兩類(lèi)特殊螺紋的數(shù)控車(chē)削加工方法

方迪成，鄧集華，蔣 燕

（1.汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕頭 515078；2.廣州市交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校，廣州 510405）

0 引言

為了提高螺紋強(qiáng)度，使帶有螺紋連接的塑料制品達(dá)到更好的密封性，其螺紋都采用圓弧螺紋結(jié)構(gòu)和異形螺紋結(jié)構(gòu)［1］。圓弧螺紋就是指在圓弧面上加工出來(lái)的圓弧形狀的螺紋，如圖1（a）所示。在第三屆全國(guó)數(shù)控技能大賽數(shù)控車(chē)床教師組試題中，也出現(xiàn)了圓弧螺紋的加工。同時(shí)，同屬特殊螺紋的變導(dǎo)程螺紋也具有一定的應(yīng)用。所謂變導(dǎo)程螺紋，是指每一節(jié)的螺距都遞增或者遞減的螺紋，有“槽等寬牙變導(dǎo)程”與“牙等寬槽變導(dǎo)程”2種結(jié)構(gòu)，如圖1中（b）、(c)所示。其在飲料罐裝機(jī)械、航空傳輸機(jī)械、塑料擠壓機(jī)械、飼料機(jī)械、船舶上的變導(dǎo)程螺旋槳、高速離心泵上的變導(dǎo)程誘導(dǎo)輪、變導(dǎo)程螺旋槳?jiǎng)恿ρb置上應(yīng)用較多［2］。本文就以加工圓弧螺紋和變導(dǎo)程螺紋為例，介紹這2類(lèi)特殊螺紋在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床GSK980TD系統(tǒng)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(diǎn)計(jì)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φ38，螺距4.5 mm，圓弧牙型半徑為R2。在加工圓弧螺紋時(shí)，起刀點(diǎn)及結(jié)束點(diǎn)位置應(yīng)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(jìn)行編程。螺紋加工起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算如圖3所示。

圖2 圓弧螺紋

圖3 圓弧螺紋加工起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo)

1.2 加工工藝分析

考慮到零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工精度，在加工時(shí)，應(yīng)先加工左端兩外圓柱面和左端面；調(diào)頭裝夾，車(chē)削零件右端面，保證零件總長(zhǎng)；最后采用“一夾一頂”的裝夾方法，車(chē)削右端外圓柱及圓弧螺紋。在車(chē)削圓弧螺紋時(shí)，必須使用G99每轉(zhuǎn)進(jìn)給速度功能，而進(jìn)給速度則指定為圓弧螺紋的導(dǎo)程，即4.5 mm/r。而根據(jù)數(shù)控車(chē)床加工螺紋原理，螺紋加工時(shí)刀具每刀起始點(diǎn)與螺紋牙型之間的位置關(guān)系由螺紋切削指令通過(guò)編碼器來(lái)保證，以防止亂牙，保證螺紋加工時(shí)螺距精度。而在本文中，則運(yùn)用圓弧切削指令G03與G99指令配合使用來(lái)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(jìn)行定位，提前啟動(dòng)編碼器功能，確定刀具與零件之間嚴(yán)格的位置關(guān)系，保證螺紋加工時(shí)螺距的精度，以防止螺紋切削過(guò)程中的亂牙現(xiàn)象［3］。

1.3 刀具分析

（1）材料選擇

根據(jù)毛坯材料的類(lèi)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φ40鋁材，由于加工圓弧螺紋時(shí)刀具切削刃接觸長(zhǎng)度很長(zhǎng)，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(yīng)該刃磨成刀頭為半圓的成形刀。粗車(chē)刀圓弧半徑為R1.75，精車(chē)刀圓弧半徑為R2。如圖4所示。從圖中可知，在刃磨刀具的過(guò)程中，刀具前角為0°，后角從左側(cè)向右側(cè)平滑過(guò)渡，最左側(cè)后角為（3°～5°）+ψmax，最右側(cè)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(chē)刀刃磨刀具時(shí)，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(guī)律，后角最左側(cè)為最大值，由左側(cè)向左前側(cè)、前方、右前側(cè)、右側(cè)平滑過(guò)渡，逐漸減少，至右側(cè)后角為最小值。刃磨過(guò)程中要經(jīng)常用標(biāo)準(zhǔn)R規(guī)比較測(cè)量刀頭圓弧弧度及半徑，粗車(chē)刀頭半徑為R1.75。

