數控車床梯形螺紋副的工藝與加工方法探討

趙美林

（無錫科技職業學院，江蘇無錫 214028）

0 引言

梯形螺紋副是機械行業中用于各種傳動機構中的一種典型的傳導螺紋副，一般其螺紋的內、外螺紋成對出現。由于梯形螺紋牙型深、螺距大，加工時容易出現3刃同時切削現象，在實際數控車削過程中容易產生振動。如果工藝和加工安排不合理，由于其切削熱和切削力過大，容易導致刀尖嚴重磨損，甚至產生扎刀現象，嚴重地影響梯形螺紋加工質量與效率[1]。

本研究以一對典型的梯形螺紋副為例，探討梯形螺紋副的內、外螺紋的加工工藝、編程方法和加工要點。

1 加工方法及加工工藝

1.1 螺紋結構及基本要素

如圖1所示，加工對象為梯形螺紋副，左上的螺桿是一個軸類零件，右上的螺套是一個套類零件，兩零件的內、外螺紋需旋合，須保證兩個零件的形狀、尺寸及精度要求。

梯形螺紋是最常用的傳動螺紋，其牙型為等腰梯形，牙型角為30°，與普通螺紋相比，牙根強度高，對中性好。梯形螺紋的表示為：Tr36×6，代號為“Tr”、公稱直徑為36 mm、螺距為6 mm，如左旋螺紋需加注“LH”，右旋則不注出。

圖1 梯形螺紋副

內、外梯形螺紋的牙型如圖2所示，其主要參數及尺寸計算如表1所示。

圖2 梯形螺紋副的牙型

表1 梯形螺紋副各組成部分的含義

梯形螺紋加工時牙型要正確，螺紋中徑應該與基準軸經同軸，梯形螺紋是中徑定心，螺紋車削時必須保證中徑尺寸公差，牙兩側的表面粗糙度要小。梯形外螺紋的中徑公差等級有6、7、8、9四種(6級公差僅是為了計算7、8、9級公差值而列出的)，公差帶位置有h、e、c三種；梯形內螺紋的中經公差等級有7、8、9三種，公差帶位置只有H一種。

1.2 梯形螺紋車刀

常用的梯形螺紋車刀材料為高速鋼和硬質合金兩大類。低速切削時選用高速鋼車刀（圖3），加工一般精度的梯形螺紋時常采用硬質合金車刀進行高速車削[2]。

圖3 高速鋼梯形螺紋車刀

由于數控車床加工梯形螺紋要求較高。通常采用可轉位機夾刀，并且選用有較高硬度、耐熱性和耐磨性好、壽命較長的刀片，例如：YT15硬質合金刀片（如圖4）。加工標準梯形螺紋時，刀片為標準刀片，其刀各部分尺寸都為標準值，當切削深度等于牙型高度時，中徑尺寸就符合加工要求。

梯形螺紋加工時需正確安裝刀具，其車刀主切削刃必須與工件軸線等高而且平行（如才用彈性刀桿，應高于軸線約0.2 mm），螺紋刀刀頭的角平分線應垂直于工件的軸線，加工前一般用樣板找正裝夾刀具，以免產生螺紋半角誤差，如圖5所示。

圖4 硬質合金梯形螺紋刀片

1.3 梯形螺紋的加工方法

與普通三角形螺紋相比，梯形螺紋的牙型深、螺距大、精度高，因此梯形螺紋吃刀深、走刀快、切削余量大，實際加工時應根據螺距及螺紋精度要求，選擇合理的加工方法（圖6）。

圖5 用樣板找正裝夾板

螺距較小的螺紋車削采用如圖6所示的直進法和斜進法，適用于用一把刀頭寬等于牙槽底寬的車刀進行加工；螺距較大的螺紋車削時一般采用如圖6所示左右車削法、分層切削法等。

圖6 梯形螺紋的加工方法

（1）直進法

直進法（一般用G32、G92指令）加工時，車刀沿橫向間歇進給，直至牙深處（如圖6（a）），但由于螺紋車刀三刃同時切削，切削力很大，排屑不暢，刀具磨損快，很容易引起扎刀等現象。

（2）斜進法

斜進法（一般用G76指令）加工時，車刀沿牙型角方向斜向間歇進給（如圖6（b）），它避免了三刃同時切削的現象，但仍存在刀具磨損快、牙型角略有偏差等不良情況，不適合螺距較大的梯形螺紋的加工。

（3）左右切削法

左右切削法加工時，螺紋車刀沿牙型角方向錯位進給（如圖6（c）），由于車刀兩個主切削刃中的一個在進行單刃切削，不易產生扎刀現象，螺紋精度和表面質量易于控制，但數控編程較復雜。

（4）車直槽法

車直槽法加工時，一般先選用切槽刀，其刀頭寬度稍小于梯形螺紋底寬，采用橫向直進法切出直槽深度至小徑尺寸，須留有0.2～0.3 mm的余量；再用梯形螺紋刀采用斜進法或左右切削法加工（如圖6（d））。這種方法簡單，但是在車削大螺距的梯形螺紋時，由于切削的溝槽較深，排屑不順暢，并且刀具因其刀頭狹長，強度不夠而容易折斷。

