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兩類特（tè）殊螺紋的數控車削加工方法

2021-6-15 來源：汕頭職業技術學（xué）院廣州市交通運輸職（zhí）業學校作者：方迪成鄧集華蔣（jiǎng）燕

摘要：介紹（shào）了圓弧螺紋和（hé）變（biàn）導（dǎo）程螺紋的應用，分析了在配備GSK980TD數控係統的經濟型數控車床上（shàng）加工這（zhè）2種螺紋（wén）的（de）工藝，編寫了數（shù）控（kòng）加工程序，並用鋁材進行了實際加工驗證（zhèng）。通過使用簡單的數控指（zhǐ）令並利用子程序功能編寫數控程序，簡化（huà）了數控加工工藝，實現（xiàn）了（le）複（fù）雜特殊螺紋的加工，對於（yú）生產實踐具有一定參考價值。

關鍵詞：圓弧螺紋；變導程螺紋；數控（kòng）車床

0 引言

為了提高螺紋強度，使帶有螺紋連接的塑料製品達到更好（hǎo）的密封性，其螺紋都采用（yòng）圓弧螺紋結構和異形螺紋結構（gòu）。圓弧螺紋就是指在圓弧麵（miàn）上加工出（chū）來（lái）的圓弧形狀的螺（luó）紋，如圖 1 （a）所示。在第三屆全國數控技能大賽數控（kòng）車床教師組試題中，也出現了（le）圓弧螺紋的加（jiā）工（gōng）。同時，同屬特殊螺紋的變導程螺紋也具有一定的應用。所（suǒ）謂變導程螺（luó）紋，是指每一節的螺距都遞增或者遞減（jiǎn）的螺紋，有“槽等寬（kuān）牙變導程”與“牙等寬槽變導程”2 種結構，如圖 1 中（b）、(c)所示。其在（zài）飲料罐裝機械、航空傳輸（shū）機械、塑料擠（jǐ）壓機械、飼料機械、船舶上的變導程螺旋槳、高速離心泵上的變導程（chéng）誘導輪、變導程螺旋槳動力裝置上（shàng）應用較（jiào）多。本文就以加工圓弧螺紋和變導程螺紋為例，介（jiè）紹這2類特（tè）殊螺紋在經濟型數控車床GSK980TD係統中的加工方（fāng）法。

圖1 3種特殊螺（luó）紋

1 、圓弧（hú）螺紋的加工（gōng）

1.1 圖樣分析及基點計算

如圖 2 所示，圓弧螺紋軸零件主要由圓弧（hú）螺紋及兩端外（wài）圓柱組（zǔ）成。其中，圓弧螺（luó）紋在 R80 圓弧麵上，最大軸徑ϕ38，螺距 4.5 mm，圓弧牙（yá）型半徑（jìng）為 R2。在加（jiā）工圓弧螺紋時（shí），起刀點及（jí）結束點位置應該給（gěi）予螺紋升速及（jí）降速的距離。並以圓弧螺紋（wén）刀具的中心軌跡進行編程。螺紋加工起點、終點坐標計算如圖3所示。

圖2 圓弧螺紋

圖3 圓弧螺（luó）紋加工起點與終點坐標

1.2 加工工藝分析

考慮到（dào）零件的結（jié）構特點及加工（gōng）精度，在加工時，應先加工左（zuǒ）端兩外圓柱麵和左端麵；調頭裝夾，車削零件右端麵，保證零件總長；最後采用“一夾一頂”的裝夾方法，車削右端外圓柱及圓弧螺（luó）紋。在車削圓弧螺（luó）紋時，必須使用 G99 每轉進給（gěi）速度功能，而進給速度則指定為圓（yuán）弧螺紋（wén）的導程，即4.5 mm/r。而根據（jù）數控車床加工螺紋原（yuán）理，螺紋加工時刀具每刀起始點與（yǔ）螺紋牙（yá）型之間的位置關係由螺紋切削指令通過編碼器（qì）來保證，以防止亂牙（yá），保證螺紋加工時螺距精（jīng）度。而在本文中，則運用（yòng）圓弧切削指令 G03 與 G99 指令配合使（shǐ）用來完成圓弧螺（luó）紋的切削加工，在編製圓弧螺紋切削指（zhǐ）令 G03 前段，使用螺紋切削指令 G32 進行（háng）定位，提前啟（qǐ）動編碼器功能，確定刀具與零件之（zhī）間嚴格的位置關係，保證螺紋加工時螺距的精度，以防止（zhǐ）螺紋切削過程中的亂牙現象。

