雙頭梯形絲杠加工方法

殷勇 劉永龍

【關(guān)鍵詞】雙頭梯形絲杠;車削加工;彎曲變形;分頭精度

【中圖分類號】TH1;TG6 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）07-0069-04

梯形絲杠是細(xì)長柔性軸，其長度L與直徑d的比值較大，通常L/d值為20～50，剛性較差，零件外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且有較高的螺紋精度要求等。因此，在加工過程中很容易產(chǎn)生振動(dòng)和彎曲變形等問題，不易保證零件加工精度。

因?yàn)榻z杠加工的工藝系統(tǒng)剛性差，進(jìn)而影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量，所以必須對機(jī)床精度和工件裝夾及刀具進(jìn)行改進(jìn)。本文主要從工件的裝夾、走刀方式、跟刀架、刀具幾何參數(shù)及切削用量等方面采取系統(tǒng)且有效的措施，提高切削過程中多頭絲杠的剛性，獲得良好的幾何精度和表面粗糙度，保證零件加工符合技術(shù)要求。

1 雙頭絲杠的加工特點(diǎn)[1-2]

（1）剛性較差，在車削加工時(shí)，工件易受切削力和重力的影響，引起工件彎曲變形，產(chǎn)生振動(dòng)，從而降低表面質(zhì)量和加工精度。

（2）熱變形影響。在切削熱的作用下，將產(chǎn)生較大的線膨脹，尤其在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，工件產(chǎn)生的離心力也會加劇其熱變形。

（3）幾何精度差。因?yàn)楣ぜ?xì)長，加工時(shí)一次加工走刀時(shí)間較長，刀具磨損量大，所以零件幾何形狀精度會受到較大影響。

（4）絲杠與配合螺母運(yùn)動(dòng)精度低。加工過程中，若產(chǎn)生較大的分頭誤差，加工的雙頭絲杠會因螺距不相等而影響絲杠與螺母配合精度及使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生干涉。

2 加工過程中產(chǎn)生的變形問題

（1）切削力引起的變形。按照力學(xué)原理，在車削加工中產(chǎn)生的切削力可分解成徑向切削力、軸向切削力及切向切削力，這些分力使工件產(chǎn)生水平和軸向方向的彎曲變形。

（2）切削熱引起的變形。在車床上切削時(shí)，通常采用的裝夾方式為夾頂或是雙頂尖。在車削過程中，卡盤和尾座的頂尖相對位置固定，車削加工產(chǎn)生的切削熱，迫使工件因軸線方向熱變形伸長受限而發(fā)生彎曲變形。

（3）裝夾方法不當(dāng)引起的變形。在細(xì)長軸車削加工時(shí)，通常使用跟刀架，但如果跟刀架上支撐工件的兩個(gè)支撐爪對工件壓力不適宜或不平衡，將造成工件彎曲變形，從而影響零件加工的幾何精度和表面粗糙度。一是支撐爪壓緊力太小或未接觸工件，加工時(shí)工件產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象，加工的外圓直徑變大;二是支撐爪壓緊力太大，工件將被“擠”向車刀，切削深度就會增大，加工的外圓直徑變小;三是因上述原因，加工過程中循環(huán)連續(xù)有規(guī)律的變化使工件的外圓形成竹節(jié)狀，因此工件難以獲得良好的幾何精度和表面粗糙度。

3 在普通車床加工雙頭梯形絲杠的方法

下面以冶金設(shè)備中常見的雙頭梯形絲杠為例（見圖1所示），詳細(xì)介紹該類零件的加工方法。

零件材質(zhì)為45鍛鋼件，調(diào)質(zhì)為220～250 HB，毛坯尺寸為φ60 mm×1 480 mm。其中，中部為Tr36×12（P6）的“T”形螺紋，左端為φ40j7×50 mm的花鍵部分（由其他工序加工完成）。

3.1 準(zhǔn)備工作

3.1.1 機(jī)床精度調(diào)整

機(jī)床精度調(diào)整是加工雙頭絲杠的重要環(huán)節(jié)，一是調(diào)整機(jī)床主軸中心線與尾座頂尖中心線的連線要與機(jī)床導(dǎo)軌處于平行狀態(tài)，必要時(shí)對機(jī)床進(jìn)行維修。二是保證主軸中心線與尾座頂尖中心線的同軸度滿足加工要求，其同軸度誤差控制在0.02 mm以內(nèi)。三是調(diào)整機(jī)床大拖板、中拖板和小拖板之間的間隙，保證機(jī)床具有適宜的精度。