精車(chē)刀先在線切割機(jī)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(jī)上面修磨兩側(cè)及前側(cè)后角至要求，最后用油石精磨刀頭圓弧切削刃至R2成形面［4］。

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(xiàng)

（1）在編寫(xiě)程序時(shí)需要先計(jì)算好圓弧螺紋R80圓弧母線的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算過(guò)程中應(yīng)包括刀具起點(diǎn)的螺紋升速距離（設(shè)定為5 mm）與終點(diǎn)的退刀距離(設(shè)定為5 mm)；

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

（3）編寫(xiě)程序的時(shí)候，必須使用G99進(jìn)給速度功能，必須先采用G32螺紋切削指令進(jìn)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(jìn)刀點(diǎn)的位置相同，防止亂牙；

（4）因?yàn)槭褂昧藞A弧刀具中心軌跡進(jìn)行編程，所以對(duì)刀時(shí)，必須以刀具圓弧的圓心為刀位點(diǎn)；

（5）在圓弧螺紋粗加工時(shí)，R80圓弧表面應(yīng)留有精加工余量，在粗加工后再精車(chē)至尺寸要求，以去除圓弧螺紋粗車(chē)時(shí)殘留表面的毛刺等。

2 變導(dǎo)程螺紋的加工

變導(dǎo)程螺紋的相鄰2個(gè)導(dǎo)程的數(shù)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(shù)控指令

在GSK980TD系統(tǒng)中，變導(dǎo)程螺紋切削指令是G34。格式：

其中：X、Z為螺紋切削終點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)值；U、W為螺紋切削終點(diǎn)相對(duì)于起點(diǎn)的增量坐標(biāo)值；I為英制螺紋變導(dǎo)程螺紋基本導(dǎo)程；F1、F2分別為螺紋旋進(jìn)方向相鄰2個(gè)導(dǎo)程中第一個(gè)導(dǎo)程與第二個(gè)導(dǎo)程；F為公制螺紋變導(dǎo)程螺紋基本導(dǎo)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(dāng)F2＜F1時(shí)R為負(fù)值，螺距遞減；當(dāng)F2＞F1時(shí)R為正值，導(dǎo)程遞增。變導(dǎo)程螺紋加工的起刀點(diǎn)導(dǎo)程（即第一個(gè)導(dǎo)程）為F+R。［5］

2.2 刀具分析

（1）材料選擇

變導(dǎo)程螺紋為矩形螺紋，槽寬及槽深度都較大，在加工時(shí)切削刃接觸長(zhǎng)度長(zhǎng)、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

圖7 粗車(chē)矩形螺紋刀

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

（3）刃磨刀具

刃磨刀具時(shí)，先在砂輪上面粗磨，然后用油石精磨。粗車(chē)刀在前刀面上開(kāi)切削槽，保證前角10°左右，后角6°～8°左右，左側(cè)副后角大于7.64°，右側(cè)副后角-3°左右。精車(chē)刀前角為0°，后角、兩側(cè)副后角與粗車(chē)刀同［5］。

加工槽等寬牙變導(dǎo)程螺紋時(shí)，粗車(chē)刀寬4.6 mm，精車(chē)刀寬5 mm；加工牙等寬槽變導(dǎo)程螺紋時(shí)，粗車(chē)刀寬2.8 mm，精車(chē)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，只是要求粗精加工時(shí)以螺紋車(chē)刀切削刃中點(diǎn)為刀位點(diǎn)對(duì)刀。本文只介紹了用精車(chē)刀加工變導(dǎo)程螺紋的方法和程序。

2.3 加工槽等寬變導(dǎo)程螺紋

考慮零件在加工過(guò)程中裝夾的穩(wěn)定性，以及保證加工精度，在加工此2個(gè)零件時(shí)，應(yīng)先加工左端兩外圓柱，保證工件總長(zhǎng)度，然后調(diào)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(dǎo)程螺紋部分。在加工螺紋前，刀具定位在距螺紋右端面一個(gè)基本導(dǎo)程加螺紋導(dǎo)程增量的位置，保證車(chē)削零件時(shí)螺紋第一道牙的導(dǎo)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(dǎo)程減去2 mm的螺紋導(dǎo)程增量，即10 mm-2 mm=8 mm。而螺紋加工的起點(diǎn)應(yīng)該在距螺紋右端面8 mm的位置。

