摘 要：【目的】使用大螺距螺紋車削在保證加工質(zhì)量的同時(shí)，提高加工效率?！痉椒ā恳源舐菥嗳切温菁y為例，對(duì)加工方法進(jìn)行研究，參考不同的車削法的分析與試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化?！窘Y(jié)果】相較于傳統(tǒng)加工方法，使用數(shù)控車削三角形大螺距螺紋加工法，加工效率提升2～3倍。通過刀具設(shè)計(jì)、材料選擇等，解決了三角形大螺距螺紋在數(shù)控車削過程中存在的問題。尤其是螺距為4～6 mm的三角形螺紋，在保證螺紋加工質(zhì)量的前提下，大幅提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。【結(jié)論】本研究為數(shù)控車削大螺距三角形螺紋在螺紋車刀設(shè)計(jì)方面提供了重要參考依據(jù)，具有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三角形螺紋；大螺距螺紋；螺紋車刀；車刀參數(shù)；刀具設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG519.1" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）21-0037-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.008

Discussion on the Processing Method of CNC Turning Large Pitch"Triangular Thread

YUE Ruifei NIAN Dejun YU Zhengcun

（Baiyin Vocational College of Mining and Metallurgy，Baiyin 730900，China ）

Abstract： [Purposes] This paper aims to improve the machining efficiency while ensuring the machining quality by using large pitch thread turning. [Methods] Taking the large pitch triangular thread as an example， the processing method was studied， and the analysis and test of different turning methods were referred to and optimized.[Findings] Compared with the traditional processing method， the processing efficiency is improved by 2～3 times by using the numerical control turning triangular large pitch thread processing method. Through tool design， material selection， etc.， the problems existing in the CNC turning process of triangular large pitch threads are solved. Especially for the triangular thread with pitch of 4～6 mm， the production efficiency is greatly improved and the production cost is reduced under the premise of ensuring the quality of thread processing. [Conclusions] This study provides an important reference for CNC turning of large pitch triangular threads in the design of turning tools， and has the value of promotion.

Keywords： triangular thread; large pitch thread; thread turning tool; turning tool parameters; tool design

0 引言

螺紋加工法有很多種，如直進(jìn)法、斜進(jìn)法、左右切削法、分層法等^［1-4］。對(duì)大螺距螺紋的車削，其螺距和牙型相對(duì)都比較大，牙型兩側(cè)表面粗糙度值相對(duì)較小，因而車削余量大。隨著分層次數(shù)的增多，車削深度增加，車削阻力增大，刀具、工件的溫度會(huì)迅速升高，從而使工藝系統(tǒng)剛性不足、刀具磨損加快，導(dǎo)致加工質(zhì)量難以保證，且生產(chǎn)成本較高、效率較低。雖然數(shù)控車削螺紋效率較高，但車削過程中若出現(xiàn)扎刀等現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致螺紋無法繼續(xù)加工，使正在加工的零部件變成廢品或半成品，因此，在采用數(shù)控車削大螺距螺紋時(shí)難度較大。

1 零件加工技術(shù)要求及工藝分析

本研究的零件示意如圖1所示。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)該零件螺紋部分加工工藝進(jìn)行分析。加工要求為零件加工表面上不應(yīng)有劃痕、擦損等損傷零件表面的缺陷，零件的材料為45#鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。45#鋼具有強(qiáng)度較高、耐磨性較好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于傳動(dòng)軸、齒輪等重要零部件中，其塑性、韌性及切削性能均較好。但對(duì)4 mm螺距的螺紋，車削過程及加工效率方面存在一定難度。

綜合圖紙工藝分析，該零件車削的難點(diǎn)是M80×4 mm的三角形螺紋，因其屬大螺距螺紋，若車削該螺紋時(shí)，根據(jù)2.5 mm螺距以下螺紋的加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，會(huì)造成切削參數(shù)設(shè)置不合理，影響數(shù)控車床使用性能的發(fā)揮，甚至直接導(dǎo)致該零價(jià)加工廢品率提高。當(dāng)吃刀深度、走刀速度、主軸轉(zhuǎn)速、切削余量等較大時(shí)，再加上其公稱直徑較大，在車削螺紋時(shí)，線速度提高、主切削力增大、切削抗力增大、刀具及工件溫度升高，使刀具磨損加快，會(huì)引起工藝系統(tǒng)剛性不足，從而產(chǎn)生震動(dòng)，易產(chǎn)生“扎刀”和“爆刀”現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致刀具無法參與車削或螺紋加工表面質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、表面粗糙度值大幅增加、螺紋牙型變形，甚至難以保證加工尺寸。當(dāng)吃刀深度、走刀速度、主軸轉(zhuǎn)速、切削余量等值較小時(shí)，雖然在車削過程中切削平穩(wěn)，最終加工出的零件也符合要求，但加工效率較低。經(jīng)過多次試驗(yàn)，在車削大螺距螺紋時(shí)，由于主切削力較大，因此在工藝安排上，必須具備良好的工藝系統(tǒng)剛性，尤其是工件的定位與裝夾，防止零件在車削時(shí)掉落，出現(xiàn)安全隱患。隨著車削螺紋過程中溫度的持續(xù)提高，刀具隨時(shí)都會(huì)進(jìn)入劇烈磨損階段，一把未參與車削的刀具一般加工8～10次，基本喪失切削功能，相較于批量生產(chǎn)，降低了刀具使用壽命，增加了螺紋車削加工輔助時(shí)間，為批量加工增加了制造成本，導(dǎo)致該螺紋的數(shù)控車削加工難度較大。

