大螺距非標雙頭梯形內(nèi)螺紋的加工研究

王鋒強，蓋永亮

(航空工業(yè)慶安集團有限公司，陜西 西安 710077)

近年來，隨著制造業(yè)的發(fā)展，為了實現(xiàn)某些運動，非標零件出現(xiàn)的頻率越來越高。本文對某大螺距非標雙頭梯形內(nèi)螺紋的加工進行了分析研究。

1 零件結(jié)構(gòu)特點

1.1 梯形螺紋形狀和參數(shù)

某非標梯形內(nèi)螺紋形狀如圖1所示，其參數(shù)要求見表1[1]。由圖1和表1可知，D2=(D1+D)/2=D1+H=D-H；H=D-D2=20-17=3 (mm)；S=NP；P=S/N=20/2=10 (mm)；D1=D-2H=20-2×3=φ14 (mm)。

表1 某非標梯形內(nèi)螺紋參數(shù)

圖1 某非標梯形內(nèi)螺紋

1.2 相關(guān)尺寸計算

由上述參數(shù)可知，該螺紋為雙頭梯形螺紋，且導程較大(S=20 mm)。螺紋的導程直接影響著運動變化的快慢，而對于螺紋而言，其主要影響螺紋升角(導程角)φ(見圖2)，在圓柱的外圍用1張直角三角形的紙圍起來，剛好旋轉(zhuǎn)1周時軸向的距離就是導程S，這時∠D′ON就是螺紋升角，即為“螺紋牙的螺旋線與過其1點的螺紋軸成直角平面的夾角”[2]。

圖2 螺紋升角

由圖2可得，螺紋升角φ=arctan(S/πD)。代入?yún)?shù)得，φ=17.7°。

2 刀具選用及優(yōu)化

2.1 加工車刀分析

在加工梯形螺紋時，螺紋導程的增大會導致螺紋升角增大，而螺紋升角增大會使刀具切削刃前角發(fā)生變化(見圖3a)，使用成形車刀加工會出現(xiàn)螺紋牙側(cè)的加工表面一側(cè)前角變大，另一側(cè)前角變?yōu)樨?；而且，無論如何設(shè)置后角都不能使得兩邊平衡，在影響加工面的同時，也影響刀具刃口壽命。為了平衡，可采用兩側(cè)刃口前角相同的方法，即將刀具傾斜1個螺紋升角(見圖3b)，以避免前角不平衡而帶來的負面影響；然而由于刀具的傾斜，導致加工溝槽底部的切削刃高度不同，而比中心高或者低的切削刃所加工的直徑要比中心部分直徑大(見圖3c)，則會使得螺紋小徑產(chǎn)生誤差。

圖3 切削角度變化示意圖一

梯形螺紋形狀和螺距根據(jù)軸心的垂直斷面來決定，但它和螺紋牙的垂直斷面不同。在軸心高度處使刀具傾斜螺紋升角，但溝槽螺紋升角(導程角)在大徑、小徑上是不一樣的(見圖4a)，所以切削刀具的刀尖應(yīng)做小。為了避免上述缺陷，應(yīng)使用兩邊切削刃前角在同一中心線上的刀具，可采用整體式或分體式刀具。對于整體式刀具(見圖4b)而言，磨刀非常困難；而分體式刀具(見圖4c)在每一側(cè)分別使用專用刀具，對于精度要求高的刀具可采用這種方法，但就內(nèi)螺紋而言，分體式刀具的使用及磨刀維護同樣存在很多不便，還需根據(jù)實際情況進行優(yōu)選。

圖4 切削角度變化示意圖二

2.2 專用車刀設(shè)計

由于該梯形內(nèi)螺紋導程大(S=20 mm)、小徑小(D1=φ14 mm)，導致螺紋底孔小、牙高尺寸較大(H=3 mm)；因此，采用通用梯形螺紋刀不能滿足加工要求，應(yīng)根據(jù)該非標螺紋定制專用梯形內(nèi)螺紋車刀。

根據(jù)螺紋實際要求，筆者首先選定加工方案為成形車刀加工，根據(jù)螺紋各參數(shù)要求制定刀具如圖5和圖6所示。

圖5 成形車刀(實物)

經(jīng)過對刀具分析可知，該成形車刀存在很明顯的缺陷，如圖6中14°的刀具角度小于螺紋升角φ=17.7°，會導致螺紋表面出現(xiàn)加工干涉；而刀具刀柄圓角R8大于螺紋小徑D1=φ14 mm(R7)，使得刀具無法靠近底孔邊緣，影響螺紋牙高H；同時，因為該刀具為內(nèi)螺紋車刀，不可能在安裝刀具時實現(xiàn)傾斜1個螺旋升角的角度，加工中刀具易磨損(見圖5)，且螺紋表面質(zhì)量不高(見圖7)。

