兩類特殊螺紋的數控車削加工方法
2021-6-15 來源：汕頭職業技術學院 廣州市交通運輸職業學校 作者：方迪成 鄧集華 蔣燕
摘要：介紹了圓弧螺紋和變導程螺紋的應用，分析了在配備GSK980TD數控系統的經濟型數控車床上加工這2種螺紋的工藝，編寫了數控加工程序，并用鋁材進行了實際加工驗證。通過使用簡單的數控指令并利用子程序功能編寫數控程序，簡化了數控加工工藝，實現了復雜特殊螺紋的加工，對于生產實踐具有一定參考價值。
關鍵詞：圓弧螺紋；變導程螺紋；數控車床
0 引言
為了提高螺紋強度，使帶有螺紋連接的塑料制品達到更好的密封性，其螺紋都采用圓弧螺紋結構和異形螺紋結構。圓弧螺紋就是指在圓弧面上加工出來的圓弧形狀的螺紋，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具有一定的應用。所謂變導程螺紋，是指每一節的螺距都遞增或者遞減的螺紋，有“槽等寬牙變導程”與“牙等寬槽變導程”2 種結構，如圖 1 中 （b）、(c)所示。其在飲料罐裝機械、航空傳輸機械、塑料擠壓機械、飼料機械、船舶上的變導程螺旋槳、高速離心泵上的變導程誘導輪、變導程螺旋槳動力裝置上應用較多。本文就以加工圓弧螺紋和變導程螺紋為例，介紹這2類特殊螺紋在經濟型數控車床GSK980TD系統中的加工方法。
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 圓弧面上，最大軸徑?38，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該給予螺紋升速及降速的距離。并以圓弧螺紋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精度，在加工時，應先加工左端兩外圓柱面和左端面；調頭裝夾，車削零件右端面，保證零件總長；最后采用“一夾一頂”的裝夾方法，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 每轉進給速度功能，而進給速度則指定為圓弧螺紋的導程，即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系由螺紋切削指令通過編碼器來保證，以防止亂牙，保證螺紋加工時螺距精度。而在本文中，則運用圓弧切削指令 G03 與 G99 指令配合使用來完成圓弧螺紋的切削加工，在編制圓弧螺紋切削指令 G03 前段，使用螺紋切削指令 G32 進行定位，提前啟動編碼器功能，確定刀具與零件之間嚴格的位置關系，保證螺紋加工時螺距的精度，以防止螺紋切削過程中的亂牙現象。
1.3 刀具分析
（1） 材料選擇根據毛坯材料的類型以及加工要求不同而選擇合適的刀具材料。毛坯材料選用 ?40 鋁材，由于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、刃口鋒利的高速鋼W6Mo5Cr4V2材料。
（2） 角度選擇圓弧螺紋刀應該刃磨成刀頭為半圓的成形刀。粗車刀圓弧半徑為R1.75，精車刀圓弧半徑為R2。如圖4所示。從圖中可知，在刃磨刀具的過程中，刀具前角為 0°，后角從左側向右側平滑過渡，最左側后角為 （3°~5°） +ψmax，最右側后角為 （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，先在砂輪上面粗磨，然后用油石精修切削刃。要注意保證前角為 0°，以及各處后角值的變化規律，后角最左側為最大值，由左側向左前側、前方、右前側、右側平滑過渡，逐漸減少，至右側后角為最小值。刃磨過程中要經常用標準 R 規比較測量刀頭圓弧弧度及半徑，粗車刀頭半徑為R1.75。精車刀先在線切割機床上面割出刀頭成形面，刀頭半徑為R2.05，以保證刀頭成形面的圓度。然后在砂輪機上面修磨兩側及前側后角至要求，最后用油石精磨刀頭圓弧切削刃至
R2成形面。
1.4 加工程序
加工程序由主程序與子程序組成，子程序如下。
1.5 注意事項
（1） 在編寫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，必須使用G99進給速度功能，必須先采用G32螺紋切削指令進行定位，再利用圓弧指令G03切削螺紋，以保證螺紋切削每一次進刀點的位置相同，防止亂牙；
（4） 因為使用了圓弧刀具中心軌跡進行編程，所以對刀時，必須以刀具圓弧的圓心為刀位點：
（5） 在圓弧螺紋粗加工時，R80圓弧表面應留有精加工余量，在粗加工后再精車至尺寸要求，以去除圓弧螺紋粗車時殘留表面的毛刺等。
2 、導程螺紋的加工
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，按照螺紋的外形可分為“槽等寬牙變螺紋”和“牙等寬槽變螺紋”，分別如圖5、圖6所示。
圖5 槽等寬牙變螺紋
圖6 牙等寬槽變螺紋
2.1 數控指令
