螺紋環(huán)規(guī)絲底溝槽梳刀設(shè)計

方實(shí)美

陜西航空宏峰精密機(jī)械工具有限責(zé)任公司

1 引言

小螺距絲底溝槽車削是螺紋環(huán)規(guī)制造中的瓶頸工序。國內(nèi)多家環(huán)規(guī)制造廠大多采用單刀頭車削，效率低，對于工人的操作技術(shù)及磨刀技巧要求高。本文設(shè)計的梳刀從1976年正式投入生產(chǎn)以來，一直處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，具有加工效率高，2～3次走刀即可完成絲底加工，車削速度可達(dá)8～12m/min；強(qiáng)度好，耐用度高，一次重磨(磨前刃面)可車削100件以上；質(zhì)量穩(wěn)定，控制絲底直徑即可控制絲底溝槽寬度等特點(diǎn)。

2 梳刀結(jié)構(gòu)

2.1 刀頭

刀頭切削齒由牙型半角為ε刀的螺紋形成，螺紋中徑制造有較大的倒錐度。切削錐由斜角Φ1和Φ2組成。圖1為右螺紋環(huán)規(guī)用梳刀，右旋螺紋。

圖1

刀頭切削齒由高速鋼制成，柄部采用45鋼，對焊，刀具后角α(一般取7°～10°)由安裝形成。設(shè)刀具軸線相對工件軸線的抬高量為a，且刀具軸線在水平及垂直面內(nèi)與走刀方向平行，并通過調(diào)整安裝于四方刀架上的裝刀夾來保證，其關(guān)系式為

a=rsinα

(1)

式中，r為梳刀半徑，r=D/2。

前刃面相對于刀具中心的偏移量s為

s=rsin(α+γ)

(2)

式中，γ為前角(一般取7°～8°)。

2.2 柄部和頸部

柄部為3號莫氏椎體(D<20時，可用莫氏2號)。頸部長度按照通端環(huán)規(guī)厚度加空車需要量調(diào)整，在不影響進(jìn)刀的情況下，頸部直徑應(yīng)大些。柄部和頸部可用45鋼與頭部對焊，35～40HRC。

3 刀具工作原理

3.1 環(huán)規(guī)絲底溝槽尺寸及加工

如圖2所示，通端普通螺紋環(huán)規(guī)bmax=p/8，止端環(huán)規(guī)b=b3。當(dāng)p=1時，bmax=0.125，b3=0.27±0.035。

圖2

螺紋環(huán)規(guī)制造常用的工藝方法為車(或攻)螺紋及絲底溝槽—銑半扣—淬火、冰冷處理、回火—平磨—內(nèi)磨—研磨。由于熱處理工序往往會產(chǎn)生變形，故絲底直徑必須大于螺紋公稱直徑，取D′=D+Δ，Δ值一般取0.12～0.6，且應(yīng)隨著d及p的增大而取較大值。由于n

國內(nèi)各量規(guī)生產(chǎn)廠一般采用單頭刀車削加工，刀具大致分為兩種形式：一是尖頭式，加工后n

3.2 改善和優(yōu)化切削方式

無論用何種材料或何種方法精制，單頭刀的強(qiáng)度均會受到限制。本文主要從優(yōu)化切削方式入手，以減小刀尖負(fù)荷與磨擦阻力為原則設(shè)計刀頭結(jié)構(gòu)。

(1)雙重切削錐

(2)螺紋中徑取較大倒錐度

一般每10mm長度取0.03～0.05mm，如果螺距小，取上限；反之，取下限。如圖4所示，其作用是減小切削齒兩側(cè)刃后面與切削表面之間的摩擦阻力，任一切削齒與前一切削齒切出的表面(側(cè)面)均有一個微小間隙，該間隙隨螺紋中徑倒錐度的增加而增大[1]。

(3)刀具牙型由螺紋形成

在螺紋磨床上進(jìn)行加工，不僅精度高，而且與單頭刀相比，強(qiáng)度也大幅提高。

圖4

4 刀頭各要素的設(shè)計和取值

4.1 Φ2和取值

4.2 絲底溝槽牙型半角ε及底寬n

ε和n是兩個相關(guān)的量，為增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，n值需大一些，但又會導(dǎo)致ε角減小，從而影響刀齒的整體強(qiáng)度，減小側(cè)刃法向后角。因此，應(yīng)根據(jù)金屬切削原理與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)予以綜合考慮，一般取ε=12°～16°，n≥0.08。絲底疏刀設(shè)計時還需確定一把刀具是同時適用于T、Z螺紋環(huán)規(guī)，還是根據(jù)T、Z環(huán)規(guī)分別設(shè)計。

T、Z環(huán)規(guī)共用梳刀適用于小批量或單件生產(chǎn)，有利于節(jié)省刀具費(fèi)用和換刀時間。本方案的特點(diǎn)是nT=nZ。

由圖2可導(dǎo)出n值計算式為

(3)

(4)

將式(3)和式(4)代入nT=nZ，化簡后得

(5)

(6)