程序節(jié)選如下（螺紋車(chē)刀對(duì)應(yīng)編程原點(diǎn)在螺紋右端面中心處，刀位點(diǎn)為切削刃中點(diǎn)）：

G00 X50 Z10.5; /起刀點(diǎn)第一個(gè)導(dǎo)程為8 mm

M98 P602001; /調(diào)用0022子程序60次

O2001; /子程序名

G00 U-12.1; /X方向進(jìn)刀12.1 mm

G34 U0 Z-70 F6 R2;/變導(dǎo)程螺紋加工，基本導(dǎo)程為6mm。第一個(gè)牙的導(dǎo)程為F+R。

G00 U12; /X方向退刀12 mm

Z10.5; /Z方向退刀至螺紋加工起點(diǎn)

M99; /子程序結(jié)束

2.4 加工牙等寬變導(dǎo)程螺紋

加工牙等寬槽變螺紋比槽等寬牙變螺紋要復(fù)雜一些，要車(chē)成變槽寬，只能是在變導(dǎo)程車(chē)削的過(guò)程中使刀具寬度均勻變大才能實(shí)現(xiàn)，不過(guò)這是不能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際中可通過(guò)改變導(dǎo)程F和Z軸起刀點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)趕刀，逐漸完成車(chē)削。本文加工先車(chē)出1個(gè)槽等寬牙變導(dǎo)程的螺紋，工件上第一個(gè)導(dǎo)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(cè)面趕刀，直到加工的工件上第一個(gè)導(dǎo)程為8 mm，此時(shí)總趕刀量為2 mm。通過(guò)分析，趕刀量是疊加的，即第1個(gè)槽向右趕刀2 mm，第2個(gè)槽向右趕刀量是4 mm，第3個(gè)槽向右趕刀量是6 mm，第4個(gè)槽向右趕刀量是8 mm，這樣就可以把螺紋槽不斷切寬?？紤]螺紋車(chē)刀的刃寬為3 mm，且刀具的強(qiáng)度有限，每次趕刀量不能過(guò)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(diǎn)和基本導(dǎo)程了。如第一次趕刀：在工件上第一個(gè)螺紋槽向右側(cè)趕刀0.7 mm，工件上加工的第一個(gè)導(dǎo)程應(yīng)為9.3 mm，此時(shí)螺紋車(chē)刀加工的起刀點(diǎn)應(yīng)在距螺紋右端面7.3 mm（9.3 mm-2 mm=7.3 mm）的位置，基本導(dǎo)程F就為5.3mm（7.3 mm-2mm=5.3mm）了，如圖9所示。加工程序略。

圖8 加工槽等變導(dǎo)程的螺紋

圖9 趕刀后加工情況

2.5 注意事項(xiàng)

（1）粗車(chē)刀與精車(chē)刀對(duì)刀時(shí)，需以切削刃中點(diǎn)為刀位點(diǎn)進(jìn)行對(duì)刀，方能保證粗車(chē)后牙型兩側(cè)面都留有精加工余量；

（2）要注意精準(zhǔn)確定變導(dǎo)程螺紋F初始值和刀具起點(diǎn)的位置，即基本導(dǎo)程值；

（3）加工過(guò)程如發(fā)現(xiàn)牙寬與理論尺寸不符，可通過(guò)更改定位點(diǎn)的Z坐標(biāo)值及基本導(dǎo)程值來(lái)實(shí)現(xiàn)趕刀，具體趕刀數(shù)值及操作根據(jù)實(shí)際情況而定。

（4）變導(dǎo)程螺紋在加工過(guò)程中，其螺旋升角隨著導(dǎo)程的變大而增大，因此在刃磨刀具左側(cè)切削刃時(shí)應(yīng)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(cè)刃情況相反[7]。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用鋁材進(jìn)行加工驗(yàn)證，使用配備980TD數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車(chē)床，按照本文的數(shù)控車(chē)削工藝，能夠加工出文中介紹的2類(lèi)特殊螺紋。如果加工鋼件，可通過(guò)調(diào)整背吃刀量來(lái)保證加工質(zhì)量。本文所設(shè)計(jì)的2種特殊螺紋的數(shù)控車(chē)削工藝，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的數(shù)控指令并利用子程序功能編寫(xiě)數(shù)控程序，簡(jiǎn)化了數(shù)控加工工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜特殊螺紋的加工。