摘 要：【目的】使用大螺距螺紋車(chē)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(chē)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(chē)削三角形大螺距螺紋加工法，加工效率提升2～3倍。通過(guò)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(chē)削過(guò)程中存在的問(wèn)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?！窘Y(jié)論】本研究為數(shù)控車(chē)削大螺距三角形螺紋在螺紋車(chē)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(chē)刀；車(chē)刀參數(shù)；刀具設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)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(chē)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(chē)削余量大。隨著分層次數(shù)的增多，車(chē)削深度增加，車(chē)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(chē)削螺紋效率較高，但車(chē)削過(guò)程中若出現(xiàn)扎刀等現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致螺紋無(wú)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(chē)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(chē)削過(guò)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(chē)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(chē)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(chē)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(chēng)直徑較大，在車(chē)削螺紋時(shí)，線(xiàn)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(wú)法參與車(chē)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(chē)削過(guò)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(guò)多次試驗(yàn)，在車(chē)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(chē)削時(shí)掉落，出現(xiàn)安全隱患。隨著車(chē)削螺紋過(guò)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(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)的^［5］。經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是焊接車(chē)刀，還是機(jī)架車(chē)刀，在車(chē)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(chē)刀。但對(duì)大于3 mm螺距的三角形螺紋進(jìn)行車(chē)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(chē)削螺紋時(shí)，線(xiàn)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(lái)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(chē)削產(chǎn)生威脅，最終使車(chē)刀喪失車(chē)削能力。由于無(wú)論采用什么樣的車(chē)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(chē)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(lái)，兩邊切削刃磨下去，像魚(yú)脊背，焊接螺紋刀如圖3所示，兩邊盡量保證對(duì)稱(chēng)，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(chē)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(guò)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(zhǎng)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(chēng)直徑在70 mm以上的大螺距螺紋，由于車(chē)削時(shí)線(xiàn)速度較高，切削流速較快，結(jié)合刀具形狀，需要魚(yú)脊背的前刀面充當(dāng)斷削槽，使車(chē)削無(wú)法纏繞工件，遠(yuǎn)離加工表面。對(duì)公稱(chēng)直徑較小的大螺距螺紋，因車(chē)削時(shí)線(xiàn)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(chē)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(lèi)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(lèi)硬質(zhì)合金（YT）在綜合性上優(yōu)于YG；鎢鈦鉭鈷類(lèi)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(zhǎng)時(shí)間車(chē)削帶來(lái)的高溫影響，且車(chē)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(chē)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(chē)削較大螺距螺紋時(shí)，通過(guò)把牙槽分成若干層，一層一層進(jìn)行車(chē)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(lái)進(jìn)行切削能大幅降低車(chē)削難度。每一層的切削都采用左右交替或斜進(jìn)車(chē)削的方法，背吃刀量較小，刀具只需沿牙形線(xiàn)進(jìn)行切削，螺紋車(chē)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(chē)來(lái)說(shuō)，只有使用G32指令配合宏程序才能實(shí)現(xiàn)左右分層車(chē)削，這樣雖能有效降低牙型的變形程度，但其車(chē)削運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，反而加劇刀具磨損。對(duì)于傳統(tǒng)的螺紋車(chē)刀，無(wú)論是機(jī)夾還是焊接車(chē)刀，在車(chē)削大螺距螺紋時(shí)，線(xiàn)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(chē)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(chē)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(chē)刀，經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐驗(yàn)證，采用直進(jìn)法車(chē)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(chē)削深度，螺距越大該值可相應(yīng)放大，程序編寫(xiě)方便、簡(jiǎn)單，加工過(guò)程中始終保持一個(gè)主切削刃和刀尖參與車(chē)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(chē)削與直進(jìn)法的無(wú)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(xiě)的螺紋加工程序，背吃刀量是固定的，因此在車(chē)削過(guò)程中背吃量的設(shè)置都很小，生產(chǎn)效率較低，程序編寫(xiě)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(guò)對(duì)G32、G92、G76指令及本研究所設(shè)計(jì)的螺紋車(chē)刀的車(chē)削特點(diǎn)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)實(shí)踐得出以下結(jié)論：在大螺距螺紋車(chē)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(chē)削時(shí)，且退刀較大的情況下，可選用G92。加工參數(shù)見(jiàn)表1。

5 結(jié)語(yǔ)

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(guò)刀具設(shè)計(jì)等方法，在車(chē)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(chē)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(chē)刀，該方法更具優(yōu)勢(shì)。

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收稿日期：2023-05-19

作者簡(jiǎn)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。