在GSK980TD系統中，變導程螺紋切削指令是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于起點的增量坐標值；I 為英制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 為公制螺紋變導程螺紋基本導程；R 為主軸每轉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點導程（即第一個導程）為F+R。
2.2 刀具分析
（1） 材料選擇
變導程螺紋為矩形螺紋，槽寬及槽深度都較大，在加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，如圖 7 所示。圖中，粗車刀具前角選擇 10°左右，左側后角為 （3°~5°） +ψmax，右側后角為 （3°~5°） -ψmax，精車刀具前角選擇0°，后角與粗車刀具相同。其中， ψmax為螺紋最大導程頂徑處的螺旋升角；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
刃磨刀具時，先在砂輪上面粗磨，然后用油石精磨。粗車刀在前刀面上開切削槽，保證前角 10°左右，后角 6°~8°左右，左側副后角大于7.64°，右側副后角-3°左右。精車刀前角為0°，后角、兩側副后角與粗車刀同。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 3 mm。粗加工變導程螺紋的方法和程序與精加工相同，只是要求粗精加工時以螺紋車刀切削刃中點為刀位點對刀。本文只介紹了用精車刀加工變導程螺紋的方法和程序。
2.3 加工槽等寬變導程螺紋
考慮零件在加工過程中裝夾的穩定性，以及保證加工精度，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，然后調頭，采用“一夾一頂”的裝夾方式，提高裝夾的牢靠度，再加工右端外圓柱及變導程螺紋部分。在加工螺紋前，刀具定位在距螺紋右端面一個基本導程加螺紋導程增量的位置，保證車削零件時螺紋第一道牙的導程為10 mm。在此處，變螺紋加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在距螺紋右端面8 mm的位置。程序節選如下 （螺紋車刀對應編程原點在螺紋右端面中心處，刀位點為切削刃中點）：
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牙變螺紋要復雜一些，要車成變槽寬，只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，不過這是不能實現的。實際中可通過改變導程 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 個槽等寬牙變導程的螺紋，工件上第一個導程為10 mm，槽寬 3 mm，如圖 8 所示；然后逐漸往正向趕刀，也就是向槽的右側面趕刀，直到加工的工件上第一個導程為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個槽向右趕刀2 mm，第2個槽向右趕刀量是4 mm，第3個槽向右趕刀量是6 mm，第4個槽向右趕刀量是8 mm，這樣就可以把螺紋槽不斷切寬。考慮螺紋車刀的刃寬為3 mm，且刀具的強度有限，每次趕刀量不能過大，可分3次完成：第一次趕刀0.7 mm；第二次趕刀0.7 mm；第三次趕刀0.6 mm。這樣就可以確定每次趕刀加工的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，工件上加工的第一個導程應為9.3 mm，此時螺紋車刀加工的起刀點應在距螺紋右
端面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。加工程序略。
圖8 加工槽等變導程的螺紋
圖9 趕刀后加工情況
2.5 注意事項
（1） 粗車刀與精車刀對刀時，需以切削刃中點為刀位點進行對刀，方能保證粗車后牙型兩側面都留有精加工余量；
（2） 要注意精準確定變導程螺紋 F 初始值和刀具起點的位置，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，具體趕刀數值及操作根據實際情況而定。
（4） 變導程螺紋在加工過程中，其螺旋升角隨著導程的變大而增大，因此在刃磨刀具左側切削刃時應注意其后角等于工作后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，使用配備 980TD 數控系統的數控車床，按照本文的數控車削工藝，能夠加工出文中介紹的2類特殊螺紋。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種特殊螺紋的數控車削工藝，通過使用簡單的數控指令并利用子程序功能編寫數控程序，簡化了數控加工工藝，實現了復雜特殊螺紋的加工。
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