兩類特殊螺紋的數控車削加工方（fāng）法
2021-6-15 來源：汕頭職業技術學院 廣（guǎng）州市交（jiāo）通運輸職（zhí）業學校 作者：方迪成 鄧集華 蔣燕
摘要：介紹了圓弧螺紋和變導程螺紋的應用，分（fèn）析了在配備（bèi）GSK980TD數控係統的經濟（jì）型數控車床上加（jiā）工（gōng）這2種螺紋（wén）的工藝，編寫（xiě）了數控加（jiā）工程序，並用鋁材進行了實際加工驗證。通過使用簡（jiǎn）單的數控指令並利用子程序功能編寫數控程序，簡化了數控（kòng）加工工藝，實現了複雜特殊（shū）螺紋（wén）的加工（gōng），對於生產實踐具（jù）有（yǒu）一定參（cān）考價值。
關鍵詞：圓（yuán）弧螺紋；變導程螺紋；數控車床
0 引言
為了提高螺紋強度，使帶有（yǒu）螺紋連（lián）接的塑料製品（pǐn）達到更好的密封性，其螺紋都采用圓弧螺（luó）紋結構和異形螺紋（wén）結構（gòu）。圓弧螺紋就是指在圓弧麵上加工（gōng）出來的圓弧形狀的螺紋，如圖（tú） 1 （a） 所示。在第三屆全（quán）國（guó）數控技能大賽數控車床教師組試題中，也出（chū）現了圓弧螺紋的（de）加工。同時，同屬特殊螺（luó）紋的變導程螺紋也具有一定的（de）應用。所謂變導程（chéng）螺紋，是指每一節的（de）螺距都遞增或者遞減的螺紋，有“槽等（děng）寬（kuān）牙變導程”與“牙（yá）等寬槽變導（dǎo）程”2 種結構，如圖 1 中 （b）、(c)所示。其在飲料罐裝機（jī）械（xiè）、航空傳輸機械、塑料擠壓機械、飼料機械、船舶上的變（biàn）導程（chéng）螺旋槳、高速離心泵上（shàng）的（de）變導（dǎo）程誘（yòu）導輪（lún）、變導程螺（luó）旋槳動力裝置上應用較多。本文就以加工（gōng）圓弧螺紋和變導（dǎo）程螺紋為例，介紹這2類特殊螺紋在（zài）經濟型數控車床GSK980TD係統中的加工方法。
圖1 3種特殊（shū）螺紋
1 、圓弧（hú）螺紋的加工
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螺紋及兩端外圓柱組成。其中，圓弧螺紋在 R80 圓（yuán）弧麵上（shàng），最大軸徑ϕ38，螺距（jù） 4.5 mm，圓（yuán）弧牙型半徑為 R2。在加工圓弧螺紋時，起刀點及（jí）結束點位置應該給予螺紋升速及降速的距離。並以圓弧螺紋刀具（jù）的中心軌跡進行編程。螺紋加工起點（diǎn）、終點坐標計算如圖3所示（shì）。
圖2 圓弧螺紋
圖（tú）3 圓弧螺（luó）紋加工起點與終點坐標
1.2 加工工藝分析
考慮到零件的結構特點及加工（gōng）精度，在加工時，應先加工左端兩外圓（yuán）柱（zhù）麵和左端麵（miàn）；調頭裝夾，車削零件右端麵，保證零件（jiàn）總長；最後采用“一（yī）夾（jiá）一（yī）頂”的裝夾（jiá）方（fāng）法，車削右端外圓柱及圓弧螺紋。在車削圓弧螺紋時，必須使用 G99 每（měi）轉進給速度功能，而進給速度則指定為圓（yuán）弧螺紋的導程（chéng），即（jí）4.5 mm/r。而根據數控車床加工螺紋原理，螺紋加工時刀具每刀起始點與螺紋牙型之間的位置關係由螺紋切削（xuē）指令通過編碼器來保（bǎo）證，以防止亂牙（yá），保證（zhèng）螺紋加工時螺距精度。而在本（běn）文中（zhōng），則運用圓弧切削指令 G03 與 G99 指令配合（hé）使用來完成圓弧螺紋的切削加工，在（zài）編製圓弧螺紋切削指令 G03 前段，使用螺紋切削指令 G32 進行（háng）定位，提前啟動編碼器功（gōng）能（néng），確定刀具與（yǔ）零件之間嚴格的位置關係（xì），保證螺紋加工時螺距的精度，以防止螺紋（wén）切削過程中的亂牙現象。
1.3 刀具分析
（1） 材（cái）料選擇根（gēn）據毛坯材料的類型以及加工要求不同而選（xuǎn）擇合適的刀具（jù）材料。毛坯（pī）材料選用 ϕ40 鋁材，由於（yú）加工圓弧螺紋時（shí）刀具切削刃接觸長度很（hěn）長，刀具可選擇韌（rèn）性好、刃口（kǒu）鋒利（lì）的高速鋼W6Mo5Cr4V2材料。
（2） 角度選擇圓弧（hú）螺紋刀（dāo）應該刃磨成（chéng）刀頭為半圓的成形刀。粗車刀圓弧半徑為R1.75，精車刀圓弧半（bàn）徑為R2。如圖4所示。從圖中可知，在刃磨刀具的（de）過程中，刀具（jù）前角（jiǎo）為 0°，後角從左側向右側平（píng）滑過（guò）渡，最左側後角為 （3°~5°） +ψmax，最右側後（hòu）角為 （3°~5°） -ψmax。其中， ψmax為圓弧螺紋最小直徑處的螺旋升角；tanψmax= P/(πd1) =4.5/(3.14×33)= 0.043；ψmax= 2.49° 。
