數(shù)控車床梯形螺紋的加工方法及改進(jìn)研究
2021-10-14 來源：常州科技經(jīng)貿(mào)技工學(xué)校 作者：陳 靜
摘要：本文以梯形螺紋 Tr36×6 的加工工藝作為研究對象，針對梯形螺紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)與直進(jìn)法、斜進(jìn)法、左右切削法、直槽法、階梯槽法、分層切削法等加工方法進(jìn)行詳細(xì)分析，并以常規(guī)加工方法存在的刀具磨損、排屑困難、生產(chǎn)效率低等工藝缺陷作為切入點，探討了實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速粗車加工與低轉(zhuǎn)速精車加工兩道工序間良好銜接的具體方法及程序設(shè)計思路。經(jīng)多次調(diào)試與驗證后發(fā)現(xiàn)，以每分鐘 560r 的轉(zhuǎn)速進(jìn)行粗車加工，再將轉(zhuǎn)速下調(diào)至每分鐘 25r 進(jìn)行精車加工，即可實現(xiàn)對梯形螺紋的變速加工，且保障梯形螺紋工件的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，有效提高生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率，為梯形螺紋副的批量化生產(chǎn)創(chuàng)設(shè)有利條件。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；梯形螺紋；變速車削
梯形螺紋主要應(yīng)用于傳動機構(gòu)中作為傳導(dǎo)螺紋，梯形外螺紋與內(nèi)螺紋以成對方式呈現(xiàn)，具有牙型深、螺距較大等特征，在采用數(shù)控車床進(jìn)行加工時易產(chǎn)生較大的切削力與振動問題，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。基于此，本文擬針對梯形螺紋的常規(guī)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，并通過程序調(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度、對中性上占據(jù)良好性能優(yōu)勢，其公稱直徑為 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)及計算公式
1.1.2 車刀材料。
在車刀材料選取上，主要選用硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行梯形螺紋的高速車削，考慮到數(shù)控車床存在較嚴(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。
在車削加工環(huán)節(jié)，應(yīng)注重選用標(biāo)準(zhǔn)刀片，在安裝刀具時控制主切削刃與工件軸線保持等高且平行，利用樣板進(jìn)行找正與糾偏處理，使刀頭角平分線與工件軸線呈垂直關(guān)系，并且將車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)法指車刀沿水平方向間歇進(jìn)給至牙深部位，考慮到在車削梯形螺紋需利用車刀三刃同時切削，由此將產(chǎn)生較大的切削力、加劇刀具的磨損情況，并且無法保障及時排屑，易出現(xiàn)扎刀問題。斜進(jìn)法指以牙型角方向為基準(zhǔn)，將車刀沿斜向間歇進(jìn)給，能夠有效減少切削力及產(chǎn)生的排屑量，但針對螺距較大的梯形螺紋進(jìn)行加工時，仍面臨刀具磨損與牙型角存在偏差等問題，缺乏良好適用價值。
1.2.2左右切削法。
該方法指以牙型角反向為基準(zhǔn)，將車刀錯位進(jìn)給、實行單刃切削，借此有效規(guī)避多刃切削引發(fā)的扎刀問題，既有助于提升螺紋的車削精度，同時也可優(yōu)化梯形螺紋表面質(zhì)量，但也存在編程復(fù)雜的問題，無法保障加工效率。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，加之刀頭較長影響到梯形螺紋刀的強度，極易在加工過程中產(chǎn)生刀頭折斷的問題。采用階梯槽法進(jìn)行加工時，通常需先完成牙槽的分層，控制切槽刀沿左右方向移動切削出階梯槽，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無法保障刀體對準(zhǔn)螺旋直槽，易引發(fā)倒牙問題。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梯形槽，再依照直進(jìn)、左右移動的順序進(jìn)行各層梯形槽的車削加工。該方法適用于大螺距的梯形螺紋加工，能夠有效提高車削質(zhì)量與效率，避免產(chǎn)生扎刀問題，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)控車床變速車削梯形螺紋的加工流程優(yōu)化設(shè)計
2.1 常規(guī)加工方法存在的缺陷。
通過針對四類梯形螺紋車削加工方法進(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)控車床以高轉(zhuǎn)速車削梯形螺紋時，往往面臨螺紋表面粗糙度不達(dá)標(biāo)的問題，同時多個刀刃將產(chǎn)生較大的切削力與振動效應(yīng)，易縮短切槽刀的使用壽命；在以低轉(zhuǎn)速車削梯形螺紋時，往往導(dǎo)致生產(chǎn)效率大幅下降，并且當(dāng)速度驟然變化時易引發(fā)螺紋亂牙問題[2]。基于此，本文擬采用變速車削這一新型加工模式，首先利用粗車刀以高轉(zhuǎn)速進(jìn)行工件外形的車削，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；隨后再改用精車刀以低轉(zhuǎn)速進(jìn)行工件的精車、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。在此過程中，需注意控制好高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速與粗車、精車間的銜接過渡，保障梯形螺紋的加工質(zhì)量。
