數(shù)控車床梯形螺紋副的工藝與加工方法探討

趙美林

（無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇無錫 214028）

0 引言

梯形螺紋副是機械行業(yè)中用于各種傳動機構(gòu)中的一種典型的傳導(dǎo)螺紋副，一般其螺紋的內(nèi)、外螺紋成對出現(xiàn)。由于梯形螺紋牙型深、螺距大，加工時容易出現(xiàn)3刃同時切削現(xiàn)象，在實際數(shù)控車削過程中容易產(chǎn)生振動。如果工藝和加工安排不合理，由于其切削熱和切削力過大，容易導(dǎo)致刀尖嚴重磨損，甚至產(chǎn)生扎刀現(xiàn)象，嚴重地影響梯形螺紋加工質(zhì)量與效率[1]。

本研究以一對典型的梯形螺紋副為例，探討梯形螺紋副的內(nèi)、外螺紋的加工工藝、編程方法和加工要點。

1 加工方法及加工工藝

1.1 螺紋結(jié)構(gòu)及基本要素

如圖1所示，加工對象為梯形螺紋副，左上的螺桿是一個軸類零件，右上的螺套是一個套類零件，兩零件的內(nèi)、外螺紋需旋合，須保證兩個零件的形狀、尺寸及精度要求。

梯形螺紋是最常用的傳動螺紋，其牙型為等腰梯形，牙型角為30°，與普通螺紋相比，牙根強度高，對中性好。梯形螺紋的表示為：Tr36×6，代號為“Tr”、公稱直徑為36 mm、螺距為6 mm，如左旋螺紋需加注“LH”，右旋則不注出。

圖1 梯形螺紋副

內(nèi)、外梯形螺紋的牙型如圖2所示，其主要參數(shù)及尺寸計算如表1所示。

圖2 梯形螺紋副的牙型

表1 梯形螺紋副各組成部分的含義

梯形螺紋加工時牙型要正確，螺紋中徑應(yīng)該與基準軸經(jīng)同軸，梯形螺紋是中徑定心，螺紋車削時必須保證中徑尺寸公差，牙兩側(cè)的表面粗糙度要小。梯形外螺紋的中徑公差等級有6、7、8、9四種(6級公差僅是為了計算7、8、9級公差值而列出的)，公差帶位置有h、e、c三種；梯形內(nèi)螺紋的中經(jīng)公差等級有7、8、9三種，公差帶位置只有H一種。

1.2 梯形螺紋車刀

常用的梯形螺紋車刀材料為高速鋼和硬質(zhì)合金兩大類。低速切削時選用高速鋼車刀（圖3），加工一般精度的梯形螺紋時常采用硬質(zhì)合金車刀進行高速車削[2]。

圖3 高速鋼梯形螺紋車刀

由于數(shù)控車床加工梯形螺紋要求較高。通常采用可轉(zhuǎn)位機夾刀，并且選用有較高硬度、耐熱性和耐磨性好、壽命較長的刀片，例如：YT15硬質(zhì)合金刀片（如圖4）。加工標準梯形螺紋時，刀片為標準刀片，其刀各部分尺寸都為標準值，當(dāng)切削深度等于牙型高度時，中徑尺寸就符合加工要求。

梯形螺紋加工時需正確安裝刀具，其車刀主切削刃必須與工件軸線等高而且平行（如才用彈性刀桿，應(yīng)高于軸線約0.2 mm），螺紋刀刀頭的角平分線應(yīng)垂直于工件的軸線，加工前一般用樣板找正裝夾刀具，以免產(chǎn)生螺紋半角誤差，如圖5所示。

圖4 硬質(zhì)合金梯形螺紋刀片

1.3 梯形螺紋的加工方法

與普通三角形螺紋相比，梯形螺紋的牙型深、螺距大、精度高，因此梯形螺紋吃刀深、走刀快、切削余量大，實際加工時應(yīng)根據(jù)螺距及螺紋精度要求，選擇合理的加工方法（圖6）。

圖5 用樣板找正裝夾板

螺距較小的螺紋車削采用如圖6所示的直進法和斜進法，適用于用一把刀頭寬等于牙槽底寬的車刀進行加工；螺距較大的螺紋車削時一般采用如圖6所示左右車削法、分層切削法等。

圖6 梯形螺紋的加工方法

（1）直進法

直進法（一般用G32、G92指令）加工時，車刀沿橫向間歇進給，直至牙深處（如圖6（a）），但由于螺紋車刀三刃同時切削，切削力很大，排屑不暢，刀具磨損快，很容易引起扎刀等現(xiàn)象。

（2）斜進法

斜進法（一般用G76指令）加工時，車刀沿牙型角方向斜向間歇進給（如圖6（b）），它避免了三刃同時切削的現(xiàn)象，但仍存在刀具磨損快、牙型角略有偏差等不良情況，不適合螺距較大的梯形螺紋的加工。

（3）左右切削法

左右切削法加工時，螺紋車刀沿牙型角方向錯位進給（如圖6（c）），由于車刀兩個主切削刃中的一個在進行單刃切削，不易產(chǎn)生扎刀現(xiàn)象，螺紋精度和表面質(zhì)量易于控制，但數(shù)控編程較復(fù)雜。

（4）車直槽法

車直槽法加工時，一般先選用切槽刀，其刀頭寬度稍小于梯形螺紋底寬，采用橫向直進法切出直槽深度至小徑尺寸，須留有0.2～0.3 mm的余量；再用梯形螺紋刀采用斜進法或左右切削法加工（如圖6（d））。這種方法簡單，但是在車削大螺距的梯形螺紋時，由于切削的溝槽較深，排屑不順暢，并且刀具因其刀頭狹長，強度不夠而容易折斷。