式(6)中有關(guān)數(shù)據(jù)的確定方法：

(2)bT取b1max，bZ取b3的下限或略大于下限值[2]。

(3)如果D2T，D2Z為某一特殊規(guī)格環(huán)規(guī)設(shè)計專用絲底梳刀，則D2T，D2Z為圖紙上標(biāo)注的值。用于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)時，應(yīng)考慮刀具的通用性，盡量擴(kuò)大其使用范圍，以減少刀具的規(guī)格數(shù)量。為此，首先要確定加工范圍(如大于M30×1.5～M70×1.5)，選擇其中某一直徑(如M42×1.5)作為計算直徑，D″=42，再選擇M42×1.5螺紋中徑es及ei絕對值最大的精度級量規(guī)中徑D2T，D2Z作為設(shè)計數(shù)據(jù)。根據(jù)取D2最小原則設(shè)計絲底梳刀，用于其它精度等級時，可按下式求出D′作為工藝數(shù)據(jù)，即可保證絲底溝槽寬度b要求。由圖2可得

(7)

4.3 Φ1和l1取值

式中

(8)

因此有

(9)

式中，D′，D2，b值如果按T、Z環(huán)規(guī)共用方案設(shè)計，則用Z環(huán)規(guī)的數(shù)據(jù)代入。

在車絲底溝槽時，環(huán)規(guī)中徑尚留有余量，為防止第—切削齒負(fù)荷過大，可將上式計算結(jié)果加上一個螺距p，則

(10)

4.4 L值及絲底梳刀直徑D

表1 D和D″的取值

4.5 螺紋中徑倒錐度Δ1

當(dāng)p=1時，取0.4～0.5mm/100mm；當(dāng)p>1時，取0.3～0.4mm/100mm。螺距精度要求與螺紋量規(guī)取相同值。

4.6 刀齒牙型半角ε刀及其修正計算

為了保證絲底溝槽兩側(cè)牙型半角的對稱及寬度b的要求，對刀齒牙型半角進(jìn)行修正是有益的。

(1)按常用內(nèi)螺紋成型車刀設(shè)計法求ε刀

由圖5可知，O1為工件中心，O2為刀具中心，O2高于O1，導(dǎo)致ε刀>ε。

由式(8)求出h，有

(11)

(12)

(13)

(14)

B=htanε

(15)

(16)

式中，h為刀具的有效切削深度(見圖2)；R為環(huán)規(guī)螺紋公稱直徑的一半；r為絲底梳刀刀頭半徑。

上述公式的推導(dǎo)未計入環(huán)規(guī)螺紋升角的影響，刀齒為環(huán)形，且ε刀左=ε刀右。本文討論的絲底梳刀切削齒由螺紋形成，其螺紋升角大于環(huán)規(guī)螺紋升角?？梢砸胄拚縋b(見圖6)，該修正量適用于刀具與工件螺紋升角相同的條件下對刀齒牙型半角進(jìn)行修正計算[3]。因λ刀>λ工，本文引入一個新的修正量PW。

圖5

(2)λ刀>λ工時的修正計算

圖6為圖5中F向的投影，是通過O點(diǎn)(見圖5)刀齒軸截面的垂直方向投影(即刀齒軸截面內(nèi)牙形)。

圖6

參照圖5和圖6可得

(17)

(18)

(19)

對于左環(huán)規(guī)梳刀，將兩式中加、減號進(jìn)行換位。需要注意，對于刀齒來說，刀頭在左，刀柄在右(見圖3)。

(3)與梳刀螺紋中徑倒錐度有關(guān)的修正量

絲底梳刀的螺紋中徑倒錐度比普通絲錐大得多，故不可忽視其修正計算。修正公式推導(dǎo)參見文獻(xiàn)[1]，本文對公式略加變換得

(20)

式中，取Φ1而不是取Φ2是因?yàn)榻z底溝槽寬度b由切削錐部分l1加工形成。

綜合上述各項(xiàng)推導(dǎo)出絲底梳刀軸截面內(nèi)牙型半角的算式為

右螺紋梳刀

(21)

(22)

左螺紋梳刀

(23)

(24)

5 應(yīng)用實(shí)例

設(shè)計大于M30～70，p=2的右螺紋環(huán)規(guī)(T、Z共用)絲底疏刀。由表查得D=26，頸部直徑為φ18，長度40，柄部為3號莫氏椎體；取后角α=9°，則裝刀高度a=13×sin9°=2.03，考慮讓刀量為0.2，有a=2.2～2.3；當(dāng)前角γ=8°時，則s=13×sin17°=3.8。

(2)求ε和n值

當(dāng)Φ1=6°，由式(9)求得l1=7，L=16。

由式(8)求得h=0.52，將h=0.52，R=21，r=13，a=9°，Y=8°，ε=16°代入式(11)～式(15)，求得h′=0.525242，H=0.501348，B=0.149108。

6 結(jié)語

本文與精密內(nèi)螺紋成形車刀的設(shè)計[3]，將兩種刀具完美組合，以獲得精確的熱處理前牙型，從而減少研磨余量。

通過設(shè)計為M24以上、螺距1～2的環(huán)規(guī)制造中絲底加工提供了優(yōu)質(zhì)高效的刀具。本設(shè)計突破了多年來一直困擾制造者的難題，既適用于多規(guī)格單件生產(chǎn)，也適用于大批量生產(chǎn)。由于刀具螺紋倒錐度較大，在磨螺紋時，尾座偏移較大會降低定位準(zhǔn)確性，建議制造專用錐度靠模。