(dǎo)程SZ和右面導(dǎo)程SY不相等，切削時(shí)分別以導(dǎo)程SZ和SY變換掛輪切削左右齒面，因此加工形成的齒槽寬逐漸變窄（或逐漸變寬），而齒厚逐漸變寬（或逐漸變窄）。其相關(guān)幾何參數(shù)計(jì)算，根據(jù)有關(guān)資料給出的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

這里以圓柱形等齒形角漸齒厚蝸桿為例，介紹其相關(guān)幾何參數(shù)計(jì)算。

例：加工圓柱形等齒形角的阿基米德漸齒厚蝸桿，已知軸向模數(shù)（名義模數(shù)）ms =6mm ，壓力角αο=20°，線數(shù)z=1，分度圓直徑df =66 mm ，螺紋增厚量ΔB=0.4 mm，蝸桿軸向調(diào)整量LΟ=12 mm，螺紋計(jì)算長度L=100 mm，確定其它幾何參數(shù)如下。

（一）蝸桿螺牙的變厚量a

變厚量是每個(gè)齒厚的等差增量，由公式a=（△Bπms.z）/ 2l0 得：

a= （0.4×3.1416×6×1）/2×12≈0.3142mm。

（二）蝸桿名義導(dǎo)程S

由公式S=ms.π Z 得：S=6×3.1416×1≈18.8496 mm。

（三）蝸桿分度圓柱上的螺旋升角Ψ

由公式tanΨ＝ S /πdf＝πms.z /πdf得：

tanΨ＝（π×6×1）/ （π×66）≈0.0909，Ψ＝5.194°

（四）蝸桿螺牙左面導(dǎo)程SZ和右面導(dǎo)程SY

當(dāng)齒厚向左方遞增時(shí)SZ＝S－a ，SY＝S＋a（當(dāng)齒厚向右方遞增時(shí)SZ＝S＋a ，SY＝S－a）。設(shè)定本蝸桿齒厚向左方向遞增，得：SZ＝18.8496－0.3142≈18.5354 mm，SY＝18.8496＋0.377≈19.1638 mm。

（五）最大齒厚系數(shù)P1，P2

由公式P1＝（s+a）/2π，P2＝（s-a）/2π 得：

P1＝19.1638 /2×3.1416≈3.05mm，P2＝18.5354/2×3.1416≈2.95 mm。

（六）嚙合長度Ln

由公式Ln＝L0＋L/2得：Ln＝12＋100/2＝62 mm。

（七）距中心為Ln處的軸向齒厚BLn（理論最大齒厚）

由公式

BLn＝（1- P2/P1）Ln+（1+ P2/P1）πms./4得:

BLn＝（1-2.95/3.05）×62+（1+2.94/3.06）×3.1416×6 /4≈11.30 mm。

（八）最小實(shí)際齒槽寬BL

由公式BL＝（πmS-BLn）CosΨ-2hetanα（he為齒根高，he＝1.2MS）應(yīng)滿足BL>2，才能滿足車削和磨削加工要求。得：BL＝（3.1416×6-11.3）×Cos5.194°-2×1.2×6×tan20° ≈2.28>2，滿足要求。

（九）標(biāo)準(zhǔn)齒厚Bb

由公式Bb＝m sπ/ 2得：Bb＝6×3.1416 /2≈9.4248 mm。

（十）標(biāo)準(zhǔn)齒法向齒厚Bbn

由公式Bbn＝Bb.cosψ得：Bbn＝9.4248×cos5.194°≈9.386 mm。

其它參數(shù)如頂圓直徑、分度圓直徑，齒根圓直徑、齒頂高、齒根高等的計(jì)算與普通蝸桿計(jì)算相同，這里不再介紹。

三、切削雙導(dǎo)程蝸桿的關(guān)鍵技術(shù)問題的解決措施

（一）變換配換掛輪和走刀箱手柄的搭配

切削雙導(dǎo)程蝸桿時(shí)不能按公稱導(dǎo)程的公稱模數(shù)進(jìn)行掛輪，應(yīng)按左、右兩螺旋面的導(dǎo)程掛輪，由于左、右導(dǎo)程不相等且非整數(shù)，所以，掛輪計(jì)算既要精確至滿足加工導(dǎo)程要求，又要滿足機(jī)床掛輪原則。解決方法如下：

1.配換掛輪計(jì)算：

Z1 / Z2 =（SZ / S）× i原

Z1'/ Z2'=（Sy / S）× i原

式中：Z1、 Z2 —切削左側(cè)螺旋面時(shí)的掛輪齒數(shù)

Z1'、 Z2'—切削右側(cè)螺旋面時(shí)的掛輪齒數(shù)

