大螺距鋸齒螺紋加工技術(shù)研究

程 升

(上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司，上海 200245)

0 前言

對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的左旋大螺距、右旋大螺距的鋸齒螺紋，當(dāng)要求相關(guān)件裝配后有一定的角度位向關(guān)系時(shí)，需在零件制造過程中嚴(yán)格控制螺紋的齒形精度、齒距精度和螺紋起始點(diǎn)位置精度，才能保證裝配時(shí)傳遞位移準(zhǔn)確，裝配方位滿足設(shè)計(jì)要求，因此，提高齒形精度、齒距精度和螺紋起始點(diǎn)位置精度是制造此類零件的關(guān)鍵技術(shù)。由于本文研究的對(duì)象是大尺寸、大螺距及材質(zhì)性能有特殊要求的零件，螺紋需要進(jìn)行粗、半精和精加工三個(gè)過程，在半精、精加工時(shí)，需要再次裝夾再次對(duì)刀找正,但由于螺紋加工時(shí)擠壓、產(chǎn)生毛刺和飛邊、熱處理變形等原因，后續(xù)加工中很難找到粗加工時(shí)螺紋起始點(diǎn)位置，精確找正是精車螺紋時(shí)的技術(shù)瓶頸，因此需進(jìn)行有效創(chuàng)新，探索出適宜公司設(shè)備現(xiàn)狀，能滿足設(shè)計(jì)要求的工藝方法。

1 大螺距鋸齒螺紋設(shè)計(jì)要求

某項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)為多段管體用連接螺母聯(lián)接，組裝后總長(zhǎng)30多米，并要求管體內(nèi)孔直線度不大于0.2 mm，連接螺母及相鄰兩管體均為一端左旋螺紋，另一端為右旋螺紋，裝配過程中各管體須按要求的角度位置關(guān)系對(duì)接放置，管體只作直線運(yùn)動(dòng)不允許轉(zhuǎn)動(dòng)，靠連接螺母擰緊時(shí)左右旋螺紋傳動(dòng)的軸向拉緊力，使兩管體作相向等距直線移動(dòng)，并在端面A處貼合密封，如圖1所示。

圖1 管體裝配示意圖

2 大螺距鋸齒螺紋工藝性分析

連接螺母及管體均為特殊材料的調(diào)質(zhì)合金鋼鍛件，螺紋為YS型(45°)螺紋、左右旋，螺距32 mm、48 mm、64 mm等規(guī)格，表面硬化處理,螺紋工作面粗糙度≤0.8。

由于螺距尺寸較大，為了保證調(diào)質(zhì)后材料的機(jī)械性能及精加階段較小的加工余量，性能熱處理前螺紋需粗加工；為了提高齒面的硬度和耐磨性，螺紋精加工后齒面需表面硬化。在整個(gè)制造過程中需進(jìn)行多次熱處理，主要有鍛后熱處理(正火+高溫回火)、性能熱處理(淬火+高溫回火)、人工時(shí)效處理及齒面表面硬化處理。連接螺母及管體均為一端左旋螺紋，另一端為右旋螺紋，如圖2、圖3所示。

圖2 連接螺母示意圖

圖3 管體示意圖

為了保證螺母擰緊時(shí)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，兩端左右旋螺紋同步運(yùn)動(dòng)，須通過工藝過程控制連接螺母兩端的左右旋螺紋的起始點(diǎn)位置M及N的軸向剖面在同一角度位置(即在同一條母線上)，相互對(duì)接的管體1及管體2螺紋起始點(diǎn)位置M及N的軸向剖面也須在同一角度位置(即在同一條母線上)，這樣才能保證螺母與兩管體的左右旋螺紋同步等距移動(dòng)。

3 大螺距鋸齒螺紋加工技術(shù)難點(diǎn)分析

鋸齒形螺紋的加工，由于牙型不對(duì)稱、螺紋槽窄而深、排屑困難，易造成切屑堆積，引起“燒刀”、“打刀”、“啃刀”、“扎刀”等現(xiàn)象。特別是該項(xiàng)目中大螺距鋸齒螺紋螺距從32 mm到64 mm等不同規(guī)格，尺寸較大無成型刀滿足加工要求，在實(shí)際加工中采用常規(guī)的車削方法加工很難加工出合格的產(chǎn)品，尤其齒型工作面表面粗糙度Ra<0.8，車削加工不易達(dá)到。

