雙導程蝸桿車削加工關鍵技術問題的解決措施

【摘要】雙導程蝸桿的車削，是螺紋加工中最復雜的工藝，關鍵技術問題有掛輪計算、車刀幾何形狀的選擇、齒厚遞增方向與車削順序的確定、防止車削過程引起扎刀和碰傷螺旋面、標準齒厚位置上的齒厚控制等；處理好上述問題，是保證加工質量和效率的前提。

【關鍵詞】雙導程蝸桿變厚量標準齒厚車削加工質量

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）05C-0184-03

雙導程蝸桿，是設計時給定蝸桿的左右兩螺旋面的導程不相等，所形成的螺紋齒厚按一定的變厚量逐漸變化（如圖1所示），所以亦稱漸齒厚蝸桿。漸齒厚蝸桿與蝸輪嚙合，當蝸桿作軸向位移時，還可以調整蝸桿與蝸輪的嚙合側隙，常用于機械傳動中要求精確分度的機構。雙導程蝸桿的制造精度要求很高，除了軸承位的尺寸精度和形位公差要求，還有蝸桿的齒側對軸承位的位置精度，標準齒的齒厚尺寸精度及齒側表面粗糙度等，都有較高要求；另外齒部要求有較高的硬度和耐磨性。因此，工藝過程比較復雜，尤其蝸桿齒部的加工最為關鍵。本文以雙導程蝸桿齒部切削加工為重點研究對象，通過實踐總結出車削雙導程蝸桿的關鍵技術問題及解決措施，對保證加工質量和提高加工效率具有實質性意義。

圖1 雙導程蝸桿示意圖

注：在In-In截面上，點劃線部分為假想齒廓，指軸向剖面的齒槽最窄處。

一、切削雙導程蝸桿常見的主要技術問題

在車削雙導程蝸桿過程中，常見的主要技術問題有：車床銘牌里沒有加工雙導程蝸桿對應的導程，且原有的配換掛輪不滿足所加工導程要求；車刀幾何形狀選擇不合理，使切削無法正常進行；加工出的蝸桿齒厚遞增方向與圖樣不符；車削過程出現扎刀或蝸桿螺旋面被碰傷；標準齒厚位置上的齒厚與圖樣嚴重不符等。

針對上述主要技術問題，找出解決方法和注意事項，是實現高質高效車削雙導程蝸桿的有效途徑。

二、雙導程蝸桿的齒形形成原理及加工中相關計算

雙導程蝸桿軸向剖面內的齒廓和普通的阿基米德螺旋線蝸桿的齒廓一樣，不同的是雙導程蝸桿齒槽左右兩側的螺旋面的左面導程SZ和右面導程SY不相等，切削時分別以導程SZ和SY變換掛輪切削左右齒面，因此加工形成的齒槽寬逐漸變窄（或逐漸變寬），而齒厚逐漸變寬（或逐漸變窄）。其相關幾何參數計算，根據有關資料給出的計算公式進行計算。

這里以圓柱形等齒形角漸齒厚蝸桿為例，介紹其相關幾何參數計算。

例：加工圓柱形等齒形角的阿基米德漸齒厚蝸桿，已知軸向模數（名義模數）ms =6mm ，壓力角αο=20°，線數z=1，分度圓直徑df =66 mm ，螺紋增厚量ΔB=0.4 mm，蝸桿軸向調整量LΟ=12 mm，螺紋計算長度L=100 mm，確定其它幾何參數如下。

（一）蝸桿螺牙的變厚量a

變厚量是每個齒厚的等差增量，由公式a=（△Bπms.z）/ 2l0 得：

a= （0.4×3.1416×6×1）/2×12≈0.3142mm。

（二）蝸桿名義導程S

由公式S=ms.π Z 得：S=6×3.1416×1≈18.8496 mm。

（三）蝸桿分度圓柱上的螺旋升角Ψ

由公式tanΨ＝ S /πdf＝πms.z /πdf得：

tanΨ＝（π×6×1）/ （π×66）≈0.0909，Ψ＝5.194°

（四）蝸桿螺牙左面導程SZ和右面導程SY

當齒厚向左方遞增時SZ＝S－a ，SY＝S＋a（當齒厚向右方遞增時SZ＝S＋a ，SY＝S－a）。設定本蝸桿齒厚向左方向遞增，得：SZ＝18.8496－0.3142≈18.5354 mm，SY＝18.8496＋0.377≈19.1638 mm。

（五）最大齒厚系數P1，P2

由公式P1＝（s+a）/2π，P2＝（s-a）/2π 得：

P1＝19.1638 /2×3.1416≈3.05mm，P2＝18.5354/2×3.1416≈2.95 mm。

（六）嚙合長度Ln

由公式Ln＝L0＋L/2得：Ln＝12＋100/2＝62 mm。

（七）距中心為Ln處的軸向齒厚BLn（理論最大齒厚）

由公式

BLn＝（1- P2/P1）Ln+（1+ P2/P1）πms./4得:

BLn＝（1-2.95/3.05）×62+（1+2.94/3.06）×3.1416×6 /4≈11.30 mm。

（八）最小實際齒槽寬BL

由公式BL＝（πmS-BLn）CosΨ-2hetanα（he為齒根高，he＝1.2MS）應滿足BL>2，才能滿足車削和磨削加工要求。得：BL＝（3.1416×6-11.3）×Cos5.194°-2×1.2×6×tan20° ≈2.28>2，滿足要求。

（九）標準齒厚Bb

由公式Bb＝m sπ/ 2得：Bb＝6×3.1416 /2≈9.4248 mm。

（十）標準齒法向齒厚Bbn

由公式Bbn＝Bb.cosψ得：Bbn＝9.4248×cos5.194°≈9.386 mm。

其它參數如頂圓直徑、分度圓直徑，齒根圓直徑、齒頂高、齒根高等的計算與普通蝸桿計算相同，這里不再介紹。

三、切削雙導程蝸桿的關鍵技術問題的解決措施

（一）變換配換掛輪和走刀箱手柄的搭配

切削雙導程蝸桿時不能按公稱導程的公稱模數進行掛輪，應按左、右兩螺旋面的導程掛輪，由于左、右導程不相等且非整數，所以，掛輪計算既要精確至滿足加工導程要求，又要滿足機床掛輪原則。解決方法如下：

1.配換掛輪計算：

Z1 / Z2 =（SZ / S）× i原

Z1'/ Z2'=（Sy / S）× i原

式中：Z1、 Z2 —切削左側螺旋面時的掛輪齒數

Z1'、 Z2'—切削右側螺旋面時的掛輪齒數

SZ— 左側螺旋面的導程

Sy — 右側螺旋面的導程

S— 名義導程

i原—機床銘牌上公稱模數原有的掛輪比

例：在CA6140車床上車削上例漸齒厚蝸桿的左、右兩螺旋面，計算其掛輪齒數。

解：Z1 / Z2 =（SZ / S）× i原＝ 18.5354/18.8496×64/97≈64/100

Z1'/ Z2'=（Sy / S）× i原＝19.1638/18.8496×64/97≈67/100

（式中i原＝64/97是車床公制模數螺紋的原有掛輪比）

2.變換配換掛輪：根據計算結果，制作并變換配換掛輪，車削左側螺旋面導程Sz＝18.5354時，采用64 /100掛輪組；車削右側螺旋面導程Sy＝19.1638時，采用67 / 100掛輪組。

3.走刀箱手柄位置搭配：走刀箱各手柄位置仍按車削名義模數時（本例名義模數Ms = 6mm），車床銘牌上對應的手柄位置進行調整。

（二）螺紋車刀幾何形狀的合理選擇

由于漸齒厚蝸桿的螺旋升角Ψ比較大（尤其是多線螺紋）、牙型高度較大，切削時軸向切削力很大，當蝸桿車刀的后角過小會產生讓刀，后角過大則影響刀尖強度和耐磨性；再者螺旋升角影響工作前角的大小；另外，蝸桿車刀刀尖寬度受到蝸桿最小齒槽寬的限制。所以，蝸桿車刀幾何形狀，必須根據蝸桿螺旋升角大小和蝸桿幾何參數來選擇，才能滿足加工要求。以下是蝸桿車刀及幾何角度的選擇推薦。

1.粗車刀的選擇

蝸桿粗車切削量較大，為了提高加工效率，可采用合金車刀，特別是數控車削加工，車床轉速較高，高速鋼車刀的耐磨性差，不能滿足加工要求。在普通車床上手動操作加工，車床轉速不能太高，可采用高速鋼車刀。另外，因切削力較大，選用可調式彈性蝸桿車刀刀桿（如圖2所示），一是可采用法向裝刀的方法，根據蝸桿螺旋升角調整車刀工作后角和側向前角，二是刀桿具有彈性，切削力過大時，刀桿的彈性變形可避免扎刀產生。

圖2可調式彈性蝸桿車刀刀桿

蝸桿粗車刀的幾何形狀可按普通蝸桿車刀的形狀刃磨，必須注意刀頭寬應小于蝸桿最小實際齒槽寬BL的尺寸，還要考慮齒側加工余量及借刀量，因此，刀頭寬b≤BL-（0.6~0.8）mm。其它角度參考圖3（a）所示車刀幾何形狀。

（a） 粗車刀（b） 左側精車刀 （c） 右側精車刀

圖3蝸桿車刀刀桿

2.精車刀

雙導程蝸桿的齒側半精車或精車，均是單面切削時的車削為了避免精車刀在最小齒槽寬處出現兩側切削刃同時切削，應分左側精車刀和右側精車刀。為了切削順利，獲得細的表面粗糙度，可在側刃的前刀面磨出小月牙槽。對于單件生產，以精車完成最后加工的雙導程蝸桿，精車刀刀頭略小于最小齒槽寬BL。對于精度和硬度要求高的雙導程蝸桿，只需半精車留余量，熱處理后磨削作為最后精加工，精車刀的刀頭寬b≤BL -（0.5~0.6）mm。左右精車刀幾何形狀如圖3（b）、3（c）所示。

