數(shù)控車(chē)床梯形螺紋的加工方法及改進(jìn)研究

陳靜

（常州科技經(jīng)貿(mào)技工學(xué)校，江蘇 常州213000）

梯形螺紋主要應(yīng)用于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中作為傳導(dǎo)螺紋，梯形外螺紋與內(nèi)螺紋以成對(duì)方式呈現(xiàn)，具有牙型深、螺距較大等特征，在采用數(shù)控車(chē)床進(jìn)行加工時(shí)易產(chǎn)生較大的切削力與振動(dòng)問(wèn)題，加劇刀尖磨損程度、易引發(fā)扎刀事故，影響到工件的質(zhì)量與加工生產(chǎn)進(jìn)度?；诖?，本文擬針對(duì)梯形螺紋的常規(guī)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，并通過(guò)程序調(diào)試確保工藝具備可行性。

1 梯形螺紋結(jié)構(gòu)與加工方法

1.1 梯形螺紋。1.1.1 基本結(jié)構(gòu)。選取一對(duì)典型梯形螺紋副作為參照，在該梯形螺紋副的左上方、右上方分別設(shè)有螺桿和螺套，兩類(lèi)零件的外形、尺寸與螺紋精度將直接決定零件能否正常旋合。以梯形螺紋Tr36×6 為例（各結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1 所示），其牙型呈等腰梯形、牙型角為30°，相較于其他螺紋在牙根強(qiáng)度、對(duì)中性上占據(jù)良好性能優(yōu)勢(shì)，其公稱(chēng)直徑為36mm、螺距為6mm。左旋螺紋需在尺寸規(guī)格后加注“LH”，右旋螺紋則不標(biāo)出。為保障梯形螺紋質(zhì)量達(dá)標(biāo)，應(yīng)在加工環(huán)節(jié)確保牙型的準(zhǔn)確度，使螺紋中徑與基準(zhǔn)軸保持同軸，以中徑尺寸定心，在車(chē)削加工環(huán)節(jié)注意控制好中徑的尺寸公差與兩側(cè)表面粗糙度[1]。

表1 梯形螺紋的結(jié)構(gòu)及計(jì)算公式

1.1.2 車(chē)刀材料。在車(chē)刀材料選取上，主要選用硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行梯形螺紋的高速車(chē)削，考慮到數(shù)控車(chē)床存在較嚴(yán)格的加工標(biāo)準(zhǔn)，因此選用材質(zhì)為YT15 硬質(zhì)合金的可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀片，保障刀片在硬度、耐磨性與使用壽命等方面具備良好的性能優(yōu)勢(shì)。在車(chē)削加工環(huán)節(jié)，應(yīng)注重選用標(biāo)準(zhǔn)刀片，在安裝刀具時(shí)控制主切削刃與工件軸線(xiàn)保持等高且平行，利用樣板進(jìn)行找正與糾偏處理，使刀頭角平分線(xiàn)與工件軸線(xiàn)呈垂直關(guān)系，并且將車(chē)削深度控制在與牙型高度一致的位置，確保中徑尺寸達(dá)標(biāo)。

