機(jī)床中螺紋加工的工藝研究

周 丹

（攀枝花學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，攀枝花 617000）

機(jī)床中螺紋加工的工藝研究

周 丹

（攀枝花學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，攀枝花 617000）

本文介紹螺紋成形的原理和普通車床加工的要素，并以分件供送螺桿為例，研究數(shù)控機(jī)床上加工變導(dǎo)程螺紋的工藝方法，從CAD到CAM對整個螺紋加工流程進(jìn)行全面實(shí)踐驗(yàn)證，達(dá)到理想的效果。

螺紋加工 機(jī)床 變螺距螺桿 工藝研究

引言

機(jī)械上主要的連接法中，螺紋連接是一種能夠簡單地分解、結(jié)合的連接方式。螺紋的用處很廣，既可用于連接、緊固和調(diào)節(jié)，又可用于傳速動力或改變運(yùn)動形式。例如，車床的主軸與卡盤的連接，方刀架上螺釘對刀具的緊固，絲杠與螺母的傳動等。

1 螺紋的成形原理

在直徑為D的圓柱上卷上一張直角三角形abc的紙片，如圖1所示，它的斜邊ac就成為一條螺旋線。如果沿這條曲線加工，使它像卷上一條斷面呈三角形或四角形的帶子，就形成了螺紋。

圖1 螺牙的形成

2 普通車床加工螺紋的特點(diǎn)

用普通車床車螺紋時，是把坯料裝到車床上，使其旋轉(zhuǎn)，再由主絲杠規(guī)定車刀的進(jìn)度，使進(jìn)度相當(dāng)于螺紋的導(dǎo)程，用車刀車削出螺紋，如圖2所示，在車床上攻內(nèi)外螺紋。車床車螺紋時走的是絲桿路線，且轉(zhuǎn)速一定，在退刀時，主軸的轉(zhuǎn)動方向與進(jìn)刀時相反（即反轉(zhuǎn)，而且是無慣性轉(zhuǎn)動）這就保證刀具進(jìn)刀時都是在同一點(diǎn)上，使之不會出現(xiàn)亂牙。數(shù)控車床車螺紋不亂牙主要靠主軸上安裝的編碼器實(shí)現(xiàn)。

圖2 用車床攻螺紋

相配的內(nèi)外螺紋，除旋向與線數(shù)一致外,螺紋的配合質(zhì)量主要取決牙型角α、螺距P和中徑D2（d2）三個基本要素的精度，如圖3所示。

圖3 普通螺紋的基本要素

（1）牙型角α的保證。取決于車刀的刃磨和安裝。車刀刃磨兩側(cè)刃的夾角應(yīng)等于螺紋軸向剖面的牙型角α，且應(yīng)前角γ0=10°。螺紋車刀安裝時，刀尖必須與工件軸線垂直。因此，要用對刀樣板。

（2）螺距P的保證。基本方法是在工件旋轉(zhuǎn)一周時，車刀對準(zhǔn)移動一個螺距。所需配換齒輪的齒數(shù)及進(jìn)給箱手柄的位置均標(biāo)注在進(jìn)給箱上的標(biāo)牌上，使用時按照調(diào)整即可。利用車床進(jìn)給系統(tǒng)中的反向機(jī)構(gòu)進(jìn)行右旋和左旋螺紋的調(diào)節(jié)。

車螺紋需經(jīng)多次縱向走刀才能完成。在多次切削中，必須保證車刀總是落在已切出的螺紋槽中，否則將出現(xiàn)“亂扣”，工件便為廢品。如果車床絲杠的螺距P是工件螺距P的整數(shù)倍，則每次切削后，可打開“對開螺母”縱向搖回刀架，而不會亂扣；如果不是整數(shù)倍，則不能打開“對開螺母”揺回刀架，只能打反車（即主軸反轉(zhuǎn)）使刀架縱向退回。

（3）中徑d2（D2）的保證。螺紋中徑是靠控制多次進(jìn)刀的總切深量保證。一般根據(jù)最紋牙高由刻度盤大致地控制，再用螺紋量規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)。如果通規(guī)（端）能擰進(jìn)，而止規(guī)（端）擰不進(jìn)，則螺紋合格。這種方法除檢驗(yàn)中徑外，還同時檢驗(yàn)牙型和螺距[1]。