兩端左、右旋螺紋起始點(diǎn)有一定的角向位置要求，加工過程中須保證兩端起始點(diǎn)位置一致；性能熱處理前螺紋須進(jìn)行粗加工，熱處理后需再次裝夾、再次對(duì)刀，并要借正變形量，重新找正、確認(rèn)粗加工時(shí)螺紋起始點(diǎn)位置。

大尺寸，定起點(diǎn)的螺紋測(cè)量，無法用量規(guī)、千分尺、測(cè)長(zhǎng)機(jī)常規(guī)檢手段進(jìn)行檢測(cè)，須設(shè)計(jì)專用工裝，對(duì)螺紋牙型、螺距及螺紋起始點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。

4 大螺距鋸齒螺紋加工措施

大螺距鋸齒螺紋YS D×T(牙型45°，左、右旋)要求螺紋公稱直徑與內(nèi)孔(A)同軸度φ0.06 mm。工藝采用 PVD TiN刀片半精、精車螺紋非工作面及牙形底部符圖，留磨量精車螺紋工作面；車床上裝夾磨頭，用碗形砂輪精磨螺紋工作面符圖，保證表面粗糙度Ra≤1.6要求。螺紋端面加工時(shí)，劃端面十字中心線并引劃另一端，保證兩端起始點(diǎn)軸線剖面與工件軸線等高，以距起始點(diǎn)端面整數(shù)倍螺距位置作為加工起始點(diǎn)；精銑端面作為測(cè)量基準(zhǔn)面，用起始點(diǎn)確認(rèn)卡規(guī)精確控制起始點(diǎn)位置。對(duì)該螺紋進(jìn)行表面硬化處理HRC45-50，要求硬化層深度0.3～1 mm。采用半精加工后通過人工時(shí)效或低溫除應(yīng)力回火，可最大程度消除加工應(yīng)力，防止表面淬火后零件變形；螺紋精加工后采用激光淬火，此方法變形量少，可滿足螺紋精度要求。

合理的加工方案能有效的保證零件設(shè)計(jì)精度、提高生產(chǎn)效率，在加工不同階段，合理選用刀具、優(yōu)化切削參數(shù)和制定正確工藝方案，并通過控制工藝過程中關(guān)鍵點(diǎn)，可有效規(guī)避加工中可能出現(xiàn)的問題。

4.1 刀具的選用

粗加工時(shí)以提高工作效率和降低成本為主，刀具材料采用具有較高的強(qiáng)度、韌性以及良好的刃磨性能的高速鋼，以承受切削加工時(shí)較大的切削力和沖擊力，滿足粗車時(shí)進(jìn)刀量，大進(jìn)給量的要求，斜邊加工的刀具選用主偏角Kr為45°車刀，如圖4所示，直角邊加工選用割槽刀如圖5所示，底部圓角用與牙槽底圓弧相同的成型刀處理。

圖4 45°車刀

圖5 割槽刀

圖6 球頭刀

精加工時(shí)重點(diǎn)控制螺紋尺寸精度及表面粗糙度，采用SANDVIK中的PVD TiN(PVD物理氣相沉積)涂層牌號(hào)，這種牌號(hào)刀片在高切削速度、長(zhǎng)時(shí)間切削時(shí)有極高的耐磨性和非涂層牌號(hào)的切削刃銳度與韌性，尤其適用于精車大螺距螺紋時(shí)，螺紋槽窄而深等復(fù)雜的加工條件，斜邊加工可選用主偏角Kr為45°車刀完成，也可用球形刀在數(shù)控車床上，用循環(huán)程序完成直角邊及斜邊加工，底部圓角用成型刀處理。

