浅谈双凸轮靠模轨迹精度对车削螺纹精度的影响

张华安

摘要：对车削自行车后轮轴皮M35螺纹的专用机床在生产中出现的机床调校问题进行分析研究，发现是机床走刀凸轮的制造精度问题，最后采取有针对性的调校方法解决了机床的调校问题。

关键词：自动车床；凸轮基准；轨迹重合；精度调校

正文

自行车是一种交通工具，也是休闲健身和锻炼身体的体育器材。M35螺纹车床是加工自行车后轮轴皮用来安装飞轮的螺纹的专用机床，它的质量好坏直接影响到自行车的质量。

M35螺纹的车制，是使用半自动专用机床，工件的装夹是手动送料气动夹紧，三角形螺纹的车制是用合金刀高速切削，两刀成型，如果是使用普通车床加工，加工精度当然不成问题。但是，当大批量生产时，生产效率低下，导致成本升高。为降低成本，提高生产效率，必须使用较为先进的设备，出现了半自动螺纹车床，经过人们的不断努力研究和改革，便形成了我们现在使用的半自动螺纹专用车床。它在整个加工过程中，包括夹紧，车外圆，切长度，切退刀槽，螺纹的粗加工和精加工，卸件，都是全自动进行，只是送料是手工操作，如图一所示。

自动车床与普通车床在车削螺纹时，控制导程的方式各有不同，普通车床是用梯形螺纹的丝杆带动大拖板作纵向移动，移动的距离受车床的进给箱控制。进给箱是一个变速箱，可调整输出

轴的转速，梯形丝杆与输出轴连接便可调整大拖板移动的速度。只要按照图纸要求调整，便可车出所要求的螺距。而自动车床是专用机床，所加工的产品是单一产品，只有两个规格的螺距。因此，它省去了普通車床复杂的变速传动机构和丝杆螺母传动的移动方式。采用了简单的凸轮靠模传动的方式，控制拖板的移动来车削螺纹，由于分两次车削成型，因此使用了两个相同凸轮，分别用来控制粗车、精车两次走刀。所以凸轮的制造精度和两只凸轮的安装调校，两凸轮的曲线轨迹重合的调校，成了关键的问题。凸轮展开图如图2所示。下面我们就这一问题进行探讨，分析原因。

一、提出问题

1995年，当时工厂是专业生产自行车轴皮的工厂。生产量大为适应市场需求，经常要变换产品规格，车制公制或英制螺纹。而每次转换都要更换两块走刀凸轮后再进行同步调校，一般的机修师傅调校需要3天至7天的时间，这样严重影响了生产进度和工人的收入，而且调校时间过长。在调校过程中，要不断地试车削检测，因此做成大量的产品报废，增大了生产成本。当时我刚到这个车间工作任技术员，了解到这方面的情况后，便进行分析研究，查找原因，解决存在多年的生产技术难题。

二、机床调校问题的分析

为了解决问题，我细心地观察并分析了整台机床的转动原理及结构特点，和整个加工切削过程。运用自己的专业知识，十多年的机械维修和机械设计的经验，并结合在调校过程所车削的产品质量分析。经检查分析，机床没有出现故障，各部位运转正常，没有出现较大的机械磨损现象，而且磨损均匀，零部件表面没有出现金属疲劳现象。因此，可以判断机床的工作状态良好。

既然排除了机床的原因，那么问题出在哪里呢？那只有从我们的机床调试者入手弄清这个问题。我们的安装调试方法是否正确与合理。

根据我的观察分析，车螺纹时控制刀具切削，并完成两次进刀的是两个凸轮，作为靠模控制刀具的纵向移动，得到相应的螺距。由于公制螺纹与英制螺纹的螺距不同，需要更换不同的凸轮。

