大螺距非标双头梯形内螺纹的加工研究

王锋强，盖永亮

(航空工业庆安集团有限公司，陕西 西安 710077)

近年来，随着制造业的发展，为了实现某些运动，非标零件出现的频率越来越高。本文对某大螺距非标双头梯形内螺纹的加工进行了分析研究。

1 零件结构特点

1.1 梯形螺纹形状和参数

某非标梯形内螺纹形状如图1所示，其参数要求见表1[1]。由图1和表1可知，D2=(D1+D)/2=D1+H=D-H；H=D-D2=20-17=3 (mm)；S=NP；P=S/N=20/2=10 (mm)；D1=D-2H=20-2×3=φ14 (mm)。

表1 某非标梯形内螺纹参数

图1 某非标梯形内螺纹

1.2 相关尺寸计算

由上述参数可知，该螺纹为双头梯形螺纹，且导程较大(S=20 mm)。螺纹的导程直接影响着运动变化的快慢，而对于螺纹而言，其主要影响螺纹升角(导程角)φ(见图2)，在圆柱的外围用1张直角三角形的纸围起来，刚好旋转1周时轴向的距离就是导程S，这时∠D′ON就是螺纹升角，即为“螺纹牙的螺旋线与过其1点的螺纹轴成直角平面的夹角”[2]。

图2 螺纹升角

由图2可得，螺纹升角φ=arctan(S/πD)。代入参数得，φ=17.7°。

2 刀具选用及优化

2.1 加工车刀分析

在加工梯形螺纹时，螺纹导程的增大会导致螺纹升角增大，而螺纹升角增大会使刀具切削刃前角发生变化(见图3a)，使用成形车刀加工会出现螺纹牙侧的加工表面一侧前角变大，另一侧前角变为负；而且，无论如何设置后角都不能使得两边平衡，在影响加工面的同时，也影响刀具刃口寿命。为了平衡，可采用两侧刃口前角相同的方法，即将刀具倾斜1个螺纹升角(见图3b)，以避免前角不平衡而带来的负面影响；然而由于刀具的倾斜，导致加工沟槽底部的切削刃高度不同，而比中心高或者低的切削刃所加工的直径要比中心部分直径大(见图3c)，则会使得螺纹小径产生误差。

图3 切削角度变化示意图一

梯形螺纹形状和螺距根据轴心的垂直断面来决定，但它和螺纹牙的垂直断面不同。在轴心高度处使刀具倾斜螺纹升角，但沟槽螺纹升角(导程角)在大径、小径上是不一样的(见图4a)，所以切削刀具的刀尖应做小。为了避免上述缺陷，应使用两边切削刃前角在同一中心线上的刀具，可采用整体式或分体式刀具。对于整体式刀具(见图4b)而言，磨刀非常困难；而分体式刀具(见图4c)在每一侧分别使用专用刀具，对于精度要求高的刀具可采用这种方法，但就内螺纹而言，分体式刀具的使用及磨刀维护同样存在很多不便，还需根据实际情况进行优选。

图4 切削角度变化示意图二

2.2 专用车刀设计

由于该梯形内螺纹导程大(S=20 mm)、小径小(D1=φ14 mm)，导致螺纹底孔小、牙高尺寸较大(H=3 mm)；因此，采用通用梯形螺纹刀不能满足加工要求，应根据该非标螺纹定制专用梯形内螺纹车刀。

根据螺纹实际要求，笔者首先选定加工方案为成形车刀加工，根据螺纹各参数要求制定刀具如图5和图6所示。

图5 成形车刀(实物)

经过对刀具分析可知，该成形车刀存在很明显的缺陷，如图6中14°的刀具角度小于螺纹升角φ=17.7°，会导致螺纹表面出现加工干涉；而刀具刀柄圆角R8大于螺纹小径D1=φ14 mm(R7)，使得刀具无法靠近底孔边缘，影响螺纹牙高H；同时，因为该刀具为内螺纹车刀，不可能在安装刀具时实现倾斜1个螺旋升角的角度，加工中刀具易磨损(见图5)，且螺纹表面质量不高(见图7)。