1.2 加工方法。1.2.1 直進(jìn)法和斜進(jìn)法。直進(jìn)法指車(chē)刀沿水平方向間歇進(jìn)給至牙深部位，考慮到在車(chē)削梯形螺紋需利用車(chē)刀三刃同時(shí)切削，由此將產(chǎn)生較大的切削力、加劇刀具的磨損情況，并且無(wú)法保障及時(shí)排屑，易出現(xiàn)扎刀問(wèn)題。斜進(jìn)法指以牙型角方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，將車(chē)刀沿斜向間歇進(jìn)給，能夠有效減少切削力及產(chǎn)生的排屑量，但針對(duì)螺距較大的梯形螺紋進(jìn)行加工時(shí)，仍面臨刀具磨損與牙型角存在偏差等問(wèn)題，缺乏良好適用價(jià)值。1.2.2左右切削法。該方法指以牙型角反向?yàn)榛鶞?zhǔn)，將車(chē)刀錯(cuò)位進(jìn)給、實(shí)行單刃切削，借此有效規(guī)避多刃切削引發(fā)的扎刀問(wèn)題，既有助于提升螺紋的車(chē)削精度，同時(shí)也可優(yōu)化梯形螺紋表面質(zhì)量，但也存在編程復(fù)雜的問(wèn)題，無(wú)法保障加工效率。1.2.3 直槽法和階梯槽法。采用直槽法進(jìn)行螺紋加工，應(yīng)確保切槽刀的刀頭寬度不超過(guò)牙槽底寬，以小徑為參考沿橫向直進(jìn)切至指定的直槽深度，并且留足0.2mm 余量，隨后改用梯形螺紋刀沿斜向進(jìn)行加工。該方法將數(shù)控編程進(jìn)行簡(jiǎn)化，但同樣不適用于大螺距的螺紋加工，影響到排屑效果，加之刀頭較長(zhǎng)影響到梯形螺紋刀的強(qiáng)度，極易在加工過(guò)程中產(chǎn)生刀頭折斷的問(wèn)題。采用階梯槽法進(jìn)行加工時(shí)，通常需先完成牙槽的分層，控制切槽刀沿左右方向移動(dòng)切削出階梯槽，再改用梯形螺紋刀沿斜向進(jìn)行加工。該方法具有良好的排屑效果，可實(shí)現(xiàn)梯形螺紋的批量化加工，但在將切槽刀更換為梯形螺紋刀時(shí)無(wú)法保障刀體對(duì)準(zhǔn)螺旋直槽，易引發(fā)倒牙問(wèn)題。1.2.4 分層切削法。該方法主要將直進(jìn)法與左右切削法進(jìn)行整合，先利用切槽刀將牙槽劃分為多個(gè)梯形槽，再依照直進(jìn)、左右移動(dòng)的順序進(jìn)行各層梯形槽的車(chē)削加工。該方法適用于大螺距的梯形螺紋加工，能夠有效提高車(chē)削質(zhì)量與效率，避免產(chǎn)生扎刀問(wèn)題，并且可采用宏程序進(jìn)行編程處理，在梯形螺紋任意結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化的條件下仍可保障螺紋加工精度。

2 數(shù)控車(chē)床變速車(chē)削梯形螺紋的加工流程優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 常規(guī)加工方法存在的缺陷。通過(guò)針對(duì)四類(lèi)梯形螺紋車(chē)削加工方法進(jìn)行綜合分析，提煉出保障螺紋質(zhì)量的最優(yōu)方法的基礎(chǔ)上，還應(yīng)基于生產(chǎn)效率與加工精度層面進(jìn)行工藝流程的創(chuàng)新。通常利用數(shù)控車(chē)床以高轉(zhuǎn)速車(chē)削梯形螺紋時(shí)，往往面臨螺紋表面粗糙度不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，同時(shí)多個(gè)刀刃將產(chǎn)生較大的切削力與振動(dòng)效應(yīng)，易縮短切槽刀的使用壽命；在以低轉(zhuǎn)速車(chē)削梯形螺紋時(shí)，往往導(dǎo)致生產(chǎn)效率大幅下降，并且當(dāng)速度驟然變化時(shí)易引發(fā)螺紋亂牙問(wèn)題[2]?；诖耍疚臄M采用變速車(chē)削這一新型加工模式，首先利用粗車(chē)刀以高轉(zhuǎn)速進(jìn)行工件外形的車(chē)削，保障工件的大徑、中徑和小徑數(shù)值均符合標(biāo)準(zhǔn)值要求；隨后再改用精車(chē)刀以低轉(zhuǎn)速進(jìn)行工件的精車(chē)、修光處理，確保牙型角、牙頂寬與牙槽底寬等指標(biāo)均符合要求。在此過(guò)程中，需注意控制好高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速與粗車(chē)、精車(chē)間的銜接過(guò)渡，保障梯形螺紋的加工質(zhì)量。