（三）根據齒厚遞增方向確定工件的安裝與車削順序

工件的安裝與車削順序，對螺紋齒厚遞增方向有直接影響，如果安排不當，可能出現齒厚遞增方向與圖樣不符，或給操作帶來不便。經加工對比得出，較為合理的安裝和車削順序如下。

1.對于螺紋的齒厚向左遞增的蝸桿

當Sz < Sy，螺紋的齒厚向左遞增，左端的齒厚最大，齒槽最窄。車螺紋時，工件安裝使齒厚遞增方向與圖樣上的方向相同，即齒厚大的一端在卡盤一邊（稱同向安裝）。單件加工順序為：先按左導程Sz進行搭配掛輪，采用分層和斜進切削法粗車左右側螺旋面，保證槽底最小齒槽寬

圖4

2.對于螺紋的齒厚向右遞增的蝸桿

當Sz > Sy，齒厚向右遞增。車螺紋時，工件安裝與圖樣的方向相反，齒厚最大的一端在左端（稱反向安裝）。但必須注意：車削左側螺旋面時，應按圖樣上的右面導程Sy掛輪；車削右側螺旋面時，應按圖樣上的左面導程Sz掛輪。這時切削的狀況和上述方法相似，加工出的螺紋齒厚遞增方向符合圖樣要求。倘若采用同向安裝，在粗車第二側牙螺旋時，切削余量最大的在左端（即靠卡盤一端），走刀切削時切削厚度由小不斷加大，將引起崩刀和工件報廢，甚至出現事故。

（四）避免車削過程出現扎刀或蝸桿螺旋面被碰傷的方法

1.采用分層斜進法粗車

雙導程蝸桿的模數較大，齒槽較深，螺紋車刀切削刃工作長度大，切削力大，當切削層過寬時，排屑不順，很容易引起扎刀。因此，采用圖5（a）所示分層斜進法粗車，使切削寬度變窄，排屑順暢，減小切削力，即可避免產生扎刀。

（a） 分層斜進法粗車（b）精車左側（c） 精車右側

圖5

2.采用半角月牙槽精車刀進行半精車或精車

半精車和精車時，車刀切削刃對整個齒側進行切削，切削力很大，為了使車刀鋒利，主切削刃上磨出月牙性排屑槽，使切削輕便，排屑順暢，保證表面加工質量。同時刀頭磨成半角的形狀，分左右精車刀，如圖5（b）、5（c）所示，車削時，可避免另一側切削刃碰刮另一側齒面。

對于精度要求不高且只需調質處理的蝸桿，采用軟卡爪夾持、后頂尖支承進行粗車，調質處理后，再采用兩頂一夾安裝精車至尺寸。對精度要求較高（或需要淬火處理）的蝸桿，采用一頂一夾裝夾粗車，兩頂一夾裝夾半精車（留余量），（淬火處理后）再上磨床兩頂一夾裝夾磨削加工至尺寸。

（五）標準齒厚位置上的齒厚與圖樣嚴重不符

控制齒形的尺寸，是加工蝸桿的關鍵技術之一，而標準齒的法向齒厚（如圖4中尺寸Bbn），是雙導程蝸桿主要的檢測項目。測量時，首先要找到標準齒厚所處的截面I-I的位置，再測量該位置分度圓上的法向齒厚Bbn的尺寸是否符合要求。具體方法如下：

1.劃標準齒厚位置線

粗車螺紋前在蝸桿外圓表面距大端Ln+L/2長度位置，劃出一圓周線，即圖1中的I-I截面線。

2.劃標準齒厚軸向截面線

由于有齒厚增量的影響，通過線上的不同點所測得的齒厚也不同，所以還必須找到以I-I截面為對稱中心的齒形所在的軸向截面，才能找到標準齒的法向截面。當車完左側螺旋面后，用游標卡尺在牙頂上測出I-I線與左側螺旋面棱邊的距離等于標準齒頂寬的一半（即0.843Ms / 2）的點，通過該點劃一軸向線與I-I線相交，通過該交點的法向齒厚就是標準齒的法向齒厚，并注意加上后面工序的加工余量。

精車時，應注意標準齒厚在以I-I截面為對稱中心處的齒厚余量是否均等，控制工序的切削量，保證精車標準齒厚的尺寸精度。

經實踐證明，按照上述措施加工雙導程蝸桿螺紋，操作方便可靠，既保證粗車、精車的加工質量又提高效率，可應用于單件或批量加工。

【參考文獻】

［1］中國機械工程學會第一機械工業部設備大理司.機械手冊［M］.北京：機械工業出版社，1970

【作者簡介】韋富基（1958-），男，柳州職業技術學院副教授，研究方向：數控技術，機電技術教育。

（責編丁夢）