圖4 圓弧螺紋刀（dāo）
（3） 刃磨刀具
粗車刀刃（rèn）磨刀具時，先在砂輪上麵粗磨，然後用油石精修切削刃。要（yào）注意保證前角為 0°，以及各處後角值的變化規律（lǜ），後角最左（zuǒ）側為最大值，由左側（cè）向左前側、前方、右（yòu）前側、右側平（píng）滑過渡，逐漸減少，至右側後角為最小值。刃磨（mó）過程中要經常用標準 R 規比較測量刀頭圓弧弧度及半徑，粗（cū）車刀頭半徑為（wéi）R1.75。精車刀先在線切割機床上（shàng）麵割出刀頭成形麵，刀頭半徑為（wéi）R2.05，以保證刀頭成形麵的圓度。然後在砂輪機上（shàng）麵修磨兩側及前側（cè）後角至要（yào）求，最後用（yòng）油石精磨刀頭圓（yuán）弧切（qiē）削刃至
R2成形麵。
1.4 加（jiā）工程序（xù）
加工程序由主程（chéng）序與子程序組（zǔ）成，子程序如下（xià）。
1.5 注意事項
（1） 在編寫（xiě）程序時需要先計算好圓弧螺紋 R80 圓弧母線的起點、終點坐標，計算過程中應包括刀具起點的螺紋升（shēng）速距離 （設定（dìng）為5 mm） 與終點（diǎn）的退刀（dāo）距離(設定為5 mm)；
（2） 修磨圓弧刀（dāo）具的時候（hòu），一定要保證刀頭圓弧（hú）的圓度，否則加（jiā）工出來的圓弧型槽輪廓將變形；
（3） 編（biān）寫程序的時候（hòu），必須使用（yòng）G99進給速度功能，必須先采用G32螺紋切削指令進行定位（wèi），再利用圓弧指令G03切削螺紋，以保（bǎo）證螺紋切削每一次進刀點的位置相同，防（fáng）止亂牙；
（4） 因為使用了圓弧刀具中心軌跡進行編程，所以對刀時，必須以刀具圓（yuán）弧的圓（yuán）心為刀位點：
（5） 在圓弧螺紋粗加工時，R80圓（yuán）弧表麵應留（liú）有精加工（gōng）餘量，在粗加工後再精車至尺寸要求，以去除圓弧螺紋粗（cū）車時殘留表麵的毛刺等。
2 、導程螺（luó）紋的（de）加工
變導（dǎo）程螺紋（wén）的相鄰 2 個導程的數值都是變化的，或遞增（zēng），或（huò）遞減，按照螺紋的外（wài）形可分為“槽等寬牙變螺紋”和（hé）“牙等寬槽變螺紋（wén）”，分別如圖5、圖6所示。
圖5 槽（cáo）等寬牙變螺紋
圖6 牙等寬槽變螺紋
2.1 數控指令
在GSK980TD係統中，變導（dǎo）程螺紋切（qiē）削指令是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（chéng）；F1、F2分別為螺紋旋進方向相鄰2個導程（chéng）中第一個導程與第二個導程；F 為公製螺紋變導程螺紋基（jī）本導程；R 為主軸每轉（zhuǎn）螺距的增量值或減量值，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。變導程螺紋加工的起刀（dāo）點導程（即第一個（gè）導程）為（wéi）F+R。
2.2 刀具（jù）分析
（1） 材料選擇
變導程螺紋為矩形螺紋，槽寬及槽（cáo）深度都較大（dà），在（zài）加（jiā）工時切削刃接觸長度長、受力大，故選用韌性好，切削刃鋒利的高速鋼W6Mo5Cr4V2為刀具材料。
（2） 角度選擇
刀具外形為矩形（xíng），如圖 7 所示。圖中，粗車刀具前角選擇 10°左右，左側（cè）後角為 （3°~5°） +ψmax，右側後（hòu）角為 （3°~5°） -ψmax，精車刀具前角選擇0°，後角與粗車刀具相同（tóng）。其中， ψmax為螺紋最大（dà）導（dǎo）程（chéng）頂徑（jìng）處（chù）的螺旋升角；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（zài）砂輪上麵（miàn）粗磨，然後用油石精磨。粗車刀在前刀麵上開切（qiē）削槽，保證前（qián）角 10°左右，後角 6°~8°左右，左側副後（hòu）角（jiǎo）大於7.64°，右（yòu）側副後角-3°左右。精車刀前角為0°，後角、兩側副後角與粗車刀同（tóng）。加工槽等（děng）寬（kuān）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 3 mm。粗加工變導（dǎo）程螺紋的方法和程序與精加工相同，隻是要求粗精加工時以螺紋車（chē）刀切削刃中點為（wéi）刀位點對刀。本文隻介紹（shào）了用精車（chē）刀加工變（biàn）導（dǎo）程（chéng）螺紋（wén）的方法和程（chéng）序。