（5）車階梯槽法

為了降低用切槽刀進行“直槽法”加工時刀頭的損壞，可以采用車階梯槽法（如圖6（e））。首先切槽刀不是直接切到梯形螺紋的小徑尺寸，而是分成若干層并左右移動，切削成階梯槽；其次換用梯形螺紋刀采用斜進法或左右切削法進行加工。這種方法排屑順暢，適合于批量生產，但換用梯形螺紋刀時不易對準螺旋直槽，容易產生倒牙現象。

（6）分層切削法

直進法和左右切削法的綜合就是分層切削法［3］（如圖6f）。加工螺距較大的梯形螺紋時，首先把牙槽分建成若干層，每一層就是一個較淺的梯形槽，每一層的加工都采用“先直進后左右”的車削方法。這種方法可以較好地避免其他加工方法中的三刃切削、“扎刀、崩刃”等現象，效率較高，加工質量穩定。分層切削法特別適合于用宏程序進行編程，利用宏程序編程可以解決表1中任意一個參數（例：公稱直徑）發生變化時的螺紋加工。

1.4 加工工藝分析

（1）螺桿工藝性分析：圖1所示的左側軸類零件，在加工中可以采用三爪自定心卡盤裝夾。先用T0101的93°外圓機夾車刀（80°C型菱形刀片）粗精車右端面和外輪廓；再用T0202刀寬3 mm的切槽刀切退刀槽；再用T0505（300）可轉位機夾式梯形外螺紋刀車螺紋；最后用T0202刀切斷零件。

（2）螺套工藝性分析。圖1所示右側套類零件，在加工中也采用三爪自定心卡盤裝夾。先用T0101的93°外圓機夾車刀（80°C型菱形刀片）粗精車端面和外輪廓；再用T0404中心鉆、T0505麻花鉆鉆φ26 mm的通孔；再用T0606的93°內孔車刀（55°D型菱形刀片）粗精加工內孔；再用T0707（300）可轉位機夾式梯形內螺紋刀車內螺紋；最后用T0202刀切斷零件控制總長。

按照工藝分析，制定的數控加工工序卡如表2、表3所示。

2 零件加工程序

如圖1所示的零件，可按表2和表3相應的工序要求進行編程，其中涉及梯形螺紋，要進行編程前的相關計算（梯形螺紋的公差計算可查閱GB/T 5796.4-2005）。

表2 數控加工工序卡

表3 數控加工工序卡

（1）梯形外螺紋（Tr36×6-7e）

參照表1的計算公式，計算如下：

螺距P=6 mm，牙頂間隙ac=0.5 mm；

牙頂寬f=0.366×6=2.196 mm；

牙底寬W=2.196-0.536×0.5=1.926mm。

（2）梯形內螺紋（Tr36×6-7H）

大徑D4=36+2×0.5=37 mm，標準螺紋規定，內螺紋大徑公差不作規定。

（3）螺桿梯形外螺紋加工

表2工序3為螺桿梯形外螺紋的加工，它可以采用G76斜進法加工，其參考程序如表4所示。程序運行結束，需要用三針測量法測得實際中徑值，并計算余量，再修改磨耗值后方可進行精加工。

（4）螺套梯形內螺紋加工

表3工序5為螺套梯形內螺紋加工，其參考程序如表5所示。

表4 螺桿梯形外螺紋加工（G76斜進法加工）

梯形螺紋加工時，為了保證加工質量和效率，編程時通常采用宏程序［4-8］進行分層切削法（如圖6（f）），加工方法詳見圖7。首先進行粗加工，按照實際加工經驗，建議直徑方向留0.1～0.2 mm加工余量，其粗加工參考程序如表6所示；粗加工結束后，用三針測量法測量實際中徑值，并計算余量，修改X向磨耗值，為了減少精加工時螺紋車刀走空刀次數，可將宏程序中的“#1=0.1”的賦值改為“#1=3”修改后，重新運行原有程序，進行精加工，直至達到中徑尺寸。

3 結束語

在實際生產中，梯形螺紋的數控車削存在吃刀深、走刀快、切削余量多和縱向切削力大等技術難題。梯形螺紋的軸向剖面形狀是一個等腰梯形，其一般技術要求如下。

表5 螺套梯形內螺紋加工

表6 螺桿梯形外螺紋加工（分層切削法、標準梯形螺紋刀）

（1）梯形螺紋中徑必須與基準軸頸同軸，其大徑尺寸應小于基本尺寸。

（2）車梯形螺紋時必須保證中徑尺寸公差。

圖7 分層切削法加工

（3）梯形螺紋的牙形角要正確。

（4）梯形螺紋兩側面的表面粗糙度值要低。

梯形螺紋副在數控車床上的加工，要根據機床設備的剛度、工件材料、刀具材料、刀具強度以及梯形螺紋螺距等各種實際因素來綜合考慮，重點解決刀具、進刀、編程等工藝和加工問題，以滿足梯形螺紋副加工的質量和效率。