2 刀具設(shè)計(jì)及選擇

螺紋加工的好壞和效率高與低，與刀具的選擇是分不開的^［5］。經(jīng)過多次實(shí)踐驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，無論是焊接車刀，還是機(jī)架車刀，在車削螺距小于3 mm的三角形螺紋時(shí)，都具備相同的表面加工質(zhì)量和加工效率。在刀具使用壽命和尺寸精度上，機(jī)架刀好于焊接車刀。但對(duì)大于3 mm螺距的三角形螺紋進(jìn)行車削時(shí)，同樣存在刀具使用壽命大幅縮短的現(xiàn)象。這是由于車削螺紋時(shí)，線速度較高，再加上刀具與工件劇烈摩擦，不宜散熱，導(dǎo)致切削溫度升高。在加工螺紋時(shí)，刀具磨損主要來自前刀面，隨著刀具進(jìn)入劇烈磨損階段，會(huì)對(duì)切削刃的正常車削產(chǎn)生威脅，最終使車刀喪失車削能力。由于無論采用什么樣的車削方法，都會(huì)使刀具產(chǎn)生磨損，從而造成主切削刃變形或破損，加工出不合格的螺紋。這是因?yàn)榈毒邊?shù)不合理，強(qiáng)度較差，切削區(qū)域瞬時(shí)溫度較高，刀具磨損、變形，導(dǎo)致零件車削尺寸發(fā)生變化或變形。

經(jīng)多次刀具刃磨試驗(yàn)，得到的螺紋刀截面刀具參數(shù)如圖2所示。把A的角度刃磨成6°～8°、后角為4°～6°，讓刀具前刀面中間凸起來，兩邊切削刃磨下去，像魚脊背，焊接螺紋刀如圖3所示，兩邊盡量保證對(duì)稱，參與切削的一面，可適當(dāng)增大后角，刀尖圓弧半徑及修光刃可根據(jù)螺距大小確定，隨著螺距的增加而增大，有利于提高刀具強(qiáng)度及螺紋加工表面質(zhì)量。當(dāng)A刃磨角度較小，會(huì)使切削刃變鈍，增加切削抗力；角度較大，不利于排削，切削容易劃傷已加工表面，從而提高車削溫度，甚至?xí)绊懕砻尜|(zhì)量及螺紋參數(shù)。這樣設(shè)計(jì)能提高刀具強(qiáng)度，為高速高效的螺紋加工創(chuàng)造條件。同時(shí)，刀具前后刀面還需要具備較高表面質(zhì)量，當(dāng)切削流過前刀面，并對(duì)前刀面進(jìn)行磨損時(shí)，應(yīng)保證切削刃時(shí)刻處于鋒利狀態(tài)，以便提高切削流速，為散熱創(chuàng)造有利條件，減少前后刀面磨損程度，延長刀具使用壽命。根據(jù)斷削情況，為提高刀具強(qiáng)度，可不用磨斷削槽，經(jīng)多次實(shí)踐驗(yàn)證，對(duì)加工公稱直徑在70 mm以上的大螺距螺紋，由于車削時(shí)線速度較高，切削流速較快，結(jié)合刀具形狀，需要魚脊背的前刀面充當(dāng)斷削槽，使車削無法纏繞工件，遠(yuǎn)離加工表面。對(duì)公稱直徑較小的大螺距螺紋，因車削時(shí)線速度較低，斷削相對(duì)較為困難，在不影響刀具整體結(jié)構(gòu)的前提下，可適當(dāng)磨出較小的斷削槽。這樣不僅不影響表面加工質(zhì)量，還能大幅提高生產(chǎn)效率，與傳統(tǒng)螺紋車刀相比，在批量件加工時(shí)，其加工效率提高2～3倍。

3 刀具材料選擇

在刀具材料選擇上，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，鎢鈷類硬質(zhì)合金（YG）材料刀具的工藝性較好，但耐磨性較差；鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金（YT）在綜合性上優(yōu)于YG；鎢鈦鉭鈷類通用合金（YW）在綜合性上優(yōu)于YT。雖然涂層材料在性能上有一定的優(yōu)勢(shì)，但受長時(shí)間車削帶來的高溫影響，且車削螺紋時(shí)，速度較快不易散熱，導(dǎo)致該刀具材料因高溫影響容易磨損甚至涂層脫落。YW有YW1和YW2之分，尤其是YW2的耐磨性較好，但刃磨難度大。零件的加工質(zhì)量與效率，除了合理安排加工工藝外，刀具材料的合理選擇也起著決定性作用。結(jié)合刀具參數(shù)，對(duì)圖1所示的零件進(jìn)行批量加工，對(duì)材料硬度為45#鋼及以上的零件，在螺紋車刀材料的選擇上，基于各材料性能分析、實(shí)踐驗(yàn)證，綜合各項(xiàng)指標(biāo)、參數(shù)，得出結(jié)論，優(yōu)先選用YW2。