2.3 加工槽等寬（kuān）變導程螺紋
考慮零件（jiàn）在加工（gōng）過程中裝（zhuāng）夾的穩定性，以（yǐ）及保證加工精度，在加（jiā）工此2個零件時，應先加工左（zuǒ）端兩外圓柱，保證工件總（zǒng）長度，然後調頭（tóu），采（cǎi）用“一夾一頂”的（de）裝夾（jiá）方式（shì），提高裝夾（jiá）的牢靠度，再加工右端外圓柱及變導程（chéng）螺紋（wén）部分。在加工螺紋前，刀具定位在（zài）距螺紋右端麵一個基本導程加螺紋導程增量的位置，保證車（chē）削零件時螺（luó）紋第一道（dào）牙的導程為10 mm。在此處，變螺紋加工起刀時（shí）的導（dǎo）程為第一道牙的導程（chéng）減去2 mm的螺紋導程增量，即10 mm-2 mm=8 mm。而螺（luó）紋加工的起點應該在（zài）距螺紋右端麵8 mm的（de）位置。程序（xù）節選如下 （螺紋車刀對應編程原（yuán）點在螺紋右端麵中心處，刀位點（diǎn）為切削刃（rèn）中點）：
2.4 加工牙等寬變導程螺紋
加工牙等寬槽變螺紋比槽等寬（kuān）牙變螺紋要複雜一些，要車成變槽（cáo）寬，隻能是（shì）在變導程車削的過程中使刀具寬（kuān）度均勻（yún）變大（dà）才（cái）能實現，不過這是不能實現的。實際中可通過改變導程 F 和（hé） Z軸起刀點的（de）位置實現趕刀，逐漸（jiàn）完成（chéng）車削。本文加工先（xiān）車出 1 個槽等寬牙（yá）變導（dǎo）程的螺紋，工件上（shàng）第一（yī）個導程為10 mm，槽寬 3 mm，如圖 8 所示；然後逐（zhú）漸往（wǎng）正向（xiàng）趕刀，也就是向槽的右側麵趕刀，直到加工的工（gōng）件上第一個導程為8 mm，此時總趕刀量為 2 mm。通過分析，趕刀量是疊加的，即第1個（gè）槽向右趕刀2 mm，第（dì）2個（gè）槽向右趕刀量（liàng）是4 mm，第3個槽向右趕刀量是6 mm，第4個槽向右趕（gǎn）刀量是（shì）8 mm，這樣就可以把（bǎ）螺（luó）紋槽不斷切寬。考慮螺紋車刀（dāo）的刃寬為（wéi）3 mm，且刀具的（de）強度有限，每次趕刀量不能過大，可分3次完成：第一次趕刀0.7 mm；第二次趕刀（dāo）0.7 mm；第三（sān）次趕刀0.6 mm。這樣就可以確定每次趕刀加工（gōng）的起刀點和（hé）基本導程了。如（rú）第一次趕刀：在（zài）工件（jiàn）上第一個螺紋槽向（xiàng）右側趕刀0.7 mm，工件上加工的第一個導程（chéng）應為（wéi）9.3 mm，此時螺紋車刀加工的起刀點應在距螺紋右
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（shì）。加工程（chéng）序略。
圖8 加工槽等變導程的螺紋
圖9 趕刀後加工情況
2.5 注意（yì）事（shì）項
（1） 粗（cū）車刀（dāo）與精（jīng）車刀對刀時，需以切削刃中點為刀位點（diǎn）進行對刀，方能保證粗車後牙型兩側（cè）麵都留有精加工餘量；
（2） 要注（zhù）意精準確定變導程螺紋 F 初始值和刀（dāo）具起點的位置，即基本導程值（zhí）；
（3） 加（jiā）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（zuò）標值及基本導程值來實現（xiàn）趕刀，具體趕刀（dāo）數值及操作（zuò）根據實（shí）際情況（kuàng）而定。
（4） 變導程（chéng）螺紋在（zài）加工過程中，其螺旋升角隨著導程的變大（dà）而增大，因此在刃磨刀具（jù）左側切削刃時應注意其後角等於（yú）工作後角加上最大螺紋升角ψmax，即ao=(3°～ 5°)+ψmax。刀具右側刃情況相反。
3 、結束語
采用鋁材進行加工驗證（zhèng），使用配備（bèi） 980TD 數控係統的數控車床，按照本（běn）文的數控車削工藝，能夠加工出文（wén）中介（jiè）紹的2類特殊螺紋（wén）。如果加工鋼件，可通過調整背吃刀量來保證加工質量。本文所設計的2種（zhǒng）特殊螺紋的數控車削工（gōng）藝，通過使用簡單（dān）的數控指令並利用（yòng）子程序功能編寫數（shù）控程序，簡化了數控加工工藝，實現了複雜特殊螺紋的加工。
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