1.3 刀（dāo）具分析

（1）材料選擇根據毛坯材料的類型以及（jí）加工（gōng）要求不同而（ér）選（xuǎn）擇合適的刀具材料。毛坯材料選用 ϕ40 鋁材，由於加工圓弧螺紋時刀具切削刃接觸長度很長，刀具可選擇韌性好、刃口鋒利的（de）高速鋼W6Mo5Cr4V2材（cái）料。

（2）角（jiǎo）度選擇（zé）圓弧螺紋刀應該刃磨成刀頭為（wéi）半（bàn）圓的成形刀。粗車刀圓（yuán）弧半徑為R1.75，精車刀（dāo）圓弧半徑為R2。如圖4所示。從圖中（zhōng）可知，在刃磨刀具的過程中，刀具（jù）前角為 0°，後角（jiǎo）從左側向右側平滑過渡，最左側後角為（3°~5°） +ψmax，最右側後角為（wéi）（3°~5°） -ψmax。其（qí）中（zhōng）， ψmax為圓弧（hú）螺紋最小（xiǎo）直徑處的螺旋升角；tanψmax= P/(πd1) =4.5/(3.14×33)= 0.043；ψmax= 2.49° 。

圖4 圓弧螺紋刀

（3）刃磨刀具（jù）

粗車刀刃磨刀具時，先在砂輪上麵粗磨，然後（hòu）用油石精修切削刃。要注意保證前角（jiǎo）為 0°，以及各處後角值的變化規（guī）律，後角最左側為最大值，由左側（cè）向左（zuǒ）前側、前（qián）方、右前側、右（yòu）側平滑過（guò）渡，逐漸減少，至右側後角（jiǎo）為最小值。刃磨過程中要經常用（yòng）標準 R 規比較測量刀頭圓弧弧（hú）度及半徑，粗車刀頭半徑為R1.75。精車刀先在線切割機床上麵割出刀頭成形麵，刀頭半徑為R2.05，以保（bǎo）證刀頭成形麵（miàn）的圓度。然後（hòu）在砂（shā）輪機上麵修磨兩側及前側後（hòu）角至要求，最後用油石（shí）精磨刀頭圓弧切削刃至（zhì）

R2成形（xíng）麵。

1.4 加工程序

加工程序由主程序與子（zǐ）程序組（zǔ）成，子程序如（rú）下。

1.5 注意事項

（1）在編（biān）寫程序時需要先計算好圓弧（hú）螺紋 R80 圓弧母線的（de）起點、終點坐標，計（jì）算過程（chéng）中應包括刀具起點的螺紋升（shēng）速距離（設定為5 mm）與終點的退刀距離(設定為5 mm)；

（2）修磨圓弧刀具的時候，一定（dìng）要保證刀頭圓弧的圓度，否則加工出來的圓弧型槽輪廓將變形；

（3）編寫程序的時候，必（bì）須使用G99進給（gěi）速度功能，必須先采用G32螺紋（wén）切削指令進行定位，再利用圓弧指令G03切削螺紋，以保證螺紋切（qiē）削每一次進（jìn）刀點的（de）位置相同，防止亂牙；

（4）因（yīn）為使用了圓弧刀具中心軌跡進（jìn）行編程，所以對刀時，必須以刀具（jù）圓弧的圓心為刀位點（diǎn）：

（5）在圓弧螺紋粗加工時，R80圓弧表麵應留有精加工餘量，在粗加工（gōng）後再精車至尺寸要求，以去除圓弧螺（luó）紋粗車時殘留表麵的毛刺等。

2 、導程（chéng）螺紋的加工

變導程螺紋的相鄰 2 個導程的數值都是變化的，或遞增，或遞減，按照螺紋（wén）的外形可分為“槽（cáo）等寬（kuān）牙變螺紋”和“牙等寬槽變螺紋”，分別如圖5、圖（tú）6所示。