4 編程方法的選擇

車削較大螺距螺紋時(shí)，通過把牙槽分成若干層，一層一層進(jìn)行車削，每層深度由工件材料、刀具材料等決定。轉(zhuǎn)化成若干個(gè)較小的吃刀深度來進(jìn)行切削能大幅降低車削難度。每一層的切削都采用左右交替或斜進(jìn)車削的方法，背吃刀量較小，刀具只需沿牙形線進(jìn)行切削，螺紋車刀始終只有一個(gè)側(cè)刃參加切削，使得排屑比較順利，刀尖的受力和受熱情況有所改善，保證加工質(zhì)量，提高刀具使用壽命和生產(chǎn)效率。但對(duì)數(shù)控車來說，只有使用G32指令配合宏程序才能實(shí)現(xiàn)左右分層車削，這樣雖能有效降低牙型的變形程度，但其車削運(yùn)行時(shí)間較長，反而加劇刀具磨損。對(duì)于傳統(tǒng)的螺紋車刀，無論是機(jī)夾還是焊接車刀，在車削大螺距螺紋時(shí)，線速度較高，主切削力隨刀具的不斷切入而大幅度增加，因此不建議使用直進(jìn)法。

以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為例，在車削大螺距螺紋時(shí)，不宜直接使用G32、G92指令編程， 因?yàn)镚32、G92指令屬直進(jìn)法指令，尤其是G92指令，該指令在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置里增加了車削螺紋的緩沖距離 ^［6-7］。由于其退刀槽較窄，故加工該零件時(shí)，容易讓刀具和φ120 mm的端面發(fā)生碰撞。但作為圖3所示的螺紋車刀，經(jīng)過多次實(shí)踐驗(yàn)證，采用直進(jìn)法車削，可加工小于或等于6 mm螺距的螺紋。綜合多方面考慮，可使用作為斜進(jìn)法的G76指令，該指令加工效率高，在格式里有最大最小背吃量設(shè)置，第一刀車削深度，螺距越大該值可相應(yīng)放大，程序編寫方便、簡單，加工過程中始終保持一個(gè)主切削刃和刀尖參與車削^［1-2］。極大減小主切削力，同時(shí)為散熱創(chuàng)造一定空間，再配合冷卻液的充分澆注，大幅度降低工件材料和刀尖溫度，能有效改善切削條件。若采用宏程序的編程方法，雖可實(shí)現(xiàn)左右分層車削與直進(jìn)法的無縫對(duì)接，提高了刀具使用壽命，但在一般情況下，采用宏程序編寫的螺紋加工程序，背吃刀量是固定的，因此在車削過程中背吃量的設(shè)置都很小，生產(chǎn)效率較低，程序編寫相對(duì)比較復(fù)雜，螺紋加工精度完全由刀具參數(shù)和編程數(shù)值決定，且加工質(zhì)量難以保證。

通過對(duì)G32、G92、G76指令及本研究所設(shè)計(jì)的螺紋車刀的車削特點(diǎn)進(jìn)行分析，經(jīng)過實(shí)踐得出以下結(jié)論：在大螺距螺紋車削時(shí)，優(yōu)先選用G76；在小于或等于6 mm螺距的三角形螺紋車削時(shí)，且退刀較大的情況下，可選用G92。加工參數(shù)見表1。

5 結(jié)語

本研究主要對(duì)大螺距三角形螺紋加工方法進(jìn)行研究，通過刀具設(shè)計(jì)等方法，在車削加工技術(shù)上有所創(chuàng)新，同時(shí)解決了大螺距三角形螺紋在數(shù)控車削中的加工難題。在提高螺紋零件的加工精度和加工效率的同時(shí)，保證螺紋零件的加工質(zhì)量，相較于傳統(tǒng)的螺紋車刀，該方法更具優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

［1］閆東平.車削大螺距螺紋刀具磨損特性［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2016.

［2］劉鵬.以生產(chǎn)實(shí)習(xí)為例闡述宏程序在數(shù)控車床中加工螺紋的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2011（15）：18，252.

［3］孫彬.車削大螺距螺紋振動(dòng)特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2018.

［4］王少宇.車削大螺距螺紋振動(dòng)條件下刀具表面熱力耦合場(chǎng)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2021.

［5］彭正.大螺距三角形螺紋分層車削的宏程序編程方法［J］.農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2019（11）：52-54.

［6］王明紅.數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［7］劉蔡保.數(shù)控車床編程與操作［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

收稿日期：2023-05-19

作者簡介：岳瑞飛 （1986—），男，本科，助理講師，研究方向：機(jī)械制造；年得君（1987—），男，本科，講師，研究方向：機(jī)械制造。

通信作者：余正存（1987—），男，本科，助理講師，研究方向：機(jī)械制造。