而凸轮更换后需要进行调校，问题就出现在调校的方法上。调校时，按照常规是找基准。基准确定后，按照一定的程序和方法进行调校。在调校中发现，凸轮的基准出现了问题，经分析是凸轮在制造过程中出现了变形。凸轮的基准面也出现了变形现象，从而影响了凸轮的精度，直接影响到机床的调校。由于凸轮的精度出现问题，因此调校不能按常规的程序进行，而要按实际情况具体处理。这就需用维修工人具有一定的机械知识和理论知识，有一定分析处理问题的能力。

凸轮精度存在什么问题呢？是基准出现了问题。在整个机械加工的过程中，凸轮都是以底部为基准的。机械加工完毕，到热处理工序时产生了变形。而热处理后，没有进行精加工，修磨消除变形，从而产生了凸轮曲线变形，造成了机床调校难的一个原因。

另一个原因是工人的技术水平普遍较低。缺乏思考和应变能力，墨守成规，不善于分析问题，这与工人的文化和技术水平有关。由于受各方面的因素的影响，而造成了调校因难，浪费大量的时间调机。而不断的试车削造成了产品的大量浪费（车螺纹是最后工序，下一工序是成品装配），严重影响生产，并增大了生产的成本（因基准变形，调校近似于盲目，只能是碰运气，碰到两个凸轮的轨迹刚好重合）因此浪费材料和时间。而且螺纹的形状可能出现变形，而这时只能把螺纹车小，使其能旋入标准的螺纹规。

1、基准变形与凸轮曲线轨迹变形的分析

根据检测底部基准面有0.20mm ～ 0.30mm的变形，而且是中部凸起的变形。参看图三。而凸轮变形会严重影响螺纹的车削质量，首先就螺纹的螺距分析。假如凸轮的0度部位底部与安装基

准接触，由于底部凸起，所以凸轮的底部即旋转180度后的位置与基准的偏差有0.50mm。根据图形计算，在车削螺纹凸轮的有效部份（即实际车削螺纹时是凸轮曲线长度的约4/5）。实际偏移量约为0.40mm，在车削螺纹长度15mm的范围内偏移0.40mm，不管凸轮位移量变大或者变小、实际位移量就会变成是15.40mm或14.60mm。

现在就以螺距为1mm来计算，15mm的长度内应为15÷1=15个齿，而由于刀具的位移量有15.40mm，那么螺距就出现了变化，根据公式：螺距=螺丝长度÷牙数

得螺距=15.41÷5 =1.027mm

或 螺距=14.61÷5 =0.973mm

根据计算所得，实际螺距为1.027mm或0.973mm。如果此时两凸轮曲线重合，则螺距便会改变。

以本机床加工的螺纹M35为例，当螺距为1mm时，螺纹高度是0.866mm，螺纹中径应为35-0.866=34.134mm现以螺纹的基本偏差上偏差为例。当螺距为0.973mm，螺纹中径就大于34.134mm。

当检测螺纹中径时，如刚好为34.134mm，此时螺距为0.973mm螺纹就可以旋进一圈，而螺距为1.027mm时则根本不能旋进。若要全部旋进则螺纹的最大间隙达到0.40mm，并且外径减少，与内螺纹的接触面少，螺纹的刚性减弱，旋紧时会出现螺纹变形损坏导致打滑脱扣。

假如没有出现脱扣现象而由于螺纹外径减少与内螺纹的接触面减少，摩擦力也随之减少。螺纹会在使用过程中由于力的作用和振动，摩擦自锁力减少，失去自锁能力，出现螺纹返松现象。由于松动，便会出现振动，螺纹在振动力的作用下会出现螺丝侧隙，在不断摩擦和撞击力的作用下，也会出现损坏变形和打滑脱扣而使螺丝失效。

2、凸轮轨迹不重合对螺纹的影响。

同样，凸轮基准出现变形，凸轮的曲线也会随着出现变形。受材料的厚度和淬火工艺的影响，凸轮曲线的变形量和基准的变形量不会相同，而且两个凸轮的变形量也不相同。

如果两凸轮的变形量误差在0.25mm ～ 0.50mm。此时两凸轮基准重合对零，无出现偏差。那么误差在0.50mm时同样会出现螺距增大或减少的现象出现，如误差在0.25mm，则实际偏移量也会减少，螺距的变形量也相对减少。