SZ— 左側(cè)螺旋面的導(dǎo)程

Sy — 右側(cè)螺旋面的導(dǎo)程

S— 名義導(dǎo)程

i原—機(jī)床銘牌上公稱模數(shù)原有的掛輪比

例：在CA6140車床上車削上例漸齒厚蝸桿的左、右兩螺旋面，計(jì)算其掛輪齒數(shù)。

解：Z1 / Z2 =（SZ / S）× i原＝ 18.5354/18.8496×64/97≈64/100

Z1'/ Z2'=（Sy / S）× i原＝19.1638/18.8496×64/97≈67/100

（式中i原＝64/97是車床公制模數(shù)螺紋的原有掛輪比）

2.變換配換掛輪：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，制作并變換配換掛輪，車削左側(cè)螺旋面導(dǎo)程Sz＝18.5354時(shí)，采用64 /100掛輪組；車削右側(cè)螺旋面導(dǎo)程Sy＝19.1638時(shí)，采用67 / 100掛輪組。

3.走刀箱手柄位置搭配：走刀箱各手柄位置仍按車削名義模數(shù)時(shí)（本例名義模數(shù)Ms = 6mm），車床銘牌上對(duì)應(yīng)的手柄位置進(jìn)行調(diào)整。

（二）螺紋車刀幾何形狀的合理選擇

由于漸齒厚蝸桿的螺旋升角Ψ比較大（尤其是多線螺紋）、牙型高度較大，切削時(shí)軸向切削力很大，當(dāng)蝸桿車刀的后角過小會(huì)產(chǎn)生讓刀，后角過大則影響刀尖強(qiáng)度和耐磨性；再者螺旋升角影響工作前角的大??；另外，蝸桿車刀刀尖寬度受到蝸桿最小齒槽寬的限制。所以，蝸桿車刀幾何形狀，必須根據(jù)蝸桿螺旋升角大小和蝸桿幾何參數(shù)來選擇，才能滿足加工要求。以下是蝸桿車刀及幾何角度的選擇推薦。

1.粗車刀的選擇

蝸桿粗車切削量較大，為了提高加工效率，可采用合金車刀，特別是數(shù)控車削加工，車床轉(zhuǎn)速較高，高速鋼車刀的耐磨性差，不能滿足加工要求。在普通車床上手動(dòng)操作加工，車床轉(zhuǎn)速不能太高，可采用高速鋼車刀。另外，因切削力較大，選用可調(diào)式彈性蝸桿車刀刀桿（如圖2所示），一是可采用法向裝刀的方法，根據(jù)蝸桿螺旋升角調(diào)整車刀工作后角和側(cè)向前角，二是刀桿具有彈性，切削力過大時(shí)，刀桿的彈性變形可避免扎刀產(chǎn)生。

圖2可調(diào)式彈性蝸桿車刀刀桿

蝸桿粗車刀的幾何形狀可按普通蝸桿車刀的形狀刃磨，必須注意刀頭寬應(yīng)小于蝸桿最小實(shí)際齒槽寬BL的尺寸，還要考慮齒側(cè)加工余量及借刀量，因此，刀頭寬b≤BL-（0.6~0.8）mm。其它角度參考圖3（a）所示車刀幾何形狀。

（a） 粗車刀（b） 左側(cè)精車刀 （c） 右側(cè)精車刀

圖3蝸桿車刀刀桿

2.精車刀

雙導(dǎo)程蝸桿的齒側(cè)半精車或精車，均是單面切削時(shí)的車削為了避免精車刀在最小齒槽寬處出現(xiàn)兩側(cè)切削刃同時(shí)切削，應(yīng)分左側(cè)精車刀和右側(cè)精車刀。為了切削順利，獲得細(xì)的表面粗糙度，可在側(cè)刃的前刀面磨出小月牙槽。對(duì)于單件生產(chǎn)，以精車完成最后加工的雙導(dǎo)程蝸桿，精車刀刀頭略小于最小齒槽寬BL。對(duì)于精度和硬度要求高的雙導(dǎo)程蝸桿，只需半精車留余量，熱處理后磨削作為最后精加工，精車刀的刀頭寬b≤BL -（0.5~0.6）mm。左右精車刀幾何形狀如圖3（b）、3（c）所示。

（三）根據(jù)齒厚遞增方向確定工件的安裝與車削順序

工件的安裝與車削順序，對(duì)螺紋齒厚遞增方向有直接影響，如果安排不當(dāng)，可能出現(xiàn)齒厚遞增方向與圖樣不符，或給操作帶來不便。經(jīng)加工對(duì)比得出，較為合理的安裝和車削順序如下。

1.對(duì)于螺紋的齒厚向左遞增的蝸桿

當(dāng)Sz < Sy，螺紋的齒厚向左遞增，左端的齒厚最大，齒槽最窄。車螺紋時(shí)，工件安裝使齒厚遞增方向與圖樣上的方向相同，即齒厚大的一端在卡盤一邊（稱同向安裝）。單件加工順序?yàn)椋合劝醋髮?dǎo)程Sz進(jìn)行搭配掛輪，采用分層和斜進(jìn)切削法粗車左右側(cè)螺旋面，保證槽底最小齒槽寬