4.2 車削(進(jìn)刀)方法及切削參數(shù)的選用

螺紋的車削加工進(jìn)刀方法常見的有徑向、側(cè)向和交替式等3種方法。

通過對(duì)鋸齒形螺紋的粗、精加工工藝特點(diǎn)理論分析和實(shí)踐，粗加工時(shí)采用徑向進(jìn)刀方法，精加工時(shí)采用側(cè)向進(jìn)刀方法，可改善加工狀況和滿足設(shè)計(jì)精度要求。

粗加工階段，按進(jìn)刀量遞減的徑向進(jìn)刀方法，如圖7所示。進(jìn)刀量遞減法是根據(jù)螺紋牙型深度，進(jìn)刀量從相對(duì)大的初始值5 mm到較小的初始值1 mm逐漸遞減，直到最后完成螺紋粗加工，此方法可控制每次走刀產(chǎn)生的切屑量相同，解決了粗加工時(shí)進(jìn)刀越深，切削力和沖擊力越大的難題。

圖7 粗加工進(jìn)刀方式

走刀路徑按徑向進(jìn)刀方法，即當(dāng)沿徑向進(jìn)刀到一定深度，退刀后，利用小拖板向前移動(dòng)一個(gè)小于刀尖寬度0.5～1 mm的距離，然后再從外圓進(jìn)刀，直到進(jìn)刀后刀具45°的切削刃快要接觸前面車出的90°面時(shí)為止停止近刀。退刀后，再次利用小拖板向前移動(dòng)一個(gè)小于刀尖寬度0.5～1 mm的距離，再重復(fù)上面操作，直到加工到螺紋的牙底。這種移位直進(jìn)法的好處是，切屑斜向、并向外排出，不易擦傷叧一側(cè)面(90°面)。同時(shí)，排屑流暢，切屑不會(huì)因堆擠而造成“燒刀”、“打刀”、“啃刀”、“扎刀”及擦傷兩側(cè)面等現(xiàn)象的發(fā)生。因此螺紋槽兩側(cè)面，可以獲得Ra<3.2的表面粗糙度值，為精車獲得較好表面粗糙度打下了良好基礎(chǔ)。

每次徑向進(jìn)刀量

(1)

式中，Δap為徑向進(jìn)刀量；X為實(shí)際走刀順序數(shù)(從1到總的走刀次數(shù))；ap為螺紋總深度；nap為走刀次數(shù)；φ1=0.3，φ2，3，…=1。

精加工時(shí)，采用改進(jìn)式側(cè)向恒定進(jìn)刀法，如圖8所示。恒定進(jìn)刀法是在切削過程中，沿斜邊或直角邊以固定的切削參數(shù)進(jìn)行切削，切屑厚度固定，可獲得最佳切屑控制和刀具壽命，起始值約為0.18～0.12 mm，但應(yīng)保證最后一次走刀的進(jìn)刀量至少為0.08 mm,為了獲得較好的表面粗糙度值，越接近精車留量，進(jìn)刀(直進(jìn)、徑向)應(yīng)漸次減少，必要時(shí)還應(yīng)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速(這里指的是用高速鋼刀具進(jìn)行車削時(shí))，最后一次走刀可以是不進(jìn)刀的空走刀，用于消除切削過程中的反彈。

圖8 精加工進(jìn)刀方式

每次徑向進(jìn)刀量：

(2)

式中，ap為螺紋總深度；nap為走刀次數(shù)；x為實(shí)際走刀順序數(shù)(從1到總的走刀次數(shù))。

軸向進(jìn)刀量的計(jì)算公式：

對(duì)于45°螺紋切削，軸向進(jìn)刀量=徑向進(jìn)刀量。

對(duì)于30°螺紋切削，軸向進(jìn)刀量=Δapx·tan30°進(jìn)刀量。

5 制造工藝流程

大螺鋸齒形螺紋加工工藝流程為：原材料準(zhǔn)備-冶煉-冶煉成分分析-鍛造-鍛后熱處理-螺紋粗加工-無損檢測(cè)(超聲檢測(cè))-性能熱處理-取樣-試驗(yàn)(力學(xué)性能檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、成品成分分析)-螺紋半精加工-螺紋精加工-齒面硬化處理-成品檢驗(yàn)(超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、目視檢查、尺寸檢查)-標(biāo)識(shí)-清潔-包裝-運(yùn)輸-交貨。