圖5 槽等寬（kuān）牙變螺紋

圖6 牙等寬槽變螺紋

2.1 數控指令

在GSK980TD係統中，變導程螺紋切削指令（lìng）是G34。格式：G34 X （U） -- Z （W） -- F （I） -- R--;其中：X、Z 為螺紋切削終點的絕對坐標值；U、W 為螺紋切削終點相對於起點的增量坐標值；I 為英（yīng）製螺紋變導程螺紋基本導程；F1、F2分別為螺紋旋進方向相鄰2個導程中第一個導程與第二個導程；F 為公製螺紋變導程螺紋基本導程；R 為主（zhǔ）軸每轉螺距（jù）的增量值或減量值（zhí），R=F2-F1，R 值帶有方向：當F2<F1時 R 為負值，螺距遞減；當 F2>F1時 R 為正值，導程遞增（zēng）。變導程（chéng）螺紋加工的起（qǐ）刀點導程（即第一個導程（chéng））為F+R。

2.2 刀具分析

（1）材料選擇

變（biàn）導程螺紋為（wéi）矩形螺紋，槽寬及槽深（shēn）度（dù）都（dōu）較大，在加工時切削刃接觸長度長、受力（lì）大，故選用韌性（xìng）好，切削（xuē）刃鋒利的高速鋼W6Mo5Cr4V2為刀具材料。

（2）角度選擇

刀具（jù）外形為矩形，如圖 7 所示。圖中，粗車刀具前角選擇 10°左（zuǒ）右，左側後（hòu）角為（3°~5°） +ψmax，右側後角為（3°~5°） -ψmax，精車（chē）刀具前角選擇0°，後角與粗車刀具（jù）相同。其中， ψmax為螺紋最大導程頂徑處的螺（luó）旋升角；tanψmax= P/(πd1) =16/(3.14×38)= 0.134；ψmax=7.64° 。

圖7 粗車矩形螺紋刀

（3）刃磨刀具

刃（rèn）磨（mó）刀具時，先在砂輪上麵粗磨，然後用油石精磨。粗（cū）車刀在前刀麵上開切削槽，保證（zhèng）前角 10°左右，後角 6°~8°左右，左側副後角（jiǎo）大於7.64°，右側副（fù）後角-3°左右。精車刀前角為0°，後角、兩側副後角與粗車（chē）刀同。加工槽等寬牙變導程螺紋時，粗車刀寬 4.6 mm，精車刀寬5 mm；加工牙等寬槽變導程螺紋時，粗車刀寬2.8 mm，精車刀寬（kuān） 3 mm。粗加工（gōng）變導程螺紋的方法和程序與精加工相同，隻是要求粗精加工時（shí）以螺紋車刀切削刃中點為刀（dāo）位點對刀。本文隻介紹了用精車刀加工變導程螺紋的方（fāng）法和程序。

2.3 加（jiā）工槽等寬變導程螺紋（wén）

考慮零件（jiàn）在加工過程中裝夾的（de）穩定性，以（yǐ）及保證加工精度，在加工此2個零（líng）件時，應先加工左端兩外圓柱，保（bǎo）證工件總長度，然後（hòu）調頭，采用“一夾一頂”的裝夾方式，提高裝夾的牢靠度，再加工（gōng）右端外圓柱及變導程螺紋部分。在加工螺紋前，刀具（jù）定（dìng）位在（zài）距（jù）螺紋右端麵一個基本導程加螺紋導程增（zēng）量的位置，保證車（chē）削零件時螺紋第（dì）一道牙的導程為10 mm。在此處，變螺紋加（jiā）工起刀時的導程為第一道牙的導程減去2 mm的螺紋導程增量，即10 mm-2 mm=8 mm。而螺紋加工的起點應該（gāi）在距螺紋右端（duān）麵8 mm的位置。程序節選如下（螺（luó）紋車（chē）刀對應編程原點在螺紋右端麵中心處，刀位點為切削（xuē）刃中點）：