图6 成形车刀(图样)

图7 螺纹试切削结果

经过上述分析，结合成形车刀实际试加工中所暴露的缺陷，对刀具进行优化改进，确定其最终形态如图8和图9所示。

图8 优化后螺纹车刀(实物)

经过实际调试加工表明，螺纹各项参数均满足设计要求，且梯形螺纹表面质量较好。梯形螺纹实物如图10所示。

图10 梯形螺纹实物图

3 非标梯形内螺纹的加工方法

加工梯形螺纹的方法有很多种，包括直进法、斜进法、左右切削法、切槽法和分层法等[3]。由于梯形螺纹较三角螺纹的螺距和牙型都大，而且精度高，牙型两侧面表面粗糙度较小，致使车削梯形螺纹时，吃刀深，走刀快，切削余量大，切削抗力大。而对于大螺距非标梯形内螺纹而言，由于刀具受螺纹底孔直径的影响，刀具强度较低，因此，应选择适应的加工方法，以保证有效地完成梯形螺纹的加工。

1)直进法。适宜加工螺矩P<5 mm的梯形螺纹，螺纹车刀X向间歇进给至牙深处。采用该方法加工梯形螺纹时，螺纹车刀的三面都参加切削，导致加工排屑困难，切削力和切削热增加，刀尖磨损严重。当进刀量过大时，还可能产生“扎刀”现象，这方法在数控车床上可采用G92指令来实现。在该非标梯形螺纹用成形车刀首次试加工中，所使用的就是直进法，但是很显然，由于螺距较大，三刃切削，该方法是不可取的。

2)斜进法。适宜加工5≤P<12的梯形螺纹，螺纹车刀沿牙型角方向斜向间歇进给至牙深处。采用该方法加工梯形螺纹时，螺纹车刀始终只有一侧刃参加切削，从而使排屑比较顺利，刀尖的受力和受热情况有所改善，在车削中不易引起“扎刀”现象，该方法在数控车床上可采用G76指令来实现，但是该方法加工的螺纹被切削侧面质量好，另一侧面则需要二次加工才能保证表面质量。

3)左右切削法。螺纹车刀沿牙型角方向交错间隙进给至牙深。该方法类似于斜进法，但是该方法螺纹车刀两侧刃均参与切削，避免了斜进法中一侧面表面质量不好的缺陷，在数控车床上采用宏指令编程来实现。

4)切槽法。用于加工P≥8 mm的梯形螺纹。该方法先用切槽刀粗切出螺纹槽，去除大余量，再用梯形螺纹车刀按上述某一加工工艺加工螺纹两侧面，完成螺纹精加工。该方法的编程与加工在数控车床上较难实现。

5)分层法[4]。是直进法和左右切削法的综合应用。在车削较大螺距的梯形螺纹时，分层法通常不是一次性就把梯形槽切削出来，而是把牙槽分成若干层，每层深度根据实际情况而定，转化成若干个较浅的梯形槽来进行切削，可以降低车削难度。每一层的切削都采用左右交替车削的方法，背吃刀量很小，刀具只需沿左右牙型线切削，梯形螺纹车刀始终只有1个侧刃参加切削(见图11)，从而使排屑比较顺利，刀尖的受力和受热情况有所改善，因此能加工出较高质量的梯形螺纹，且容易掌握，利用宏程序编程，程序简短，容易操作。

图11 分层切削

4 非标梯形内螺纹加工宏程序编制

在梯形螺纹的各种加工方法中，要加工该大螺距非标梯形内螺纹，保证螺纹质量，同时考虑到螺纹车刀的限制，分层法是最优加工方案。由设计所提供的各项螺纹参数，计算得该非标梯形螺纹牙底宽4.9 mm，而螺纹车刀刀尖最终宽度为2 mm，因此采用分层法加工螺纹，先中间，后两边，分粗精加工。加工路径示意图如图12所示。由图12可知，每层分3刀切削，背吃刀量很小。每层加工深度为0.1 mm，转速为150 r/min，进给F=S(导程)=20 mm。