2.2 變速車(chē)削加工方法的應(yīng)用。2.2.1 加工方案分析?；贕SK980TD 數(shù)控車(chē)床進(jìn)行梯形螺紋Tr36×6 的變速車(chē)削加工方案設(shè)計(jì)，考慮到該梯形螺紋的螺距為6mm、保持中等水平，因此可選用斜進(jìn)法與左右切削法配合加工，基于G76 指令進(jìn)行切削加工，依次完成粗車(chē)、精車(chē)環(huán)節(jié)的編程設(shè)計(jì)，注意留足余量。2.2.2變速車(chē)削加工程序設(shè)計(jì)。在粗車(chē)前，首先以X 方向?yàn)榛鶞?zhǔn)留出精車(chē)余量X0.5，將車(chē)床轉(zhuǎn)速設(shè)為每分鐘560r 的高轉(zhuǎn)速水平，待完成粗車(chē)后倘若直接將轉(zhuǎn)速調(diào)低進(jìn)行精車(chē)，極易產(chǎn)生牙槽亂牙問(wèn)題，并且易引發(fā)撞刀、刀片折斷等問(wèn)題，因此需重點(diǎn)做好粗車(chē)后的速度調(diào)節(jié)與工序控制。粗車(chē)程序設(shè)計(jì)如下：

在粗車(chē)完成后，首先將粗車(chē)刀停放的位置設(shè)為X200 Z5，隨后進(jìn)入對(duì)刀界面在磨耗欄中輸入U(xiǎn)8 刀補(bǔ)，使坐標(biāo)系上的原點(diǎn)朝X 軸右側(cè)移動(dòng)4mm 的距離，此時(shí)刀尖較先前提高約一個(gè)h3的距離；隨即將數(shù)控車(chē)床的轉(zhuǎn)速降低至每分鐘25r，再次運(yùn)行粗車(chē)程序，在此環(huán)節(jié)精車(chē)刀將位于靠近梯形螺紋表面的平面移動(dòng)，確保不會(huì)接觸到梯形螺紋表面。此時(shí)觀察梯形螺紋車(chē)刀可發(fā)現(xiàn)，車(chē)刀所處位置較牙槽存在一定的偏移，應(yīng)通過(guò)調(diào)試使車(chē)刀重新回到牙槽內(nèi)，在此可將粗車(chē)程序中的起始點(diǎn)Z0 調(diào)整為-1，再次運(yùn)行粗車(chē)程序，并同時(shí)校對(duì)車(chē)刀與梯形螺紋槽間的偏差值，調(diào)整至二者保持完全對(duì)正為止。接下來(lái)需針對(duì)偏移后的坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整，在對(duì)刀界面磨耗欄內(nèi)輸入U(xiǎn)-8 并執(zhí)行程序，即可使坐標(biāo)系重新恢復(fù)至粗車(chē)加工模式下的坐標(biāo)系，隨后再次運(yùn)行粗車(chē)程序，倘若發(fā)現(xiàn)精車(chē)刀在車(chē)削加工過(guò)程中觸碰到牙槽，則需重新進(jìn)行梯形螺紋的粗車(chē)加工，直至精車(chē)刀與牙型保持一致、無(wú)表面接觸為止。最后需針對(duì)梯形螺紋的小徑尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，選用左右切削法進(jìn)行切削調(diào)試，確保精車(chē)螺紋兩側(cè)面的偏移量符合標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)要求；通過(guò)進(jìn)入對(duì)刀界面調(diào)整磨耗欄中的U 值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)中徑、小徑等尺寸的精確調(diào)整，并配合三針測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算得出梯形螺紋左右兩側(cè)面的偏移值均為0.26mm，確保最終加工出的梯形螺紋工件尺寸與精度達(dá)標(biāo)。