2.2 變速車削加工方法的應(yīng)用。
2.2.1 加工方案分析。
基于GSK980TD 數(shù)控車床進(jìn)行梯形螺紋 Tr36×6 的變速車削加工方案設(shè)計，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、精車環(huán)節(jié)的編程設(shè)計，注意留足余量。
2.2.2變速車削加工程序設(shè)計。
在粗車前，首先以 X 方向為基準(zhǔn)留出精車余量 X0.5，將車床轉(zhuǎn)速設(shè)為每分鐘 560r 的高轉(zhuǎn)速水平，待完成粗車后倘若直接將轉(zhuǎn)速調(diào)低進(jìn)行精車，極易產(chǎn)生牙槽亂牙問題，并且易引發(fā)撞刀、刀片折斷等問題，因此需重點做好粗車后的速度調(diào)節(jié)與工序控制。粗車程序設(shè)計如下：
在粗車完成后，首先將粗車刀停放的位置設(shè)為 X200 Z5，隨后進(jìn)入對刀界面在磨耗欄中輸入 U8 刀補，使坐標(biāo)系上的原點朝 X 軸右側(cè)移動 4mm 的距離，此時刀尖較先前提高約一個 h3的距離；隨即將數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速降低至每分鐘 25r，再次運行粗車程序，在此環(huán)節(jié)精車刀將位于靠近梯形螺紋表面的平面移動，確保不會接觸到梯形螺紋表面。此時觀察梯形螺紋車刀可發(fā)現(xiàn)，車刀所處位置較牙槽存在一定的偏移，應(yīng)通過調(diào)試使車刀重新回到牙槽內(nèi)，在此可將粗車程序中的起始點 Z0 調(diào)整為- 1，再次運行粗車程序，并同時校對車刀與梯形螺紋槽間的偏差值，調(diào)整至二者保持完全對正為止。接下來需針對偏移后的坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整，在對刀界面磨耗欄內(nèi)輸入 U- 8 并執(zhí)行程序，即可使坐標(biāo)系重新恢復(fù)至粗車加工模式下的坐標(biāo)系，隨后再次運行粗車程序，倘若發(fā)現(xiàn)精車刀在車削加工過程中觸碰到牙槽，則需重新進(jìn)行梯形螺紋的粗車加工，直至精車刀與牙型保持一致、無表面接觸為止。最后需針對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，確保精車螺紋兩側(cè)面的偏移量符合標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計要求；通過進(jìn)入對刀界面調(diào)整磨耗欄中的 U 值，即可實現(xiàn)對中徑、小徑等尺寸的精確調(diào)整，并配合三針測量法進(jìn)行測量，計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。
通過針對變速車削加工的程序與具體參數(shù)進(jìn)行多次驗證，最終確定標(biāo)準(zhǔn)化加工方案，即先以每分鐘 560r 的高轉(zhuǎn)速運行粗車程序、完成粗車加工，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，運行精車程序、利用精車刀進(jìn)行工件左右兩側(cè)面的精修處理，最后針對中徑、牙頂寬、牙槽底寬等指標(biāo)進(jìn)行測量，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]。精車程序設(shè)計如下：
2.3 工藝優(yōu)化的注意事項。
在采用數(shù)控車床變速車削工藝時，還應(yīng)注意以下問題：首先是在切削過程中需補充足量切削液，在刀頭處增設(shè)頂尖，用于防止切削刀具在車削工件環(huán)節(jié)產(chǎn)生大幅振動，保障梯形螺紋副表面具備良好的粗糙度，并且在數(shù)控車床執(zhí)行車削作業(yè)過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)備損壞問題。其次應(yīng)注意在精車前做好中心孔的修正工作，針對螺紋同軸精度進(jìn)行嚴(yán)格校正，并且做好精車刀質(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)的精車質(zhì)量。再次是在車削加工梯形螺紋的過程中，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題；在裝夾工件環(huán)節(jié)，應(yīng)注意控制好尾座套筒的伸長量，避免因套筒過短導(dǎo)致車刀退刀環(huán)節(jié)尾座碰撞床鞍。最后還應(yīng)加強對梯形螺紋技術(shù)參數(shù)的把控，例如檢查梯形螺紋的中徑是否與基準(zhǔn)軸位于相同軸線上，
中徑尺寸公差是否符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，大徑尺寸是否控制在標(biāo)準(zhǔn)尺寸以內(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)控機床加工梯形螺紋時，還應(yīng)注意做好機床設(shè)備剛度、工件與刀具材料等指標(biāo)的調(diào)節(jié)，并針對編程進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計，實現(xiàn)工藝優(yōu)化目標(biāo)。
3、結(jié)論
當(dāng)前在采用數(shù)控車床進(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)雜程度高等問題。對此需針對一般加工方法做出改進(jìn)，引入變速車削工藝進(jìn)行加工方法的優(yōu)化，做好粗車與精車加工銜接環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，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)計與調(diào)試工作，保障提升梯形螺紋加工精度與效率，實現(xiàn)零部件批量化生產(chǎn)目標(biāo)。
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