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兩類（lèi）特殊螺紋的數控車削加工方法

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

摘要：介紹了（le）圓弧螺紋（wén）和變導程（chéng）螺紋的應用，分（fèn）析了在配（pèi）備GSK980TD數控係（xì）統的經濟型數控車床上加（jiā）工這2種螺紋的工藝，編寫了數控加工程序，並用（yòng）鋁材進行了實際加工驗證。通過使（shǐ）用簡單的數控指令並利用子程序功能編寫數（shù）控程序，簡化（huà）了數控加（jiā）工工藝，實現（xiàn）了複雜特殊螺紋的加工，對於生產實踐具有一定參考價值。

關鍵詞：圓弧螺（luó）紋；變導程螺紋；數控車（chē）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的（de）密封性，其螺紋都采用圓弧螺紋結構和異形（xíng）螺紋結構（gòu）。圓弧螺（luó）紋（wén）就（jiù）是指在圓弧麵（miàn）上加（jiā）工出來的圓弧形狀的（de）螺紋，如圖 1 （a）所示。在第三屆全國數控技能大賽數控車床教師組試題中，也出現了圓弧螺紋的加工。同時，同屬特殊螺紋的變導程螺紋也（yě）具（jù）有一定的應用（yòng）。所謂變導程螺（luó）紋，是指每一節的螺（luó）距（jù）都遞增或者（zhě）遞（dì）減（jiǎn）的螺紋（wén），有“槽等寬牙變導程”與“牙等寬槽變導程”2 種結構，如圖（tú） 1 中（b）、(c)所示。其在飲料罐裝（zhuāng）機械、航空傳輸機械、塑料擠壓機（jī）械（xiè）、飼料機（jī）械（xiè）、船舶上（shàng）的變導程螺旋槳、高速離心泵上的變導程誘導輪、變導程螺（luó）旋槳動力裝置上應（yīng）用（yòng）較多。本文就以加工圓弧螺紋和變導程螺紋為例（lì），介紹這2類特殊（shū）螺紋在經濟型數控車床GSK980TD係（xì）統中的加工方法。

圖1 3種特殊螺紋

1 、圓弧螺紋的加工

1.1 圖樣（yàng）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（zhù）組成（chéng）。其中，圓弧螺（luó）紋在 R80 圓弧麵上，最大（dà）軸徑ϕ38，螺距 4.5 mm，圓弧牙型半徑為 R2。在加工圓弧螺紋時，起刀點及結束點位置應（yīng）該給予螺紋升速及降速的距離。並以圓弧（hú）螺紋刀具的中心軌跡進行編程。螺紋（wén）加工起點、終點坐標計算如圖3所示。

圖2 圓弧螺紋

圖3 圓（yuán）弧（hú）螺紋加（jiā）工起點與終點（diǎn）坐標

1.2 加工工（gōng）藝分（fèn）析

考慮到零件的結構特點及加（jiā）工精度，在加工時，應先加工左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（zǒng）長；最（zuì）後采用（yòng）“一夾一頂”的裝夾方法（fǎ），車削右端外圓柱及圓弧螺紋。在車削圓弧螺紋（wén）時，必須使用 G99 每轉進給速度功能（néng），而進給速度則指定為圓弧螺紋的導程（chéng），即4.5 mm/r。而根據數控車（chē）床加工螺紋原理，螺紋加工時刀（dāo）具每刀起始點與螺紋牙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，保證螺紋加工時螺距精（jīng）度。而在本文中（zhōng），則運（yùn）用圓弧切削指令 G03 與 G99 指令配合使用來完成圓弧螺紋的切削加工，在編製圓弧螺紋（wén）切削（xuē）指令 G03 前段（duàn），使用螺紋切削指令 G32 進行（háng）定（dìng）位，提前啟動編碼器功能，確定刀具與（yǔ）零件之間嚴格的位置（zhì）關係，保證螺紋加工時螺距的精度，以防止螺紋切（qiē）削（xuē）過程中的亂牙現象。

1.3 刀具分析

（1）材（cái）料選擇根據毛坯材料（liào）的類型以及加工要求不（bú）同而選（xuǎn）擇合適的刀具材料。毛坯（pī）材料選（xuǎn）用 ϕ40 鋁材，由於加工圓（yuán）弧螺紋時刀具切削刃接觸（chù）長度很（hěn）長，刀具可選擇韌性好、刃口鋒利（lì）的高速（sù）鋼W6Mo5Cr4V2材料。

（2）角度選擇（zé）圓弧螺紋刀應該刃磨（mó）成刀頭為半圓的成形刀。粗車刀圓弧半徑為R1.75，精車刀圓弧（hú）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（dāo）具前角（jiǎo）為 0°，後角從左側向右側平滑過渡，最左側後角為（wéi）（3°~5°） +ψmax，最右側後角為（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