由于凸轮在淬火时的收缩变形，其变形量是与材料的形状和厚度有关。较薄的部位先冷却，收缩变形停止，而较厚的部位冷却速度较慢，还在不断地变形，使零件的内部金属组织出现应力而位移，零件内部有一静一动的力存在，当零件完全冷却后，内部存在着一定的内应力，因此要经回火处理消除内应力和达到图纸要求的硬度。本来凸轮经热处理后，要经过修磨基准和曲线轨迹，使两个凸轮的曲线轨迹重合，和符合图纸的要求。这样的凸轮曲线才能加工出合格的产品。可能设备制造厂出于技术或设备的原因，没有进行最后的工序修磨精加工，才会导致这一现象的出现。这是一个不该出现的问题。

凸轮变形后，曲线轨迹也会改变，现在我们假设曲线也跟底部基准一样边变形，凸轮在90度的位置凹下0.30mm。那么在车削螺纹时凸轮在0度至90度位置所对应的螺纹长度比实际缩短了0.3mm，90度至180度位置所对应的螺纹长度实际加长了0.3mm。如图四所示。

实际上凸轮变型后，其轨迹变成了曲线，螺纹螺距变化的变量是不相同的，这里我为了计算的方便以凸轮中部90度的位置为变形量的最大位置，以该点的前半部份和后半部份的螺距变化特点，来分析螺距变大和变小对螺纹旋合时的影响进行分析。

由于两个凸轮组合后是空心圆柱型，圆柱的一端为基准，另一端为凸轮的曲线。单个凸轮回转角为0度至180度，切削行程为15mm。凸轮的曲线在0度至90度螺纹时，它的螺纹长度应是15÷2=7.5mm，由于在90度的位置凹下0.30mm，它的实际长度为7.5-0.30=7.2mm。螺距同样以1mm计算，7.5mm长度有7.5个齿，则0度至90度的实际螺距为7.2÷7.5=0.96mm。同理曲线在90度至180度时实际螺距为（7.5+0.3）÷7.5=1.04mm。以这样的螺纹在旋配时，只能旋进一半，而后半部份螺纹则不能旋进，这就是只能旋进一半的原因。为使螺纹全部旋入，只能增加进刀深度，使螺纹全部旋入。这时前半部份的螺纹就会失去了它的作用，螺纹的锁紧力也会减少。当受到力的作用或振动，同样会出现返松现象，不断的振动和冲击，会做成螺纹的损坏而失效。

3、轨迹不重合时对螺纹精度和表面粗糙度的影响

根据三角形螺纹资料，如图五所示。

车削螺距为1 mm，车刀的进刀量为5H/8，H为理论高度，1mm螺距的理论高度为H=0.866P=0.866×1= 0.866mm。

而实际高度为5H/8，即为（5×0.866）÷8=0.541mm

车削1mm螺距的螺纹一般分两分刀即兩次车削，第一刀为粗车，留余量约0.20mm的进刀量来精车。

根据三角形螺纹计算0.20mm的进刀量实际的切削量约为0.23mm，单面的切削量只有0.115mm，按这样的切削量，如果第二刀的轨迹与第一刀不重合，偏移量大于0.115mm，就会出现第二刀切削时，有部份螺纹没有进行精车，三角形表面的粗糙度和形状就达不到要求，就会出现螺纹表面只切削中径的上部份或下部份的现象。

三、解决问题的方法

影响螺纹精度的原因已找到，如何解决问题呢。最根本办法是修磨凸轮底部基准面，然后以基准面修磨凸轮的曲线，由于工厂的设备和技术所限不能进行修磨。

只有重新制订机床的调整方法，根据检测需然凸轮的基准变形，但凸轮的0度和180度的位置底部到顶部曲线表面的高度尺寸变化很少，即在车削螺纹全长时，曲线的偏移量很小，变形只是在曲线的中部出现，也就是说，螺纹的头部和尾部螺距是基本符合要求。这样只要把两个凸轮底部的0度、180度和180度、360度共4点的位置调整到同一个圆截面上，保证螺纹中部的螺距变化尽量减少。螺纹要全部旋进螺纹塞规，螺纹中部位置也不会出现过大的间隙。