2.4 加工牙等寬（kuān）變導程螺（luó）紋

加（jiā）工牙等寬槽變螺紋比槽等寬牙變螺紋要複雜（zá）一些，要車成變槽寬，隻（zhī）能是在變導程車削的（de）過程中使刀具寬度（dù）均勻變大才能實現（xiàn），不過這是不能實現的。實際中可（kě）通過改變導程 F 和 Z軸起刀點的位（wèi）置（zhì）實現趕刀，逐（zhú）漸完成車削。本文（wén）加工先車出 1 個槽等寬牙變導程的螺紋（wén），工件上第一個導程為10 mm，槽寬 3 mm，如圖 8 所示；然後逐漸往正向趕刀，也就是向槽的右側麵趕（gǎn）刀，直到加工的工件上第一個導程為8 mm，此時總趕刀量（liàng）為 2 mm。通（tōng）過分析，趕刀量是疊加的，即第1個槽向右趕刀2 mm，第2個（gè）槽向右趕刀量是4 mm，第3個槽向右趕（gǎn）刀量是6 mm，第4個槽向右趕刀量是8 mm，這樣就可以（yǐ）把螺紋槽不斷切（qiē）寬。考慮（lǜ）螺紋車刀的刃寬為3 mm，且刀具的強度有限，每次趕刀量不能過大，可分3次完（wán）成：第一次趕（gǎn）刀0.7 mm；第二次趕刀0.7 mm；第三次趕刀0.6 mm。這樣就可以確（què）定每次趕刀加工的起刀點和基本導程了。如第一次趕刀：在（zài）工件上第一個螺紋槽向右側（cè）趕刀0.7 mm，工件上加工的第（dì）一個導程應為9.3 mm，此（cǐ）時螺紋車刀加工（gōng）的起刀點（diǎn）應在距螺紋右

端麵7.3 mm（9.3 mm-2 mm=7.3 mm）的位置，基本導程F就為5.3 mm （7.3 mm-2 mm=5.3 mm）了，如圖9所示。加工（gōng）程序略。

圖8 加（jiā）工槽等變（biàn）導程（chéng）的螺紋

圖9 趕刀後加工情況

2.5 注意事項

（1）粗（cū）車刀與精車刀對刀時，需（xū）以切削刃中點為刀位點（diǎn）進行對刀，方能（néng）保證粗車後牙型兩側麵都留有精加工餘量；

（2）要注意精準確定（dìng）變導程螺紋 F 初始值和刀具起點（diǎn）的位置，即基（jī）本導程值；

（3）加工過程如發現牙寬與理論尺寸不符，可通過更改定位點的 Z 坐標值及基本導程值來實現趕刀，具體趕刀數（shù）值及操作根據實際情況而定。

（4）變導程螺紋（wén）在（zài）加工過程中，其螺旋升角隨著導程的變大而增大，因此在刃（rèn）磨刀具左側切削刃時應注意其後（hòu）角等於工作後（hòu）角（jiǎo）加上最大（dà）螺紋升角ψmax，即ao=(3°～ 5°)+ψmax。刀具右（yòu）側刃情況相反。

3 、結束（shù）語（yǔ）

采用鋁材進行加工驗證，使用配備 980TD 數控係統的數控車床，按照本（běn）文的（de）數控車削（xuē）工藝，能夠加工出（chū）文中介紹的2類特殊螺紋。如果加工（gōng）鋼件，可（kě）通過調整背吃刀量來保證加工質量。本文（wén）所設計的2種特殊螺紋的（de）數控（kòng）車削工藝，通過使（shǐ）用簡單的數控指（zhǐ）令並利用子程序功能編寫數控程序，簡化了（le）數控加工工藝，實現了複雜特殊螺紋的加工。

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