（3）刃磨刀具

粗車刀刃磨刀具時，先（xiān）在砂輪上麵粗磨，然後用油石精修（xiū）切削刃。要注意保（bǎo）證前角為 0°，以及各處後角值的變化（huà）規律，後角最左側為最大值，由左側向左前側、前方、右前側、右側平滑過渡，逐漸減少，至右側後角（jiǎo）為最小值。刃磨過程中要經常用標準 R 規比較測量刀頭圓（yuán）弧弧度（dù）及半徑，粗車刀頭半（bàn）徑為R1.75。精車刀先在線（xiàn）切割機床上麵割出刀頭成形（xíng）麵（miàn），刀頭半徑為R2.05，以保證刀頭成形麵的圓度。然後在砂輪機上麵修磨兩（liǎng）側及前（qián）側後（hòu）角至要求，最後用油石（shí）精磨刀頭圓弧切削刃至

R2成形（xíng）麵。

1.4 加工程序

加工（gōng）程序由主程（chéng）序與子（zǐ）程序組成，子程序如下（xià）。

1.5 注意事項

（1）在編寫程序時需要先計算（suàn）好圓弧螺紋 R80 圓弧母線（xiàn）的（de）起點（diǎn）、終點坐標，計算過程（chéng）中應包括刀具起點的螺紋升速距離（設定為5 mm）與終點的退刀距離(設定為5 mm)；

（2）修磨圓弧刀（dāo）具的時候，一定要保證刀（dāo）頭圓弧的圓度，否則（zé）加工出來（lái）的圓弧型槽（cáo）輪廓將變形（xíng）；

（3）編寫程序的時候，必須使用G99進給速（sù）度功能，必須先采用G32螺紋切削指令（lìng）進行定位，再（zài）利用圓弧指令G03切削螺紋，以保證螺紋切削每一次進刀點的位置相（xiàng）同，防止亂牙；

（4）因為使用了圓弧刀具中心軌跡進行編程，所以對（duì）刀時，必須以刀具圓弧的圓心為刀位點：

（5）在圓弧（hú）螺紋粗加工（gōng）時（shí），R80圓弧表麵應留（liú）有精加工餘量（liàng），在粗加工後再精車至尺寸要求，以去除圓弧（hú）螺（luó）紋粗車時（shí）殘（cán）留表麵（miàn）的毛刺等。

2 、導程螺紋（wén）的加工

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

圖5 槽（cáo）等寬牙（yá）變螺紋

圖6 牙等寬槽變（biàn）螺紋

2.1 數控指令（lìng）

在GSK980TD係統中，變導程螺紋切削指令是G34。格（gé）式：G34 X （U） -- Z （W） -- F （I） -- R--;其中：X、Z 為螺紋切削終點（diǎn）的絕對坐標值；U、W 為螺紋（wén）切削終點相對於起點的增（zēng）量坐標值（zhí）；I 為英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（biàn）導（dǎo）程螺紋基本導程；R 為主軸每轉螺距的增量值或減量（liàng）值，R=F2-F1，R 值（zhí）帶有方向：當F2<F1時 R 為負值，螺距遞減；當 F2>F1時 R 為正（zhèng）值，導程遞增。變導程螺（luó）紋加工的起刀點導程（即（jí）第一個導程）為F+R。

2.2 刀具分析

（1）材料（liào）選擇

變導程螺紋為矩形螺（luó）紋，槽寬及槽深（shēn）度都較大，在加工時切削刃接觸長度（dù）長、受（shòu）力（lì）大，故選用韌性（xìng）好（hǎo），切削刃鋒利的高速鋼W6Mo5Cr4V2為刀具（jù）材料（liào）。

（2）角（jiǎo）度選（xuǎn）擇

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

圖7 粗車矩（jǔ）形螺紋刀

（3）刃磨刀（dāo）具

刃磨（mó）刀（dāo）具時，先在砂輪上麵粗磨，然後用油石精磨（mó）。粗車刀在（zài）前刀麵上開切削槽，保證前角 10°左右，後角 6°~8°左右，左側副後角大於7.64°，右側（cè）副後角（jiǎo）-3°左右。精車刀前角為0°，後角、兩側（cè）副後角與粗（cū）車刀同。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（kuān）5 mm；加工牙等寬（kuān）槽變導程螺紋時，粗車（chē）刀寬2.8 mm，精車刀（dāo）寬（kuān） 3 mm。粗加工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以螺紋車刀切削刃（rèn）中（zhōng）點為刀位點對刀（dāo）。本文（wén）隻介紹了用精車刀加工變導程螺紋的方（fāng）法和程序（xù）。

