双线梯形螺纹加工方案设计
2018-6-20 来源：广东广州市增城区职业技术学校 作者：杨华贵
摘要：在车床上加工梯形螺纹，有一定的技术难度，不能很好地保证螺纹的表面粗糙度，也达不到加工的要求。本文通过运用数控车床进行加工双线梯形螺纹，提出实用、安全、可行的加工方案，运用宏程序编程，解决在数控车床上加工梯形螺纹的技术难度，提高生产效率。
关键词：梯形螺纹，加工方案，分层切削，宏程序
0、 前言
在现在制造业中，梯形螺纹以其精确的传动得到广泛的应用。而在普通车床加工梯形螺纹的过程中，遇到较大的技术难关：因切削深度大，梯形螺纹刀受到螺纹参数的影响而使得刀头宽度较小，所以刀具刚性较差，寿命较短；与加工普通三角螺纹相比，其导程大、牙型高度高、切除余量大、切削抗力大、螺纹精度难控制等。因此，在数控车削双线梯形螺纹时，需精细的计算和优化的加工工艺，方能解决其精度和生产效率的问题。
1 、加工工艺
加工工艺是在加工过程中利用制造技术手段，是以完成零件加工为目的一种加工方案。其手段主要是在机床运作的情况下，运用夹具、刀具、量具及测量技术等合理随机的组合，去完成零件加工的一种过程。而这个过程就是加工工艺。在数控车床完成零件加工的过程，称之为数控车削加工工艺。数控车削加工工艺由一个或多个加工工序组成，其中包括机床的选择、零件图样的分析、程序的编写及对机床的巧妙操作等。
下面通过在数控车床上加工梯形螺纹的实例，为其设计出合理的加工方案，解决技术难题，提高精度与生产效率。车削的梯形螺纹工件如图 1 所示，材料为 45 号钢。
2、 设计加工方案
2.1 零件图样分析
数控车削加工的素材是工件，零件图样的完整性是加工方案制定的重要前提。在进行零件图样分析时，特别要重点关注以下几方面：
1） 分析尺寸标注。分析零件图尺寸的关键一步是标注是否齐全、标准与清楚。严谨的尺寸标注是数控加工工艺的制定的一个因素，影响着产品的质量与生产时间。图 1 所示的尺寸标注齐全、标准、直观，可满足数控车削编程的加工要求。
图 1 梯形螺纹工件图样
2） 分析公差、精度要求。公差要求是机械加工的重要部分，产品是否有效是由公差精度决定的。因此在使用数控机床加工零件时要考虑两个因素：一是考虑数控机床的精度是否达标，二是考虑如何优化加工工艺。两因素确保零件精度是否可以达到图样要求。
3） 分析工件结构。影响数控加工方案制定的设计制造 > Design ＆ Manufacture36重要因素就是零件的结构，其复杂程度决定加工效率的高低。经过详细分析零件图样，确定理想的加工方案，明确每道加工工序及注意事项。例如根据零件的结构选择合适装夹工具，完成一个工序的加工。根据以上分析，我们选用了法拉克数控系统数控车床 FANUC 0i-TD，它可以满足零件精度要求。图样尺寸标注合理，满足数控编程加工要求；为防止加工螺纹时，工件往卡盘方向移动，我们采取两顶尖同夹加工的办法，即在三爪里面加放一自制顶尖，如图 2 所示。
图 2 装夹图样
2.2 刀具选择
为提高加工效率，选择高速进行粗车加工。由于总的切削深度大，刀具尺寸又受到梯形螺纹几何尺寸的限制，所以在刀具选择的时候要注意选用车刀的材料和其角度，以保证螺纹车刀车削时与工件螺纹的牙形相吻合。车刀的角度一定满足粗、精的要求，特别是螺纹精车刀，其刀刃刃磨的准确性，刀具的耐磨性和车刀相对于工件理论安装位置的精确性，都会直接影响牙形轮廓，而产生误差。
1） 刀具角度参数确定。根据零件图纸中梯形螺纹的条件，运用螺旋角计算公式：
确定刀具的螺旋角 5.05°。因此左侧后角大于5.05°，就不会涉螺纹线，因此确定为 6～8°；右侧后角约为 2°，可提高刀具刚性。同时刀具前角取为 6～8°，一方面方便排屑，增加刀具寿命；另一方面增强刀具更加锋利程度又利于断屑 （如图3所示）。
图 3 梯形螺纹刀角度参数
再根据梯形螺纹的尺寸标注，结合公式计算其相关参数如下 （单位均为 mm）：
结合零件材料、刀具的几何角度及梯形螺纹的相关参数，我们选用超硬白钢刀，通过数控线切割加工刀具刀头宽约为 0.8 mm。
2.3 切削方式选择