螺紋加工的關(guān)鍵在于控制螺紋的五個(gè)要素：牙型、公稱直徑、線數(shù)、螺距及旋向，定起點(diǎn)螺紋還要控制螺紋的起始點(diǎn)。

5.1 螺紋粗加工

螺紋粗加工在工件性能熱處理前進(jìn)行，加工前要深入理解圖紙，重點(diǎn)要保證螺紋旋向、螺距及起始點(diǎn)位置符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求，并保留合理的熱處理余量。

(1)內(nèi)外圓及端面留合理性能熱處理余量粗車；

(2)在工件兩端面劃十字中心線,二端面余量均分，按設(shè)計(jì)要求劃出螺紋起始點(diǎn)位置M、N，并將起始點(diǎn)位置引劃至兩端面，用樣沖做永久標(biāo)記。

(3)工件上機(jī)床，轉(zhuǎn)動(dòng)工件，使過M-N軸線剖面與工件旋轉(zhuǎn)中心線等高，以距起始點(diǎn)L處為起刀點(diǎn)，其中

L=n·T

(3)

式中，L為起刀點(diǎn)；n為自然數(shù)；T為螺距。

在工件表面上車劃出第一條螺旋線，觀察落刀點(diǎn)是否與所劃螺紋起始點(diǎn)M(或N)位置一致，若一致測(cè)量螺距正確后，起刀點(diǎn)沿工件軸線方向前進(jìn)(或后退)1/4T距離，在工件表面上車劃出另一條螺紋線，在兩條刻線包絡(luò)區(qū)域，留熱處理余量，粗車螺紋，如圖9所示。

(4)同理粗車另一端螺紋。

圖9 粗加工起刀點(diǎn)示意圖

5.2 螺紋半精加工、精加工

螺紋半精加工、精加工在工件性能熱處理后進(jìn)行，此階段重點(diǎn)保證尺寸精度、螺距及牙型符合設(shè)計(jì)要求，控制再次裝夾時(shí)與粗加工螺紋起始點(diǎn)位置一致，并根據(jù)熱處理后的變形情況，借正變形量重新校正兩端起始點(diǎn)位置。

(1)內(nèi)外圓精加工，兩端面均留1/8T(T為螺距)余量。

(2)按原端面標(biāo)記引劃螺紋起始線；

(3)螺紋起始點(diǎn)的確定。

工件上機(jī)床，轉(zhuǎn)動(dòng)工件使過M-N軸線剖面與工件旋轉(zhuǎn)中心線等高，按公式(3)確定起刀點(diǎn)位置，車劃出第一條螺旋線，檢查落刀點(diǎn)位置是否與所劃螺紋起始點(diǎn)位置是否一致，若一致，測(cè)量螺距正確后，起刀點(diǎn)向工件方向前進(jìn)(或退)1/4T距離，車出另一條螺紋線，同理車出另一端螺紋包絡(luò)線。若兩端螺紋包絡(luò)線W均能包絡(luò)粗加工螺紋W1，如圖10所示，可以按粗加工時(shí)的起始點(diǎn)位置進(jìn)行精加工。

圖10 螺紋包絡(luò)線示意圖

若按原來起始點(diǎn)位置車出的螺紋包絡(luò)線W不能全部包絡(luò)粗加工螺紋W1，如圖11所示，可根據(jù)包絡(luò)線的軸向偏移量L，計(jì)算出起始點(diǎn)角度偏差α，按角度偏差調(diào)整兩端起始點(diǎn)位置在同一軸剖面時(shí)，試車的兩端螺紋包絡(luò)線能夠全部包絡(luò)粗加工螺紋，就可把此角度位向當(dāng)作精加工時(shí)的螺紋起始點(diǎn)位置。