圖6 成形車刀(圖樣)

圖7 螺紋試切削結(jié)果

經(jīng)過上述分析，結(jié)合成形車刀實際試加工中所暴露的缺陷，對刀具進行優(yōu)化改進，確定其最終形態(tài)如圖8和圖9所示。

圖8 優(yōu)化后螺紋車刀(實物)

經(jīng)過實際調(diào)試加工表明，螺紋各項參數(shù)均滿足設(shè)計要求，且梯形螺紋表面質(zhì)量較好。梯形螺紋實物如圖10所示。

圖10 梯形螺紋實物圖

3 非標梯形內(nèi)螺紋的加工方法

加工梯形螺紋的方法有很多種，包括直進法、斜進法、左右切削法、切槽法和分層法等[3]。由于梯形螺紋較三角螺紋的螺距和牙型都大，而且精度高，牙型兩側(cè)面表面粗糙度較小，致使車削梯形螺紋時，吃刀深，走刀快，切削余量大，切削抗力大。而對于大螺距非標梯形內(nèi)螺紋而言，由于刀具受螺紋底孔直徑的影響，刀具強度較低，因此，應(yīng)選擇適應(yīng)的加工方法，以保證有效地完成梯形螺紋的加工。

1)直進法。適宜加工螺矩P<5 mm的梯形螺紋，螺紋車刀X向間歇進給至牙深處。采用該方法加工梯形螺紋時，螺紋車刀的三面都參加切削，導致加工排屑困難，切削力和切削熱增加，刀尖磨損嚴重。當進刀量過大時，還可能產(chǎn)生“扎刀”現(xiàn)象，這方法在數(shù)控車床上可采用G92指令來實現(xiàn)。在該非標梯形螺紋用成形車刀首次試加工中，所使用的就是直進法，但是很顯然，由于螺距較大，三刃切削，該方法是不可取的。

2)斜進法。適宜加工5≤P<12的梯形螺紋，螺紋車刀沿牙型角方向斜向間歇進給至牙深處。采用該方法加工梯形螺紋時，螺紋車刀始終只有一側(cè)刃參加切削，從而使排屑比較順利，刀尖的受力和受熱情況有所改善，在車削中不易引起“扎刀”現(xiàn)象，該方法在數(shù)控車床上可采用G76指令來實現(xiàn)，但是該方法加工的螺紋被切削側(cè)面質(zhì)量好，另一側(cè)面則需要二次加工才能保證表面質(zhì)量。

3)左右切削法。螺紋車刀沿牙型角方向交錯間隙進給至牙深。該方法類似于斜進法，但是該方法螺紋車刀兩側(cè)刃均參與切削，避免了斜進法中一側(cè)面表面質(zhì)量不好的缺陷，在數(shù)控車床上采用宏指令編程來實現(xiàn)。

4)切槽法。用于加工P≥8 mm的梯形螺紋。該方法先用切槽刀粗切出螺紋槽，去除大余量，再用梯形螺紋車刀按上述某一加工工藝加工螺紋兩側(cè)面，完成螺紋精加工。該方法的編程與加工在數(shù)控車床上較難實現(xiàn)。

5)分層法[4]。是直進法和左右切削法的綜合應(yīng)用。在車削較大螺距的梯形螺紋時，分層法通常不是一次性就把梯形槽切削出來，而是把牙槽分成若干層，每層深度根據(jù)實際情況而定，轉(zhuǎn)化成若干個較淺的梯形槽來進行切削，可以降低車削難度。每一層的切削都采用左右交替車削的方法，背吃刀量很小，刀具只需沿左右牙型線切削，梯形螺紋車刀始終只有1個側(cè)刃參加切削(見圖11)，從而使排屑比較順利，刀尖的受力和受熱情況有所改善，因此能加工出較高質(zhì)量的梯形螺紋，且容易掌握，利用宏程序編程，程序簡短，容易操作。

圖11 分層切削

4 非標梯形內(nèi)螺紋加工宏程序編制

在梯形螺紋的各種加工方法中，要加工該大螺距非標梯形內(nèi)螺紋，保證螺紋質(zhì)量，同時考慮到螺紋車刀的限制，分層法是最優(yōu)加工方案。由設(shè)計所提供的各項螺紋參數(shù)，計算得該非標梯形螺紋牙底寬4.9 mm，而螺紋車刀刀尖最終寬度為2 mm，因此采用分層法加工螺紋，先中間，后兩邊，分粗精加工。加工路徑示意圖如圖12所示。由圖12可知，每層分3刀切削，背吃刀量很小。每層加工深度為0.1 mm，轉(zhuǎn)速為150 r/min，進給F=S(導程)=20 mm。