图12 加工路径示意图

以Fanuc 0i mate系统为例，加工宏程序编制如下：

N4 ； (程序编号)

M98 P1； (调用子程序1)

T0404 ； (调取螺纹车刀)

M3 S150 ；(换梯形螺纹刀，主轴转速150 r/min)

#1=0.2； (定义#1为初始切削深度，直径方向0.2 mm，单边0.1 mm深)

#5=2. ； (定义#5为1-2、1-3刀间距初始值)

#2=#5 ； (定义#2为每次实际刀间距)

WHILE[#1 LE 6.3] DO 1 ； (直径方向切深≤6.3时，执行子程序1)

G0 X13.5 Z15. ； (快速走到右边粗加工加工起刀点)

G92 X[14+#1] Z-33. F20. ； (按1号刀具路径车削)

G1 Z[15+#2] ； (直线进刀至3号刀具路径)

G92 X[14+#1] Z-33. F20.； (按3号刀具路径车削)

G1 Z[15-#2] ； (直线进刀至2号刀具路径)

G92 X[14+#1] Z-33. F20.； (按2号刀具路径车削)

G1 X13.8 Z15. ； (快速走到右边精加工加工起刀点)

G92 X[14+#1] Z-33. F20. Q180000 ；(按1号刀具路径车削，翻转180°)

G1 Z[15+#2] ； (直线进刀至3号刀具路径)

G92 X[14+#1] Z-33. F20. Q180000 ；(按3号刀具路径车削，翻转180°)

G1 Z[15-#2] ； (直线进刀至2号刀具路径)

G92 X[14+#1] Z-33. F20. Q180000 ；(按2号刀具路径车削，翻转180°)

#1=#1+0.1 ； (给#1自加，完成X向进给)

#3=TAN[15]*[#1/2] ； (根据#1自加，计算Z向变量#3)

#2=[#5-#3] ； (根据Z向变量#3，计算实际刀间距#2)

END 1 ； (循环子程序1结束)

G0 Z20. ； (快速退刀)

M98 P1 ； (调用子程序1)

M30 ； (程序结束)

经过实际加工试验，在数控车床上用该宏程序，由优化后螺纹车刀切削，成功地完成了该非标梯形内螺纹的加工，而对于双头数，乃至于多头数梯形螺纹，只需更改宏程序中角度参数Q即可。

5 非标梯形内螺纹加工的注意事项

对于通用标准梯形内螺纹，都有通用的加工刀具及成熟的加工工艺，但对于非标梯形内螺纹，尤其是如本文所述大螺距螺纹，则需要工艺操作者进行仔细分析计算，并优化选取，制定加工流程，关键是做好如下几点。

1)仔细分析非标梯形螺纹参数，根据不同参数要求选定合理加工工艺，并设计优化切削刀具。

2)合理选择加工梯形螺纹的切削方法和梯形螺纹的加工流程，并编制加工程序。

3)针对不同头数的梯形内螺纹需要按加工程序逐个加工，而在完成加工后需要用通用方法对螺纹参数进行检测，并用相配件或专用塞规对零件配合进行检测，从而设置补偿控制精加工量，直到加工合格为止，才能卸下工件。

6 结语

本文通过对非标梯形内螺纹结构特点、刀具设计、加工方法研究、加工宏程序的编制以及螺纹加工的注意事项等方面进行总结，可以看出，对不同的梯形螺纹有不同的加工方法及工具；同时，运用宏程序加工梯形螺纹，降低了梯形螺纹车削的难度和强度，可高质、高效地完成梯形螺纹的加工。

[1] 李新勇. 螺纹实用手册[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

[2] 技能士の友编集部. 螺纹加工[M]. 陈爱平，等译. 北京：机械工业出版社，2010.

[3] 单小明, 马文丽. 基于宏程序的梯形螺纹加工[J]. 科技创新导报, 2010(11):116.

[4] 朱晓华. 巧用宏程序加工大螺距梯形螺纹[J]. 机械与电气, 2009(11):43, 47.