（5）車階梯槽法

為了降低用切槽刀進行“直槽法”加工時刀頭的損壞，可以采用車階梯槽法（如圖6（e））。首先切槽刀不是直接切到梯形螺紋的小徑尺寸，而是分成若干層并左右移動，切削成階梯槽；其次換用梯形螺紋刀采用斜進法或左右切削法進行加工。這種方法排屑順暢，適合于批量生產(chǎn)，但換用梯形螺紋刀時不易對準螺旋直槽，容易產(chǎn)生倒牙現(xiàn)象。

（6）分層切削法

直進法和左右切削法的綜合就是分層切削法［3］（如圖6f）。加工螺距較大的梯形螺紋時，首先把牙槽分建成若干層，每一層就是一個較淺的梯形槽，每一層的加工都采用“先直進后左右”的車削方法。這種方法可以較好地避免其他加工方法中的三刃切削、“扎刀、崩刃”等現(xiàn)象，效率較高，加工質(zhì)量穩(wěn)定。分層切削法特別適合于用宏程序進行編程，利用宏程序編程可以解決表1中任意一個參數(shù)（例：公稱直徑）發(fā)生變化時的螺紋加工。

1.4 加工工藝分析

（1）螺桿工藝性分析：圖1所示的左側(cè)軸類零件，在加工中可以采用三爪自定心卡盤裝夾。先用T0101的93°外圓機夾車刀（80°C型菱形刀片）粗精車右端面和外輪廓；再用T0202刀寬3 mm的切槽刀切退刀槽；再用T0505（300）可轉(zhuǎn)位機夾式梯形外螺紋刀車螺紋；最后用T0202刀切斷零件。

（2）螺套工藝性分析。圖1所示右側(cè)套類零件，在加工中也采用三爪自定心卡盤裝夾。先用T0101的93°外圓機夾車刀（80°C型菱形刀片）粗精車端面和外輪廓；再用T0404中心鉆、T0505麻花鉆鉆φ26 mm的通孔；再用T0606的93°內(nèi)孔車刀（55°D型菱形刀片）粗精加工內(nèi)孔；再用T0707（300）可轉(zhuǎn)位機夾式梯形內(nèi)螺紋刀車內(nèi)螺紋；最后用T0202刀切斷零件控制總長。

按照工藝分析，制定的數(shù)控加工工序卡如表2、表3所示。

2 零件加工程序

如圖1所示的零件，可按表2和表3相應(yīng)的工序要求進行編程，其中涉及梯形螺紋，要進行編程前的相關(guān)計算（梯形螺紋的公差計算可查閱GB/T 5796.4-2005）。

表2 數(shù)控加工工序卡

表3 數(shù)控加工工序卡

（1）梯形外螺紋（Tr36×6-7e）

參照表1的計算公式，計算如下：

螺距P=6 mm，牙頂間隙ac=0.5 mm；

牙頂寬f=0.366×6=2.196 mm；

牙底寬W=2.196-0.536×0.5=1.926mm。

（2）梯形內(nèi)螺紋（Tr36×6-7H）

大徑D4=36+2×0.5=37 mm，標準螺紋規(guī)定，內(nèi)螺紋大徑公差不作規(guī)定。

（3）螺桿梯形外螺紋加工

表2工序3為螺桿梯形外螺紋的加工，它可以采用G76斜進法加工，其參考程序如表4所示。程序運行結(jié)束，需要用三針測量法測得實際中徑值，并計算余量，再修改磨耗值后方可進行精加工。

（4）螺套梯形內(nèi)螺紋加工

表3工序5為螺套梯形內(nèi)螺紋加工，其參考程序如表5所示。

表4 螺桿梯形外螺紋加工（G76斜進法加工）

梯形螺紋加工時，為了保證加工質(zhì)量和效率，編程時通常采用宏程序［4-8］進行分層切削法（如圖6（f）），加工方法詳見圖7。首先進行粗加工，按照實際加工經(jīng)驗，建議直徑方向留0.1～0.2 mm加工余量，其粗加工參考程序如表6所示；粗加工結(jié)束后，用三針測量法測量實際中徑值，并計算余量，修改X向磨耗值，為了減少精加工時螺紋車刀走空刀次數(shù)，可將宏程序中的“#1=0.1”的賦值改為“#1=3”修改后，重新運行原有程序，進行精加工，直至達到中徑尺寸。

3 結(jié)束語

在實際生產(chǎn)中，梯形螺紋的數(shù)控車削存在吃刀深、走刀快、切削余量多和縱向切削力大等技術(shù)難題。梯形螺紋的軸向剖面形狀是一個等腰梯形，其一般技術(shù)要求如下。

表5 螺套梯形內(nèi)螺紋加工

表6 螺桿梯形外螺紋加工（分層切削法、標準梯形螺紋刀）

（1）梯形螺紋中徑必須與基準軸頸同軸，其大徑尺寸應(yīng)小于基本尺寸。

（2）車梯形螺紋時必須保證中徑尺寸公差。

圖7 分層切削法加工

（3）梯形螺紋的牙形角要正確。

（4）梯形螺紋兩側(cè)面的表面粗糙度值要低。

梯形螺紋副在數(shù)控車床上的加工，要根據(jù)機床設(shè)備的剛度、工件材料、刀具材料、刀具強度以及梯形螺紋螺距等各種實際因素來綜合考慮，重點解決刀具、進刀、編程等工藝和加工問題，以滿足梯形螺紋副加工的質(zhì)量和效率。