3.1.2 工件原料校直

絲杠毛坯料的彎曲對零件加工精度將產(chǎn)生較大影響。工件在高速回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力，致使工件毛坯料的彎曲變形加劇，導(dǎo)致加工困難，加工質(zhì)量下降。所以，絲杠在加工過程中應(yīng)事先進(jìn)行坯料校直，坯料校直通常有冷校和熱校兩種方式，零件精度高的工件毛坯料宜采用熱校直方法，切忌使用錘擊方法校直。本例要求坯料校直后在劃線平臺上檢查各點(diǎn)彎曲度要控制在0.5 mm以內(nèi)，坯料在全長范圍內(nèi)的彎曲度應(yīng)控制在1.5 mm以內(nèi)。

3.1.3 工件裝夾

（1）安裝。絲桿可采用雙頂尖或夾頂方式裝夾。雙頂尖裝夾方法適用于需多次裝夾且加工余量較少和長徑比值小的工件，該裝夾方法幾乎零誤差，能夠較好地保證工件同軸度，但其剛性差而容易產(chǎn)生振動(dòng)。本例采用夾頂?shù)难b夾方法，裝夾時(shí)，在卡爪與工件之間墊入繞工件圓周方向纏繞直徑為3 mm左右的鋼絲，減小夾持面與卡爪的接觸面積，防止發(fā)生過定位，提高加工精度。

（2）活頂尖。雙頂尖裝夾是主軸頂尖使用死頂尖，尾座頂尖使用活頂尖。在切削過程中，切削熱將使工件產(chǎn)生熱彎曲變形，影響加工質(zhì)量。具備一定加工條件的宜選用彈性回轉(zhuǎn)頂尖，可有效解決工件熱膨脹變形問題。單件小批量生產(chǎn)時(shí)通常使用活頂尖，頂緊力要適當(dāng)，具體操作是機(jī)床停止運(yùn)轉(zhuǎn)，左手盤動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)，右手握住頂尖，以工件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠帶動(dòng)活頂尖旋轉(zhuǎn)為好。注意在加工過程中要隨時(shí)檢查工件的發(fā)熱膨脹狀況和活頂尖的松緊程度，確保加工精度[2]。

（3）跟刀架。為防止加工過程中工件抖動(dòng)，增強(qiáng)剛性，需使用機(jī)床附件中心架或跟刀架，本例雙頭梯形絲杠精度要求較高，并且要求一次裝卡完成，防止產(chǎn)生接頭，故使用三爪支承跟刀架進(jìn)行加工，避免工件產(chǎn)生竹節(jié)狀。

3.1.4 車刀選用

（1）外圓車刀。根據(jù)切削原理，增大車刀主偏角，可有效降低徑向切削力和減少切削熱的產(chǎn)生;增大前角，可有效降低切削變形和切削力，降低切削消耗和加工硬化程度，抑制積屑瘤的產(chǎn)生，提高加工表面質(zhì)量，降低切削溫度。根據(jù)粗精加工情況，車刀的主偏角選擇75°～95°;前角選擇16°～32°，并磨出R1.2～3 mm的切削槽，保證切削順利;選擇正刃傾角3°～4°，減小切屑彈性變形，確保切屑流向待加工表面，減小切削力和切削熱，提高已加工表面的質(zhì)量;刀尖圓弧半徑和倒棱刃寬度≤0.4 mm，以減少徑向切削力[1，3]。

粗車車刀選用：主偏角為75°，材料為硬質(zhì)合金（如圖2所示）。

半精車刀選用：主偏角為93°，材料為硬質(zhì)合金（如圖3所示）。

精車采用：高速鋼為W18Cr4v寬刃車刀，彈性刀桿（如圖4所示）。

（2）梯形螺紋車刀。刀具材料選用高速鋼W18Cr4V彈性刀桿。車刀的刀尖角度與牙形角一致，用對刀樣板進(jìn)透光性檢查。刀頭寬度：粗車刀的刀頭寬度應(yīng)為1/3螺距寬;精車刀的刀頭寬度等于槽寬減0.5 mm。縱向前角：粗車刀一般為15°左右（如圖5所示）;為了保證牙形角正確，精車刀盡可能選10°以內(nèi)，通常前角取5°～10°。縱向后角一般為6°～8°;刃磨兩側(cè)后角時(shí)，要根據(jù)螺紋的左右旋相加，減螺旋升角，即（3°-5°）±γ（導(dǎo)程角）;刀尖要倒圓[3-4]（如圖6所示）。