圖11 起始點(diǎn)角度偏差示意圖

起始點(diǎn)角度計(jì)算公式為

α=360L/T

(4)

式中，L為未包絡(luò)區(qū)域的軸線偏移量；T為螺距；α為角度偏差。

(4)半精、精車：按調(diào)整好的螺紋起始線，編制循環(huán)程序，用球形車刀加工工作面及斜邊，底部圓角用成型刀清根。

(5)裝夾碗形砂輪磨頭，精磨螺紋工作面符圖，保證表面粗糙度Ra<0.8要求。

5.3 螺紋起始點(diǎn)位置最終精加工

粗、精加工階段螺紋起始點(diǎn)是靠劃線、目測(cè)和在機(jī)床上試車保證，不同的操作者和機(jī)床設(shè)備，由于經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備精度等原因，加工精度不確定因素很多，因此需要使用統(tǒng)一的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)螺紋起始點(diǎn)進(jìn)行最終的精加工。

分析和研究螺紋起始點(diǎn)定義，起始點(diǎn)就是螺旋線與端面的交點(diǎn)，但在實(shí)際加工中，由于擠壓、產(chǎn)生毛刺和飛邊，這一點(diǎn)的準(zhǔn)確位置很難找到，根據(jù)車削螺紋時(shí)，工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，軸向進(jìn)刀移動(dòng)一個(gè)螺距的原理，只要控制與這一端面整數(shù)倍螺距的某一剖面上螺紋起始點(diǎn)角度位置一致，就能間接保證兩端左右旋螺紋與端面的交點(diǎn)角度位置一致。因此只要設(shè)計(jì)制造出能夠測(cè)量距起始點(diǎn)端面一倍螺距位置的起始點(diǎn)卡板，用卡板控制距起始點(diǎn)端面一倍螺距處過軸線剖面的起始點(diǎn)位置，就可間接保證兩端螺紋起始點(diǎn)位置一致。

(1)在起始點(diǎn)端面余量處，加工出測(cè)量止口面，如圖12所示。將工件沿回轉(zhuǎn)中心水平放置，兩端起始點(diǎn)M-N軸線剖面置于水平位置，找正工件二端面平行、內(nèi)孔及外圓同軸,誤差在0.02 mm以內(nèi)；精銑螺紋起始點(diǎn)測(cè)量止口面，過軸線中心1/2δ樣板厚度以下保留，以上部分按二端面余量精銑滿足工件總長(zhǎng)要求，要求兩端止口高度一致，高度誤差在0.10 mm以內(nèi)。

圖12 精加工時(shí)螺紋起始點(diǎn)確認(rèn)卡規(guī)使用示意圖

(2)按卡規(guī)檢測(cè)情況精銑端面。起始點(diǎn)確認(rèn)卡規(guī)按圖13、14所示，放置測(cè)量止口面，若正好卡入，或齒斜面、或螺紋端面間隙一致(<0.03 mm)，說明螺紋起始點(diǎn)滿足要求；若間隙差≥0.03 mm,螺紋起始點(diǎn)還未滿足要求，需要通過修正一端螺紋端面來滿足要求，修正量一般在0.02～0.05 mm；銑修螺紋不完整邊牙符合要求。

圖13 內(nèi)螺紋起始點(diǎn)確認(rèn)卡規(guī)使用示意圖

圖14 外螺紋起始點(diǎn)確認(rèn)卡規(guī)示意圖

5.4 兩端螺紋表面硬化處理

對(duì)精加工后的齒面進(jìn)行數(shù)控激光淬火，此方法高效快捷、淬火不開裂、不變形、冷卻快，取得了較好的淬火效果。

6 大螺距鋸齒螺紋測(cè)量方法

6.1 專用工裝的設(shè)計(jì)

對(duì)于直徑1 m以上，長(zhǎng)度5～9 m大尺寸定起點(diǎn)的螺紋測(cè)量，無法用量規(guī)、千分尺、測(cè)長(zhǎng)機(jī)常規(guī)檢手段進(jìn)行檢測(cè)，需要設(shè)計(jì)專用的齒形卡板，如圖15所示、齒距卡板如圖16所示、螺紋起始點(diǎn)確認(rèn)卡規(guī)，如圖14所示等檢測(cè)工具，加工過程中用卡板對(duì)螺紋牙型、螺距及螺紋起始點(diǎn)位置檢測(cè)控制，保證最終加工精度。

