雙線梯形螺紋加工方案設計
2018-6-20 來源：廣東廣州市增城區職業技術學校 作者：楊華貴
摘要：在車床上加工梯形螺紋，有一定的技術難度，不能很好地保證螺紋的表面粗糙度，也達不到加工的要求。本文通過運用數控車床進行加工雙線梯形螺紋，提出實用、安全、可行的加工方案，運用宏程序編程，解決在數控車床上加工梯形螺紋的技術難度，提高生產效率。
關鍵詞：梯形螺紋，加工方案，分層切削，宏程序
0、 前言
在現在制造業中，梯形螺紋以其精確的傳動得到廣泛的應用。而在普通車床加工梯形螺紋的過程中，遇到較大的技術難關：因切削深度大，梯形螺紋刀受到螺紋參數的影響而使得刀頭寬度較小，所以刀具剛性較差，壽命較短；與加工普通三角螺紋相比，其導程大、牙型高度高、切除余量大、切削抗力大、螺紋精度難控制等。因此，在數控車削雙線梯形螺紋時，需精細的計算和優化的加工工藝，方能解決其精度和生產效率的問題。
1 、加工工藝
加工工藝是在加工過程中利用制造技術手段，是以完成零件加工為目的一種加工方案。其手段主要是在機床運作的情況下，運用夾具、刀具、量具及測量技術等合理隨機的組合，去完成零件加工的一種過程。而這個過程就是加工工藝。在數控車床完成零件加工的過程，稱之為數控車削加工工藝。數控車削加工工藝由一個或多個加工工序組成，其中包括機床的選擇、零件圖樣的分析、程序的編寫及對機床的巧妙操作等。
下面通過在數控車床上加工梯形螺紋的實例，為其設計出合理的加工方案，解決技術難題，提高精度與生產效率。車削的梯形螺紋工件如圖 1 所示，材料為 45 號鋼。
2、 設計加工方案
2.1 零件圖樣分析
數控車削加工的素材是工件，零件圖樣的完整性是加工方案制定的重要前提。在進行零件圖樣分析時，特別要重點關注以下幾方面：
1） 分析尺寸標注。分析零件圖尺寸的關鍵一步是標注是否齊全、標準與清楚。嚴謹的尺寸標注是數控加工工藝的制定的一個因素，影響著產品的質量與生產時間。圖 1 所示的尺寸標注齊全、標準、直觀，可滿足數控車削編程的加工要求。
圖 1 梯形螺紋工件圖樣
2） 分析公差、精度要求。公差要求是機械加工的重要部分，產品是否有效是由公差精度決定的。因此在使用數控機床加工零件時要考慮兩個因素：一是考慮數控機床的精度是否達標，二是考慮如何優化加工工藝。兩因素確保零件精度是否可以達到圖樣要求。
3） 分析工件結構。影響數控加工方案制定的設計制造 > Design ＆ Manufacture36重要因素就是零件的結構，其復雜程度決定加工效率的高低。經過詳細分析零件圖樣，確定理想的加工方案，明確每道加工工序及注意事項。例如根據零件的結構選擇合適裝夾工具，完成一個工序的加工。根據以上分析，我們選用了法拉克數控系統數控車床 FANUC 0i-TD，它可以滿足零件精度要求。圖樣尺寸標注合理，滿足數控編程加工要求；為防止加工螺紋時，工件往卡盤方向移動，我們采取兩頂尖同夾加工的辦法，即在三爪里面加放一自制頂尖，如圖 2 所示。
圖 2 裝夾圖樣
2.2 刀具選擇
為提高加工效率，選擇高速進行粗車加工。由于總的切削深度大，刀具尺寸又受到梯形螺紋幾何尺寸的限制，所以在刀具選擇的時候要注意選用車刀的材料和其角度，以保證螺紋車刀車削時與工件螺紋的牙形相吻合。車刀的角度一定滿足粗、精的要求，特別是螺紋精車刀，其刀刃刃磨的準確性，刀具的耐磨性和車刀相對于工件理論安裝位置的精確性，都會直接影響牙形輪廓，而產生誤差。
1） 刀具角度參數確定。根據零件圖紙中梯形螺紋的條件，運用螺旋角計算公式：
確定刀具的螺旋角 5.05°。因此左側后角大于5.05°，就不會涉螺紋線，因此確定為 6～8°；右側后角約為 2°，可提高刀具剛性。同時刀具前角取為 6～8°，一方面方便排屑，增加刀具壽命；另一方面增強刀具更加鋒利程度又利于斷屑 （如圖3所示）。
圖 3 梯形螺紋刀角度參數
再根據梯形螺紋的尺寸標注，結合公式計算其相關參數如下 （單位均為 mm）：
結合零件材料、刀具的幾何角度及梯形螺紋的相關參數，我們選用超硬白鋼刀，通過數控線切割加工刀具刀頭寬約為 0.8 mm。
2.3 切削方式選擇
