雙頭梯形螺紋刀具的特殊設計

■ 延鋒安道拓座椅機械部件有限公司 （上海 201315） 張 磊

小孔徑雙頭梯形螺紋是螺紋領域里較特殊的一種螺紋形狀，對刀具提出了很高的要求，其孔徑限制了刀具的形狀、大小與長度。一般選擇用小直徑刀桿、普通的30°刀尖角度的螺紋刀具來車削，加工時刀具剛性太差導致螺紋爛牙與刀具斷裂，最終產生零件報廢，浪費企業很多材料成本與人工成本。本文主要探討如何在快速車削出雙頭梯形螺紋的同時，還能加工出兩邊小倒角的刀具設計。

1. 產品難點分析

延鋒安道拓是國內外著名的汽車座椅制造商，公司內部業務分為座椅系統和內飾系統兩大板塊，其中座椅系統細分為滑道單元與調角器單元。根據生產要求，需大批量生產滑道單元機器上的驅動螺母。驅動螺母如圖1所示。螺母內部是Tr8×3P1.5mm的雙頭梯形螺紋，底孔尺寸為φ6.5+0.19+0mm。

圖1 驅動螺母

由于驅動螺母底孔尺寸較小，導致螺紋刀具整體直徑必須小于底孔尺寸，這樣能大幅降低刀具的剛性和強度。刀桿直徑太小，車削時容易振動、易斷裂，使螺紋周邊產生爛牙。試驗過幾種加工方法，但都達不到質量要求，因刀具剛性的不足，加工出來的螺紋尺寸無法一致，讓刀明顯，導致實際裝配在座椅滑軌絲桿轉動時松緊度不一樣，產生異音。后來公司內部管理層提出在驅動螺母螺紋牙頂和牙底上增加一個R0.15mm或C0.15mm的倒角方案來消除異音，同時希望能克服刀具剛性的難題。設計出如圖2所示倒角方案，能夠消除螺母與螺桿轉動時的摩擦異音。但是這個設計增加了車削的難度，如何在保證雙頭螺紋尺寸精度的同時，又能加工出小倒角是迫切需要解決的問題。

圖2 驅動螺母內部螺紋

2. 設計方案

（1）方案一：標準雙頭梯形絲錐攻螺紋 采用浮動式彈簧夾套夾持Tr8×3 P1.5mm的梯形標準絲錐來攻螺紋，絲錐攻出的牙型輪廓非常準確，但表面粗糙度較差、易翻毛刺，而且無法加工出牙頂和牙底的倒角，絲錐攻到底部主軸反轉回退時，螺紋兩邊有小幅度拉傷，如果采用硬攻的方式，絲錐又容易斷裂。

（2）方案二：制作普通的梯形螺紋刀具 用小直徑的鎢鋼刀柄或者小直徑的高速鋼刀柄通過線切割切出刀具切削刃所有形狀來實現車削加工。但由于刀具是一體式，刀桿直徑小，車削時振動太大，加工第一件就崩刃和斷裂，完全不適合。

3. 梯形螺紋刀的特殊設計

以上面兩個實踐為基礎，使用UG軟件進行繪圖、模擬對比、實際分析，最終設計出一種帶有三頭牙的特殊梯形螺紋刀具，筆者作為主要實施人來實現編程、操作加工。

（1）刀具設計 如圖3所示為特殊梯形螺紋刀具的形狀，刀桿頭部中心位置設計三顆牙刃，牙刃的輪廓形狀、尺寸與梯形螺紋輪廓相一致。牙刃兩邊的頂部和底部各制作R0.15mm的小圓弧刃角，其目的是為了讓刀具車削到螺紋底部的同時加工出牙頂的倒角。刀具整體長度45mm，刀桿部分寬度3.5mm，刀具總寬度5mm，尾部制作一條長12mm、寬1.5mm的長筋。尾部上面部分磨出一個工藝小扁位。

（2）刀套設計 刀套的內部形狀與刀桿輪廓一致，如圖4、圖5所示，圖3中提到刀桿后面部分的工藝小扁位就是固定在這個M4的螺釘下面，目的是為了加強刀具的強度與穩定性，防止切削振動。刀桿尾部增加一根小長筋，能穩定地裝配在刀套的鍵槽里。