圖12 加工路徑示意圖

以Fanuc 0i mate系統(tǒng)為例，加工宏程序編制如下：

N4 ； (程序編號)

M98 P1； (調(diào)用子程序1)

T0404 ； (調(diào)取螺紋車刀)

M3 S150 ；(換梯形螺紋刀，主軸轉(zhuǎn)速150 r/min)

#1=0.2； (定義#1為初始切削深度，直徑方向0.2 mm，單邊0.1 mm深)

#5=2. ； (定義#5為1-2、1-3刀間距初始值)

#2=#5 ； (定義#2為每次實際刀間距)

WHILE[#1 LE 6.3] DO 1 ； (直徑方向切深≤6.3時，執(zhí)行子程序1)

G0 X13.5 Z15. ； (快速走到右邊粗加工加工起刀點)

G92 X[14+#1] Z-33. F20. ； (按1號刀具路徑車削)

G1 Z[15+#2] ； (直線進刀至3號刀具路徑)

G92 X[14+#1] Z-33. F20.； (按3號刀具路徑車削)

G1 Z[15-#2] ； (直線進刀至2號刀具路徑)

G92 X[14+#1] Z-33. F20.； (按2號刀具路徑車削)

G1 X13.8 Z15. ； (快速走到右邊精加工加工起刀點)

G92 X[14+#1] Z-33. F20. Q180000 ；(按1號刀具路徑車削，翻轉(zhuǎn)180°)

G1 Z[15+#2] ； (直線進刀至3號刀具路徑)

G92 X[14+#1] Z-33. F20. Q180000 ；(按3號刀具路徑車削，翻轉(zhuǎn)180°)

G1 Z[15-#2] ； (直線進刀至2號刀具路徑)

G92 X[14+#1] Z-33. F20. Q180000 ；(按2號刀具路徑車削，翻轉(zhuǎn)180°)

#1=#1+0.1 ； (給#1自加，完成X向進給)

#3=TAN[15]*[#1/2] ； (根據(jù)#1自加，計算Z向變量#3)

#2=[#5-#3] ； (根據(jù)Z向變量#3，計算實際刀間距#2)

END 1 ； (循環(huán)子程序1結(jié)束)

G0 Z20. ； (快速退刀)

M98 P1 ； (調(diào)用子程序1)

M30 ； (程序結(jié)束)

經(jīng)過實際加工試驗，在數(shù)控車床上用該宏程序，由優(yōu)化后螺紋車刀切削，成功地完成了該非標梯形內(nèi)螺紋的加工，而對于雙頭數(shù)，乃至于多頭數(shù)梯形螺紋，只需更改宏程序中角度參數(shù)Q即可。

5 非標梯形內(nèi)螺紋加工的注意事項

對于通用標準梯形內(nèi)螺紋，都有通用的加工刀具及成熟的加工工藝，但對于非標梯形內(nèi)螺紋，尤其是如本文所述大螺距螺紋，則需要工藝操作者進行仔細分析計算，并優(yōu)化選取，制定加工流程，關(guān)鍵是做好如下幾點。

1)仔細分析非標梯形螺紋參數(shù)，根據(jù)不同參數(shù)要求選定合理加工工藝，并設(shè)計優(yōu)化切削刀具。

2)合理選擇加工梯形螺紋的切削方法和梯形螺紋的加工流程，并編制加工程序。

3)針對不同頭數(shù)的梯形內(nèi)螺紋需要按加工程序逐個加工，而在完成加工后需要用通用方法對螺紋參數(shù)進行檢測，并用相配件或?qū)Ｓ萌?guī)對零件配合進行檢測，從而設(shè)置補償控制精加工量，直到加工合格為止，才能卸下工件。

6 結(jié)語

本文通過對非標梯形內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)特點、刀具設(shè)計、加工方法研究、加工宏程序的編制以及螺紋加工的注意事項等方面進行總結(jié)，可以看出，對不同的梯形螺紋有不同的加工方法及工具；同時，運用宏程序加工梯形螺紋，降低了梯形螺紋車削的難度和強度，可高質(zhì)、高效地完成梯形螺紋的加工。

[1] 李新勇. 螺紋實用手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 技能士の友編集部. 螺紋加工[M]. 陳愛平，等譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3] 單小明, 馬文麗. 基于宏程序的梯形螺紋加工[J]. 科技創(chuàng)新導報, 2010(11):116.

[4] 朱曉華. 巧用宏程序加工大螺距梯形螺紋[J]. 機械與電氣, 2009(11):43, 47.