圖15 螺紋齒形卡板

圖16 螺紋齒距卡板

6.2 專用工裝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

按設(shè)計(jì)要求的螺紋中徑、牙槽寬尺寸、精度等級(jí)、公差及偏差值，計(jì)算齒形卡板中徑處齒厚(或牙槽寬)尺寸及上下偏差，按螺紋大、中、小徑尺寸及公差計(jì)算牙型高/(牙槽深)尺寸及偏差值。

螺距相同的左右旋螺紋，可使用相同的齒形卡板、齒距卡板。

相同螺距的內(nèi)外螺紋，齒距卡板同，但齒形卡板不同，因?yàn)橄嗷ヅ浜系膬?nèi)外螺紋須保證組裝后有適當(dāng)?shù)膫?cè)隙，便于裝配。

以螺紋中徑為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，保證內(nèi)外螺紋卡板設(shè)計(jì)尺寸協(xié)調(diào)一致，左右旋螺紋同用一塊齒距卡板及及齒形卡板，保證測(cè)量及加工基準(zhǔn)統(tǒng)一。

6.3 卡板使用方法

卡板使用時(shí)，須與定位面貼緊，用塞尺及透光法檢查另一面間隙均應(yīng)小于0.02 mm。齒形卡板檢測(cè)時(shí)，與工件齒形間隙小于0.02 mm；齒距卡板以一側(cè)工作齒面定位，另一齒與工作面間隙小于0.02 mm;起始點(diǎn)確認(rèn)卡板以基準(zhǔn)端面定位，測(cè)量一個(gè)螺距位置剖面處工作齒面與卡板間隙小于0.02 mm。

粗、精加工起始點(diǎn)確認(rèn)卡規(guī)相同。通過工藝過程控制，可用一個(gè)螺紋起始點(diǎn)確認(rèn)卡規(guī)，控制粗、半精、精加工各階段螺紋起始點(diǎn)位置。

若設(shè)計(jì)要求起始點(diǎn)位置在M-N位置，但因粗、半精加工階段螺紋起始點(diǎn)兩端面均有加工余量，若余量為amm，加工時(shí)的起始點(diǎn)M′/N′位置需要按M/N位置轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度θ(左旋螺紋順時(shí)針轉(zhuǎn)，右旋螺紋逆時(shí)針轉(zhuǎn))，通過角度換算，粗、精加工階段就可使用同一個(gè)起始點(diǎn)卡規(guī)進(jìn)行檢查，如圖17所示。為了加工時(shí)方便計(jì)算，端面余量amm最好為1/2T、1/4T和、1/8T等，根據(jù)端面余量轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ的計(jì)算公式為

θ=360a/T

(4)

式中，a為端面余量；T為螺距。

圖17 粗、半精加工時(shí)起始點(diǎn)角度轉(zhuǎn)換示意圖

為便于計(jì)算，端面余量最好是1/2、1/4或1/8倍螺距，換算方法如表1所示。

表2 角度換算表

7 結(jié)束語

通過對(duì)大螺距、定起點(diǎn)鋸齒螺紋加工技術(shù)的的工藝性分析和研究，闡述了螺紋粗、精加工時(shí)刀具選用、進(jìn)刀方法、切削參數(shù)的選用準(zhǔn)則，不同階段的加工方法及重點(diǎn)控制要素，并設(shè)計(jì)出制造簡(jiǎn)單、使用方便的專用齒形卡板、齒距卡板，起始點(diǎn)確認(rèn)卡規(guī)，探索出大螺距、定起點(diǎn)螺紋加工及測(cè)量新方法。該工藝方法合理科學(xué)，能保證大螺距、定起點(diǎn)螺紋的加工精度，并達(dá)到設(shè)計(jì)精度及裝配精度要求。