3.1.5 切削用量

切削用量選擇合理與否，直接關(guān)系到切削力和切削熱的產(chǎn)生，造成工件變形。

（1）切削深度。為防止工件受切削力產(chǎn)生熱變形，在保證必要的生產(chǎn)效率下，盡可能減少單邊切削深度。

（2）進(jìn)給量。進(jìn)給量關(guān)系到切削厚度，雖然切削力將隨進(jìn)給量增大而增大，但因切削力與進(jìn)給量不成正比率地增大，故為保證切削效率，宜適當(dāng)增大進(jìn)給量。

（3）切削速度。切削速度的提高有利于降低切削力，但切削速度過高易使工件在離心力作用下產(chǎn)生工件彎曲變形，故對長徑比較大的細(xì)長軸工件，要適當(dāng)控制切削速度。

由此，在粗加工和半精加工時(shí)，為減少徑向切削用力，降低切削熱，減少振動(dòng)，增強(qiáng)剛性，所以要盡可能選擇小切削用量，多走刀，小切削深度。

3.1.6 切削液

使用冷卻液加工，可達(dá)到冷卻和潤滑作用，防止跟刀架支撐爪與工件摩擦而影響工件表面質(zhì)量，延長刀具使用壽命，保證刀具的鋒利和耐用度，以獲得較高的零件表面質(zhì)量。

實(shí)踐證明，采用新型“阿莫靈”609切削液，效果較好，它是一種極壓性較高的半合成切削液，其性能既結(jié)合了乳化液和全合成切削液的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的缺點(diǎn)。本例粗加工時(shí)的切削液濃度為3%～5%，精加工時(shí)的切削液濃度為10%～20%。

3.2 加工步驟

3.2.1 粗車

三爪夾撐，平右端面，打中心孔，左端留有50 m的工藝卡頭。采用夾頂裝夾方式，在卡爪與工件外圓間墊入繞工件圓周方向的φ4 mm鋼絲。

選用75°反偏刀，主軸轉(zhuǎn)速n=180 r/min，進(jìn)給量 f=0.3 mm/r，背吃刀量為3 mm，多刀次進(jìn)行車削，使用跟刀架。

采用反向進(jìn)給方式，粗車各外圓，單邊留2 mm余量，倒角，空刀槽暫不加工，車削時(shí)要充分使用冷卻潤滑液。

加工時(shí)，為消除振動(dòng)，應(yīng)使用反向進(jìn)給方式進(jìn)行加工作業(yè)。車刀主偏角為75°或90°的反偏刀。具體操作方法和注意事項(xiàng)如下。？譹？訛根據(jù)分次走刀要求，在機(jī)床主軸箱卡盤側(cè)，先加工出長度為100 mm左右的“基圓”，走刀方向的加工面與毛坯面的端面車出45°斜面，防止正式加工時(shí)出現(xiàn)“打刀”現(xiàn)象。？譺？訛跟刀架置于車刀走刀方向的后面，即放置于已加工面。？譻？訛調(diào)整跟刀架支撐爪的壓力，保持輕接觸后再適當(dāng)壓緊，這是一個(gè)憑工人經(jīng)驗(yàn)與手感操作的過程，防止工件產(chǎn)生竹節(jié)現(xiàn)狀。？譼？訛跟刀架支撐爪宜選用灰口鑄鐵材料，修磨支撐爪凹圓弧面與工件外圓吻合，有條件時(shí)，支撐爪凹圓弧面通過本機(jī)床“自研磨”。？譽(yù)？訛“自研磨”是在靠近卡盤處，粗車工件一段長度約60 mm的粗糙表面，主軸轉(zhuǎn)速調(diào)整到300～350 r/min，不用冷卻液，支撐爪按照“外側(cè)爪—下爪—上爪”的順序逐一壓向工件表面進(jìn)行反復(fù)研磨，達(dá)到兩者弧面全接觸，稍等片刻，用冷卻液沖洗掉研磨留下的支撐爪粉末，再研磨2～4 min，此過程要保持冷卻液供給。

粗加工過程中稍有不慎，工件容易出現(xiàn)竹節(jié)等現(xiàn)象。一旦發(fā)生竹節(jié)現(xiàn)象，要及時(shí)處置，方法如下：①調(diào)整后頂尖頂緊力和溜板箱間隙，使其符合加工要求。②適當(dāng)降低切削用量。③保持切削冷卻液充分。④及時(shí)調(diào)整跟刀架支撐爪壓緊力。⑤改用高速鋼車刀低速加工，消除竹節(jié)狀現(xiàn)象后再使用硬質(zhì)合金刀加工。⑥適當(dāng)增大車刀主偏角，保持刀刃鋒利[3]。

3.2.2 人工時(shí)效

為消除工件的內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定金相組織和尺寸精度、改善機(jī)械性能，粗車加工過程中及粗車加工完成后，對工件進(jìn)行1～2次的時(shí)效熱處理。