2.3 加工槽等寬（kuān）變導程螺紋（wén）

考慮零件在加工過程中裝夾的穩定性，以及保證加（jiā）工精度，在加工此2個零件時，應先加工左端兩外圓柱，保證工件總長度，然後調頭，采用“一夾一頂”的裝夾方式，提高裝夾的牢靠度，再加工右（yòu）端外圓柱（zhù）及變導（dǎo）程（chéng）螺（luó）紋部分。在（zài）加工螺紋前，刀具定位在距（jù）螺紋右端麵一個基本導程加螺紋導程增量（liàng）的位置，保證車（chē）削零（líng）件時螺紋第一道牙的導程為10 mm。在（zài）此處，變螺紋加工起刀時的導程為（wéi）第一道（dào）牙的導程減去2 mm的螺紋導（dǎo）程增量，即10 mm-2 mm=8 mm。而螺紋加工的起（qǐ）點應該在距螺紋（wén）右端（duān）麵8 mm的位置。程序（xù）節選如下（螺紋車（chē）刀（dāo）對應（yīng）編程原點在螺紋右端麵中心處，刀位點為切削刃中點）：

2.4 加工牙等寬變（biàn）導程螺紋（wén）

加工牙等寬槽變螺紋比槽等寬牙（yá）變螺紋要複雜一些，要車成變槽（cáo）寬，隻能是在變導程車削的過程中使刀具寬度均勻變大才能實現，不過這（zhè）是不能實現的。實際中可（kě）通過改（gǎi）變導程 F 和 Z軸起刀點的位置實現趕刀，逐漸完成車削。本文加工先車出 1 個槽等（děng）寬牙變導（dǎo）程（chéng）的螺紋，工件（jiàn）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（de）右側麵趕刀，直到加工的工件上第一個導程為8 mm，此時總趕（gǎn）刀量為 2 mm。通過分析，趕（gǎn）刀量是疊加的，即第1個槽向（xiàng）右趕刀2 mm，第2個槽向右趕刀量是（shì）4 mm，第3個槽向右趕刀量是6 mm，第（dì）4個槽向右趕刀量是8 mm，這樣就可（kě）以把螺紋槽不斷切寬。考（kǎo）慮螺紋（wén）車刀的刃寬為（wéi）3 mm，且刀具的強度（dù）有限，每次趕刀量不能過（guò）大，可分3次完成：第一（yī）次趕刀0.7 mm；第二次（cì）趕刀0.7 mm；第三次趕刀0.6 mm。這樣就可以確定每次趕刀加工的（de）起刀點和基本導程了。如第一次趕刀：在工件上第一個螺紋槽向右側趕刀0.7 mm，工（gōng）件上加工的第一個（gè）導程應為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（wèi）置，基本導程F就（jiù）為5.3 mm （7.3 mm-2 mm=5.3 mm）了，如（rú）圖9所示。加工程（chéng）序略。

圖（tú）8 加工槽（cáo）等（děng）變導程的螺紋

圖9 趕（gǎn）刀後加工情況

2.5 注意（yì）事項

（1）粗車刀與精車刀對刀時（shí），需以切削刃中點為刀位（wèi）點進行對刀，方能保證粗車後牙型兩（liǎng）側麵都留有精加工餘量；

（2）要注意精準確定變導（dǎo）程螺（luó）紋 F 初始值和刀具（jù）起點的位置，即基本導程值；

（3）加工過程如發現牙寬與理論尺寸不（bú）符，可（kě）通過更改定位點（diǎn）的 Z 坐標值及基本導程值來實現趕刀，具體趕刀（dāo）數值及（jí）操作根據實際情況而定。

（4）變導程螺（luó）紋在加工過程中，其螺（luó）旋升角隨著導程的變大而增大（dà），因此在刃磨刀具左側切削刃時應注（zhù）意其後角等於工作後角加上最大螺紋升角ψmax，即ao=(3°～ 5°)+ψmax。刀具右側（cè）刃情況相反（fǎn）。

3 、結（jié）束語

采用鋁材進（jìn）行加工（gōng）驗證，使用配備 980TD 數（shù）控係（xì）統的數控車床，按照本文的數控（kòng）車削工藝，能夠加工出文中介紹的2類特殊（shū）螺紋。如（rú）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種特殊螺紋的數（shù）控（kòng）車削工藝，通過使用簡單的數控指令並利用子程（chéng）序功能編寫（xiě）數控（kòng）程序，簡化了數控加工工藝，實現了複雜（zá）特（tè）殊螺紋的加工。

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