目前，在车床上加工梯形螺纹用得比较多的方法主要有三种，分别是直进法、斜进法和分层左右切削法。
直进法加工梯形螺纹对刀具要求比较高，在加工时刀具刀刃三面参与切削，切削力大，排屑难，散热条件差，刀具寿命短，甚至还会扎刀，影响加工质量与生产效率。直进法一般适合导程较小的梯形螺纹加工。
斜进法虽然克服了直进法的缺点，但随着梯形螺纹牙高的增加，刀具的斜进刀量不断变小，精度难以控制，同时随着进刀深度的增加，左右赶刀亦趋于频繁，精度亦更难控制。
分层左右切削法拥有直进法和斜进法的优点，加工时减小了刀刃的切削力，增长刀具的寿命，左右加工进刀量易把控，精度得以保证，在加工大导程梯形螺纹时，选择分层左右切削法是一种较为理想的加工方式。
根据图样所示，优先选择分层左右切削法以确保大导程梯形螺纹的精度及生产效率。
2.4 数控程序编写
在一般的加工中，人们往往运用 G76 进行编写程序，因为 G76 一段简单的程序段就可以加工完成一个梯形螺纹，尽管其在加工过程中，刀具会斜进法走刀，但却无法完成螺纹的精度要求。为达精度要求及提高生产效率，运用宏程序进行编程虽然较G76 编程稍为复杂，但能解决技术难关，大大提高生产效率。加工梯形螺纹的宏程序如下：
T0303；（调用螺纹刀并进行刀具补偿）
#1=36：（螺纹直径赋值）
#2=5；（螺纹螺距赋值）
#3=10；（螺纹导程赋值）
#4=#3／#2；（螺纹线数计算）
#5=0.25；（螺纹顶隙赋值）
#6=2*#3；（升速进刀段距离计算）
#7=-70；（螺纹加工长度赋值）
#8=0；（X 方向加工深度变量赋初值）
#12=0.8；（螺纹刀头宽度赋值）
N10 #9= 0；（X 方向深度进刀次数）
N20 #10= 0.5；（Z 向每刀移动量赋值）
#11=0；(z 方向进刀量累计变量赋值)
#9=#9+1：（切深进刀累加计数）
IF[#2GT5]THEN [#14=1.5]；
#8=#14*SQRT[#9]；（每层切深计算）
IF[#8]GE[2*[0.5*#2+#5]] ；
THEN#8=[#2*[0.5*#2+#5]]；（切深判别）
N30#13=0.634*#2-#8*[0.268*#2+0.536*#5]/[0.5*
#2+#5]-#12-0.2；（每层槽宽计算）
IF[#11GE#13]THEN[#11=#13]；（判断本层槽宽）
G01 X[#1+5] Z[#6+#11]F350；（螺纹起刀点定位）
092 X[#l-#8] Z[#7]F[#3]；
#11= #11+#10；
IF[#11LT[#13+#10]] GOTO 30；（本层槽宽加工完成条件转移）
IF[#8LT[2*[0.5*#2+#5]] GOTO 20；（总切深加工完成判别）
G01X[#1+5] Z[#6+0.1]F350；（精加工左牙侧刀具时刀具起点定位）
G92X[#1-#8] Z[#7]F[#3]；（精加工左牙侧）
G01X[#1+5]Z[#6-#11-0.1] F350；（精加工右牙侧刀具时刀具起点定位）
G92X[#1- #8]Z[#7]F[#3]；（精加工右牙侧）
#6=#6+#2；
IF[#4LT2]GOT0 10；
IF[#4EQ2]GOTO 40；
N40 GOO X100 Z100；
M30.
根据以上方案，在数控车床运用宏程序加工出来的梯形螺纹精度高，牙型角、梯形螺纹的大、中、小径都完全符合零件图样的尺寸要求，比简单运用数控车螺纹指令加工出来的梯形螺纹分线精度高，同时螺纹两侧的粗糙度也达到要求，加工效率可提高一倍。
3、 结束语
通过对双线梯形螺纹加工方案的设计，对图纸进行分析，选择了符合梯形螺纹精度的数控车床，确定了“两顶一夹”的装夹方式，防止加工工件被加工时向后移动的可能；选用了超硬白钢刀具，利用分层左右切削的优点来确保加工时的安全可靠；运用宏程序加工优化模块化，实现不同规格梯形螺纹的复杂粗加工和精加工，大大提高了加工梯形螺纹的加工速度，保证了梯形螺纹的精度，解决数控车切削梯形螺纹的技术难关。
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