3.2.3 半精車外圓

修中心孔，采用夾頂?shù)难b夾方法，選用90°車刀。主軸轉(zhuǎn)速n=140 r/min，進(jìn)給量為0.15～0.2 mm/r，切削深度為0.5～1.5 mm;車削時(shí)要用冷卻潤滑液。

加工各部外圓時(shí)，單邊留0.5 mm的加工余量，空刀槽加工到尺寸，各階臺的長度尺寸加工到尺寸要求，螺紋外圓加工到尺寸并倒角。

3.2.4 雙頭梯形螺紋的加工

采取低速車削雙頭梯形螺紋的方法。車削時(shí)要用充足的冷卻潤滑液，在車削梯形螺紋時(shí)，同樣采用跟刀架支撐車螺紋，但由于支撐爪與工件的接觸不夠，而且車削時(shí)螺紋牙邊會出現(xiàn)毛刺，所以前面使用的鑄鐵材料支撐點(diǎn)的支撐爪已不再適用。本例在45鋼的支撐爪上焊接一塊硬質(zhì)合金刀片，長度為12 mm左右，車削時(shí)支撐可靠，效果較好。具體加工步驟如下。

（1）粗車螺紋。按照機(jī)床掛輪表，調(diào)整掛輪手柄位置，采用左右趕刀法，先粗加工第一條螺旋線，螺紋槽牙寬兩側(cè)留0.2 mm的精加工余量，再加工第二條螺旋線。需要注意的是，對于大直徑梯形螺紋等，可以采取刻線分頭的辦法進(jìn)行加工，但對于小直徑梯形螺紋等，采用刻線分頭方法會導(dǎo)致零件表面雜亂無章，不便于加工作業(yè)。

（2）半精車螺紋。半精車目的是為精加工創(chuàng)造良好的條件，使用精車刀，要求邊切削邊使用冷卻液。精車螺旋槽小徑至尺寸要求，保持中拖板刻度一致，確保切削深度一致，加工一側(cè)牙形，先用半齒樣板做透光性檢查，再用半齒雙聯(lián)樣板檢查，粗糙度值不大于Ra6.3;用百分表檢查移動(dòng)小拖板一個(gè)螺距，加工第二個(gè)側(cè)面，中拖板刻度與車第一個(gè)側(cè)面時(shí)保持一致，用半齒雙聯(lián)樣板檢查。

（3）精車螺紋。精加工的目的是修正螺紋分頭的均勻性，達(dá)到牙形尺寸和表面粗糙度要求。使用螺紋精車刀、小拖板左右“趕刀”法修正牙形誤差。同時(shí)，用半齒樣板檢查牙形角，用雙聯(lián)樣板檢查第一和第二條牙形精度，確保雙頭梯形螺紋加工精度。需要注意加工前調(diào)整小拖板相對于機(jī)床主軸線的平行度，保證分頭精度;調(diào)整小拖板導(dǎo)軌與鑲條的間隙，以手能移動(dòng)為準(zhǔn)，防止小拖板在加工中竄動(dòng)而影響分頭精度;加工時(shí)，要采用多次左右趕刀法加工并及時(shí)檢查測量調(diào)整，切勿直接將一條螺旋槽精加工完成后，再分頭精加工第二個(gè)螺旋槽;確保螺紋中徑和螺距合格。

3.2.5 半精車和精車外圓

使用鑄鐵支撐爪的跟刀架，選用90°車刀，主軸轉(zhuǎn)速n=120 r/min，進(jìn)給量f=（0.15-0.2） mm/r。

將各帶公差圓車至上偏差0.05～0.1 mm，其余各圓加工到尺寸。

精車采用低轉(zhuǎn)速車削法，使用高速鋼W1rCv4v寬刃精車刀裝入彈性刀桿中，主軸速度n=28 r/min，進(jìn)給量f=（8-12） mm/r，切削深度為0.02～0.05 mm。精車各公差外圓達(dá)圖紙要求，最后切斷。

4 結(jié)論

通過實(shí)際加工生產(chǎn)證實(shí)，以上方法和措施很好地解決了雙頭梯形絲杠的加工難題，加工方案簡單實(shí)用，效率高，成本低，保證了加工后的零件質(zhì)量。文中介紹的雖然是針對某一具體工件采取的加工技巧，但是對該類工件的加工具有普遍意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]鄭文虎.典型工件的車削[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]上海金屬切削技術(shù)協(xié)會.金屬切削手冊[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[4]富頌旗.軸向分線法車削多線螺紋方法淺析[J].機(jī)械工程師，2009（6）：138-139.