2.2.3 調(diào)試結(jié)果。通過(guò)針對(duì)變速車(chē)削加工的程序與具體參數(shù)進(jìn)行多次驗(yàn)證，最終確定標(biāo)準(zhǔn)化加工方案，即先以每分鐘560r 的高轉(zhuǎn)速運(yùn)行粗車(chē)程序、完成粗車(chē)加工，再將轉(zhuǎn)速調(diào)整至每分鐘25r的低轉(zhuǎn)速水平，將定位坐標(biāo)調(diào)整為G0 X38 Z-1.8，運(yùn)行精車(chē)程序、利用精車(chē)刀進(jìn)行工件左右兩側(cè)面的精修處理，最后針對(duì)中徑、牙頂寬、牙槽底寬等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，以此判斷加工精度是否符合質(zhì)量要求，提升梯形螺紋加工效率[3]。精車(chē)程序設(shè)計(jì)如下：

2.3 工藝優(yōu)化的注意事項(xiàng)。在采用數(shù)控車(chē)床變速車(chē)削工藝時(shí)，還應(yīng)注意以下問(wèn)題：首先是在切削過(guò)程中需補(bǔ)充足量切削液，在刀頭處增設(shè)頂尖，用于防止切削刀具在車(chē)削工件環(huán)節(jié)產(chǎn)生大幅振動(dòng)，保障梯形螺紋副表面具備良好的粗糙度，并且在數(shù)控車(chē)床執(zhí)行車(chē)削作業(yè)過(guò)程中做好操作人員的安全教育工作，禁止采用棉紗擦拭工件表面，避免引發(fā)安全事故或設(shè)備損壞問(wèn)題。其次應(yīng)注意在精車(chē)前做好中心孔的修正工作，針對(duì)螺紋同軸精度進(jìn)行嚴(yán)格校正，并且做好精車(chē)刀質(zhì)量的檢查，確保兩側(cè)刃磨平直且鋒利，保障后續(xù)加工環(huán)節(jié)的精車(chē)質(zhì)量。再次是在車(chē)削加工梯形螺紋的過(guò)程中，應(yīng)盡量調(diào)低切削用量，防止在后續(xù)切削環(huán)節(jié)因疏于管控造成工件變形問(wèn)題；在裝夾工件環(huán)節(jié)，應(yīng)注意控制好尾座套筒的伸長(zhǎng)量，避免因套筒過(guò)短導(dǎo)致車(chē)刀退刀環(huán)節(jié)尾座碰撞床鞍。最后還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)梯形螺紋技術(shù)參數(shù)的把控，例如檢查梯形螺紋的中徑是否與基準(zhǔn)軸位于相同軸線(xiàn)上，中徑尺寸公差是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，大徑尺寸是否控制在標(biāo)準(zhǔn)尺寸以?xún)?nèi)，梯形螺紋牙型角是否為30°，梯形螺紋左右兩側(cè)的表面粗糙度數(shù)值是否達(dá)標(biāo)等。在利用數(shù)控機(jī)床加工梯形螺紋時(shí)，還應(yīng)注意做好機(jī)床設(shè)備剛度、工件與刀具材料等指標(biāo)的調(diào)節(jié)，并針對(duì)編程進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化目標(biāo)。

3 結(jié)論

當(dāng)前在采用數(shù)控車(chē)床進(jìn)行梯形螺紋加工環(huán)節(jié)，常面臨粗加工吃刀深、切削余量大、生產(chǎn)效率低、表面粗糙度大以及編程復(fù)雜程度高等問(wèn)題。對(duì)此需針對(duì)一般加工方法做出改進(jìn)，引入變速車(chē)削工藝進(jìn)行加工方法的優(yōu)化，做好粗車(chē)與精車(chē)加工銜接環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，避免刀具觸碰工件表面影響到加工質(zhì)量，并完善程序設(shè)計(jì)與調(diào)試工作，保障提升梯形螺紋加工精度與效率，實(shí)現(xiàn)零部件批量化生產(chǎn)目標(biāo)。