同样原理，两凸轮都以底部头、尾两点为基准调校，两凸轮的曲线头、尾就很容易重合，螺纹的粗糙度便会达到要求。

另外两凸轮间的接缝处在调整好后，要检测接缝间隙，并记录好。在下次调整时，只要将两凸轮头、尾共4点的位置，调整到同一圆截面上，并调整好两凸轮的接缝间隙，这时，两凸轮曲线头、尾部位就会重合，调整就很快完成。

四、建议凸轮的制造工艺

1、选材。

要选用淬火变形小，而且耐磨的材料，同时要便于机械加工。这里我选用40Cr。40Cr淬油后有较高的疲劳强度，耐磨性好，淬火变形量较少。

2、开料锻打。

一般的凸轮是不需要锻打的，但这个凸轮较为特殊，形状是空心的圆柱形，如图六所示，壁厚只有20mm，外径为Φ200mm，圆柱底部为基准，上部做两个沿轴向变化，曲线相同的两个凸轮，由于制造精度的问题，两凸轮的曲线开始部位有偏差，不是在相距180度的位置上，因此要分为两个零件，便于调校。但这样凸轮在热处理过程中容易产生变形，和开裂现象。因此要经过锻打，把原来的树纹状的晶粒结构，经过六面锻打后，使金属组织结构细密均匀。

退火处理。

经过退火处理，消除金属内部内应力，消除锻件晶粒粗大现象，降低硬度便于切削加工。减少在淬火过程中产生的变形现象。

五、目前技校教育的分析

根据目前技校教育和社会的需求的分析，企业需要的是高质素的技术工人，即有理论知识和动手能力强的技术工人。如何培养高素质的人材，就是要提高学生对理论课程学习的兴趣，这是目前学校需要解决的问题。就目前学校的实习场地和设备，以及师资力量，不能满足这方面的需求。

1、学生质素的分析

目前的学生普遍对理论课无兴趣，其原因是学生在初中阶段的基础较差，对专业理论课难以理解。因此专业理论水平低，而限制了他们今后的发展。

要改变这种现象，我认为要改变目前的教学安排，在入学的第一年就安排实习课程，通过生产实践，培养其动手能力，同时激发他们的求知欲。

例如，学习机械制图课，学生上课时都普遍无兴趣，有时还睡觉，这是他们不知道这们课程的重要性。如果经过生产实践，使学生对机械设备和机械零件有感性的认识，同时通过实习过程的识图和读图，使学生意识学习机械制图的重要性。这时学习机械制图课，我认为会收到很好的效果。

2、實习场地和设备

现时的场地和设备，只能应付一般的教学。要培养高素质的人材，理论课要学好，同时实习课程更为重要。因此需要增加设备的种类和数量，以满足教学的需求。

3、教学的方式方法

以教师授课为主，同时引导学生多看书学习，吸取各方面的知识。善于开动脑筋，养成良好的学习习惯，让学生在生产实践中得到充分的发挥。指导学生运用所学的知识，提高分析问题和解决问题的能力。

六、结束语

通过对半自动螺纹车床在调校方面出现的问题进行观察分析，发现了机床制造中存在的问题，针对问题制订出一个机床调校的方法，避免了盲目操作，解决了在生产过程中出现的难题，减少了在试车过程中做成的产品大量浪费现象，节约了生产成本。

经过这次对机床的调校，我认为作为一个设备维修人员，遇到问题都要经过细心观察和分析，才能善于发现问题和解决问题，只有通过不断的努力和探索积累经验，才能提高自己的技术水平。

参考文献：

[1]《机械工人切削手册》.北京第一通用机械厂编.机械工业出版社.2005.

[2]《机修钳工手册》.孙庚午编著.河南科学技术出版社.2003.