3 數(shù)控機(jī)床螺紋車削

螺紋的加工方法很多，隨著數(shù)控技術(shù)的日益發(fā)展，采用數(shù)控機(jī)床加工螺紋已逐漸普及。以分件供送螺桿為例，研究三段組合式分件供送螺桿（等速度段、變加速段、等加速段），并建立構(gòu)建螺旋槽的接觸線，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建立一個三維參數(shù)化實(shí)體模型，在四軸聯(lián)動的銑削加工中心上模擬出變螺距螺桿的加工過程[2]。

3.1 建立三位實(shí)體模型

在ProeE/Wildfire5.0軟件中，采用至頂向下的設(shè)計(jì)方法建立分件螺桿的三維實(shí)體模型。創(chuàng)建三維參數(shù)化實(shí)體模型，如圖4所示。

圖4 三段式變螺距螺桿

3.2 制訂加工方案，確定工藝路線

變螺距螺桿具有一定的剛性，在加工中心加工時在第四軸（A軸）采用的夾緊方法為：一夾一頂，夾具類型為軸套類夾具，此軸類工件較為特殊，需要在其上面加工變螺距螺旋槽，故夾具上應(yīng)設(shè)計(jì)有導(dǎo)引裝置，考慮到工件的安裝還應(yīng)設(shè)計(jì)一個芯軸安裝工件，同時為保證芯軸的剛度，還需設(shè)計(jì)一個支架，其夾緊與對刀裝置前兩步已設(shè)計(jì)[3]。故確定其總體布局為導(dǎo)套+支架+芯軸+導(dǎo)引裝置的布局，選擇合理的設(shè)備和刀具后，根據(jù)計(jì)算和設(shè)計(jì)要求，確定出變螺距螺桿加工工藝過程卡，見表1。

表1 變螺距螺桿加工工藝過程卡

3.3 基于Pro/E變螺距螺桿的模擬加工

在帶有螺紋的運(yùn)行程序段運(yùn)行期間進(jìn)給倍率無效。在加工螺紋期間，不允許更改主軸倍率。首先，獲取設(shè)計(jì)模型和工件規(guī)劃，選擇加工機(jī)床、設(shè)置夾具和刀具，要注意的是建立參照坐標(biāo)系中Z軸要與分件螺桿的軸線垂直而不是平行，它控制主軸的進(jìn)給方向。然后進(jìn)行操作設(shè)置（如進(jìn)給速度、進(jìn)給量和機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速等）。根據(jù)變螺距螺桿的特點(diǎn)，選擇“自曲面等值線”曲面銑削作為該零件的切削方式，通過屏幕顯示，生成刀具路徑。設(shè)置NC序列，加工仿真。最后，創(chuàng)建CL數(shù)據(jù)文件，利用后處理器生成NC代碼。

在“NC序列”菜單中選擇“播放路徑”→“屏幕演示”命令，此時彈出“播放路徑”對話框，單擊“播放”按鈕，可以觀察刀具的走刀路線，如圖5所示。單擊“CL數(shù)據(jù)”可以查看生成的CL數(shù)據(jù)，如圖6所示。加工成型的變螺距螺桿如圖7所示。

圖5 演示刀具軌跡

圖6 CL數(shù)據(jù)

圖7 加工成型的變螺距螺桿

4 結(jié)語

機(jī)床中螺紋的加工方法有多種，螺紋的種類不同，加工的方法有所區(qū)別。要綜合考慮螺距的大小、刀具的強(qiáng)度及機(jī)床的剛性等情況，合理選擇加工方法，并根據(jù)工藝分析，在機(jī)床上加工出合格的螺紋。利用數(shù)控加工可以節(jié)約工時，并能加工出復(fù)雜的螺紋型面，而且完全實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)過程。

[1]馬壯.工程訓(xùn)練[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]李軍霞，史榮、，姚云峰，等.分件供送變螺距螺桿的建模與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011（2）：26-28.

[3]張金.變距螺桿的設(shè)計(jì)與加工技術(shù)研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2010.

Technology Research of Thread Processing Using Machine Tool

ZHOU Dan
(College of mechanical engineering, Panzhihua University, Panzhihua 617000)

This paper introduces the principle of the screw thread forming and the elements of ordinary lathe processing. A case study of variable pitch screw, research processing the approach of variable lead screw on numerical control machine tool and get the comprehensive practice verification in whole process of screw thread processing from CAD to CAM to achieve the ideal effect.

thread processing, machine tool, variable pitch screw, technological research

2012年四川省卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目”（川教函〔2012〕200號）。