目前，在車床上加工梯形螺紋用得比較多的方法主要有三種，分別是直進法、斜進法和分層左右切削法。
直進法加工梯形螺紋對刀具要求比較高，在加工時刀具刀刃三面參與切削，切削力大，排屑難，散熱條件差，刀具壽命短，甚至還會扎刀，影響加工質量與生產效率。直進法一般適合導程較小的梯形螺紋加工。
斜進法雖然克服了直進法的缺點，但隨著梯形螺紋牙高的增加，刀具的斜進刀量不斷變小，精度難以控制，同時隨著進刀深度的增加，左右趕刀亦趨于頻繁，精度亦更難控制。
分層左右切削法擁有直進法和斜進法的優點，加工時減小了刀刃的切削力，增長刀具的壽命，左右加工進刀量易把控，精度得以保證，在加工大導程梯形螺紋時，選擇分層左右切削法是一種較為理想的加工方式。
根據圖樣所示，優先選擇分層左右切削法以確保大導程梯形螺紋的精度及生產效率。
2.4 數控程序編寫
在一般的加工中，人們往往運用 G76 進行編寫程序，因為 G76 一段簡單的程序段就可以加工完成一個梯形螺紋，盡管其在加工過程中，刀具會斜進法走刀，但卻無法完成螺紋的精度要求。為達精度要求及提高生產效率，運用宏程序進行編程雖然較G76 編程稍為復雜，但能解決技術難關，大大提高生產效率。加工梯形螺紋的宏程序如下：
T0303；（調用螺紋刀并進行刀具補償）
#1=36：（螺紋直徑賦值）
#2=5；（螺紋螺距賦值）
#3=10；（螺紋導程賦值）
#4=#3／#2；（螺紋線數計算）
#5=0.25；（螺紋頂隙賦值）
#6=2*#3；（升速進刀段距離計算）
#7=-70；（螺紋加工長度賦值）
#8=0；（X 方向加工深度變量賦初值）
#12=0.8；（螺紋刀頭寬度賦值）
N10 #9= 0；（X 方向深度進刀次數）
N20 #10= 0.5；（Z 向每刀移動量賦值）
#11=0；(z 方向進刀量累計變量賦值)
#9=#9+1：（切深進刀累加計數）
IF[#2GT5]THEN [#14=1.5]；
#8=#14*SQRT[#9]；（每層切深計算）
IF[#8]GE[2*[0.5*#2+#5]] ；
THEN#8=[#2*[0.5*#2+#5]]；（切深判別）
N30#13=0.634*#2-#8*[0.268*#2+0.536*#5]/[0.5*
#2+#5]-#12-0.2；（每層槽寬計算）
IF[#11GE#13]THEN[#11=#13]；（判斷本層槽寬）
G01 X[#1+5] Z[#6+#11]F350；（螺紋起刀點定位）
092 X[#l-#8] Z[#7]F[#3]；
#11= #11+#10；
IF[#11LT[#13+#10]] GOTO 30；（本層槽寬加工完成條件轉移）
IF[#8LT[2*[0.5*#2+#5]] GOTO 20；（總切深加工完成判別）
G01X[#1+5] Z[#6+0.1]F350；（精加工左牙側刀具時刀具起點定位）
G92X[#1-#8] Z[#7]F[#3]；（精加工左牙側）
G01X[#1+5]Z[#6-#11-0.1] F350；（精加工右牙側刀具時刀具起點定位）
G92X[#1- #8]Z[#7]F[#3]；（精加工右牙側）
#6=#6+#2；
IF[#4LT2]GOT0 10；
IF[#4EQ2]GOTO 40；
N40 GOO X100 Z100；
M30.
根據以上方案，在數控車床運用宏程序加工出來的梯形螺紋精度高，牙型角、梯形螺紋的大、中、小徑都完全符合零件圖樣的尺寸要求，比簡單運用數控車螺紋指令加工出來的梯形螺紋分線精度高，同時螺紋兩側的粗糙度也達到要求，加工效率可提高一倍。
3、 結束語
通過對雙線梯形螺紋加工方案的設計，對圖紙進行分析，選擇了符合梯形螺紋精度的數控車床，確定了“兩頂一夾”的裝夾方式，防止加工工件被加工時向后移動的可能；選用了超硬白鋼刀具，利用分層左右切削的優點來確保加工時的安全可靠；運用宏程序加工優化模塊化，實現不同規格梯形螺紋的復雜粗加工和精加工，大大提高了加工梯形螺紋的加工速度，保證了梯形螺紋的精度，解決數控車切削梯形螺紋的技術難關。
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