圖4

2.對(duì)于螺紋的齒厚向右遞增的蝸桿

當(dāng)Sz > Sy，齒厚向右遞增。車螺紋時(shí)，工件安裝與圖樣的方向相反，齒厚最大的一端在左端（稱反向安裝）。但必須注意：車削左側(cè)螺旋面時(shí)，應(yīng)按圖樣上的右面導(dǎo)程Sy掛輪；車削右側(cè)螺旋面時(shí)，應(yīng)按圖樣上的左面導(dǎo)程Sz掛輪。這時(shí)切削的狀況和上述方法相似，加工出的螺紋齒厚遞增方向符合圖樣要求。倘若采用同向安裝，在粗車第二側(cè)牙螺旋時(shí)，切削余量最大的在左端（即靠卡盤一端），走刀切削時(shí)切削厚度由小不斷加大，將引起崩刀和工件報(bào)廢，甚至出現(xiàn)事故。

（四）避免車削過程出現(xiàn)扎刀或蝸桿螺旋面被碰傷的方法

1.采用分層斜進(jìn)法粗車

雙導(dǎo)程蝸桿的模數(shù)較大，齒槽較深，螺紋車刀切削刃工作長度大，切削力大，當(dāng)切削層過寬時(shí)，排屑不順，很容易引起扎刀。因此，采用圖5（a）所示分層斜進(jìn)法粗車，使切削寬度變窄，排屑順暢，減小切削力，即可避免產(chǎn)生扎刀。

（a） 分層斜進(jìn)法粗車（b）精車左側(cè)（c） 精車右側(cè)

圖5

2.采用半角月牙槽精車刀進(jìn)行半精車或精車

半精車和精車時(shí)，車刀切削刃對(duì)整個(gè)齒側(cè)進(jìn)行切削，切削力很大，為了使車刀鋒利，主切削刃上磨出月牙性排屑槽，使切削輕便，排屑順暢，保證表面加工質(zhì)量。同時(shí)刀頭磨成半角的形狀，分左右精車刀，如圖5（b）、5（c）所示，車削時(shí)，可避免另一側(cè)切削刃碰刮另一側(cè)齒面。

對(duì)于精度要求不高且只需調(diào)質(zhì)處理的蝸桿，采用軟卡爪夾持、后頂尖支承進(jìn)行粗車，調(diào)質(zhì)處理后，再采用兩頂一夾安裝精車至尺寸。對(duì)精度要求較高（或需要淬火處理）的蝸桿，采用一頂一夾裝夾粗車，兩頂一夾裝夾半精車（留余量），（淬火處理后）再上磨床兩頂一夾裝夾磨削加工至尺寸。

（五）標(biāo)準(zhǔn)齒厚位置上的齒厚與圖樣嚴(yán)重不符

控制齒形的尺寸，是加工蝸桿的關(guān)鍵技術(shù)之一，而標(biāo)準(zhǔn)齒的法向齒厚（如圖4中尺寸Bbn），是雙導(dǎo)程蝸桿主要的檢測(cè)項(xiàng)目。測(cè)量時(shí)，首先要找到標(biāo)準(zhǔn)齒厚所處的截面I-I的位置，再測(cè)量該位置分度圓上的法向齒厚Bbn的尺寸是否符合要求。具體方法如下：

1.劃標(biāo)準(zhǔn)齒厚位置線

粗車螺紋前在蝸桿外圓表面距大端Ln+L/2長度位置，劃出一圓周線，即圖1中的I-I截面線。

2.劃標(biāo)準(zhǔn)齒厚軸向截面線

由于有齒厚增量的影響，通過線上的不同點(diǎn)所測(cè)得的齒厚也不同，所以還必須找到以I-I截面為對(duì)稱中心的齒形所在的軸向截面，才能找到標(biāo)準(zhǔn)齒的法向截面。當(dāng)車完左側(cè)螺旋面后，用游標(biāo)卡尺在牙頂上測(cè)出I-I線與左側(cè)螺旋面棱邊的距離等于標(biāo)準(zhǔn)齒頂寬的一半（即0.843Ms / 2）的點(diǎn)，通過該點(diǎn)劃一軸向線與I-I線相交，通過該交點(diǎn)的法向齒厚就是標(biāo)準(zhǔn)齒的法向齒厚，并注意加上后面工序的加工余量。

精車時(shí)，應(yīng)注意標(biāo)準(zhǔn)齒厚在以I-I截面為對(duì)稱中心處的齒厚余量是否均等，控制工序的切削量，保證精車標(biāo)準(zhǔn)齒厚的尺寸精度。

經(jīng)實(shí)踐證明，按照上述措施加工雙導(dǎo)程蝸桿螺紋，操作方便可靠，既保證粗車、精車的加工質(zhì)量又提高效率，可應(yīng)用于單件或批量加工。

【參考文獻(xiàn)】

［1］中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)備大理司.機(jī)械手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1970

【作者簡介】韋富基（1958-），男，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：數(shù)控技術(shù)，機(jī)電技術(shù)教育。

（責(zé)編丁夢(mèng)）