圖3 特殊螺紋刀具設計

圖4 刀套設計

圖5 刀具刀套配合

（3）小長筋的原理說明 由于驅動螺母是批量生產，加工過程中刀具不斷磨損，一般情況下新刀具安裝后X軸與Z軸都需要重新對刀才能繼續加工，尤其是X軸的內孔方向，需要手動把刀具搖進零件內孔里進行對刀操作，浪費了較多的輔助時間。通過設計小長筋，更換新刀具后能快速的裝配在刀套里，第一次使用時調整好切削刃的中心高度，后面只需每次擰開M4的螺釘就能拆卸刀具與安裝。如圖6所示，刀具固定在刀套里，鎖緊后裝夾在彈簧夾套里面，更換新刀具前手動松開M4的螺釘，拔出舊刀具再裝入新刀具，過程中刀套一直緊固在彈簧夾套里，其切削刃位置與主軸的中心位置不會發生任何改變，始終保持一致。這樣每次X軸方向不用進行對刀操作，只需快速對刀Z軸方向就可進行加工，節省了后續輔助時間，提高了生產效率。

（4）加工程序 如圖7所示，三頭牙切削刃在零件二維線框圖中進行比對，從圖中能看出三顆牙刃與零件螺旋輪廓相吻合，不存在螺旋角上升碰撞的干涉情況。刀具能快速的從端面起始點車削到尾部終點位置，第一顆牙車削起始角度0°的螺旋線，第二顆牙同時車削起始角度180°的螺旋線，第三顆牙同步也在牙型兩邊修光，這個走刀方式的原理按照普通一頭螺紋程序來編寫。

編寫兩種加工程序，斜插入及直插入，代碼如下。

N1;（斜插入）

G00 X500.0 Z500.0;

G50 S2000;

G00 X6.0 Z2.0 G40 G97 S600 T1010 M03 M08;

G71 X8.50 Z-24.80 D0.1 U0.03 B30 Q2.0 H1.87 F3.0 M33 M74;

G00 Z200.0;

G00 X500.0 Z500.0;

M30；

N1;（直插入）

G00 X500.0 Z500.0;

G50 S2000;

G00 X6.0 Z2.0 G40 G97 S600 T1010 M03 M08;

G33 X6.7 Z-24.80 F3.0;

X6.8;

X6.9;

X7.0;

X7.1;

X7.2;

X7.3;

X7.4;

X7.5;

X7.6;

X7.7;

X7.8;

X7.9;

X8.0;

X8.1;

X8.2;

X8.3;

X8.4;

X8.5;

X8.5;

X8.5;

圖6 整體裝配

圖7 刀具牙刃與零件螺紋剖面模擬

G0 Z200.0;

G0 X500.0 Z500.0;

M30;

G71為斜插入方式，需要編寫螺紋頭數，Q2.0為螺紋兩頭數，F3.0為螺紋導程，每刀吃刀量為0.1mm，斜進給X軸與Z軸每刀坐標都在變化，其缺點是如遇到刀具牙型兩邊有磨損，會產生螺紋輪廓不準確和爛牙現象。G33為直插入方式，不需要編寫多頭的頭數，F3.0為螺紋導程，每刀吃刀量為0.1mm，車削時X軸坐標值保持進給，Z軸方向每刀坐標值始終不變，螺紋輪廓準確美觀，加工時效率較高。

圖8 倒角觀測

圖9 刀具圓弧角說明

4. 檢測結果

用精密光學投影儀對加工的倒角進行檢測，如圖8所示。

檢測前先把零件一割兩半解剖，使用精密光學投影儀對準螺紋輪廓面進行放大到一定的倍數，從圖8中能很清晰的看見牙頂兩邊的小倒角。牙頂小倒角依靠切削刃后面R0.15mm的圓弧角同步加工出來，如圖9所示，切削刃前面的R0.15mm圓弧角在車削到螺紋底部時，自然形成牙底圓弧角。

各種數據表明，三頭牙刀具適合梯形雙頭螺紋的加工，第一顆牙與第二顆牙在車削的同時，第三顆牙起到了修光作用，牙型輪廓不但標準而且表面粗糙度較好，達到Ra＝1.6μm，非常適合批量生產。

5. 結語

在數控車床領域里，無論是小孔的螺紋加工，還是小孔的車削，都是非常難加工的，首先要考慮的是刀桿剛性的問題，其次才是后續的加工工藝。俗話說“好鋼用在切削刃上”，此次設計的三頭牙螺紋刀具通過模擬對比與實際的加工觀測，很好的證明了其實用價值，非常適合雙頭梯形螺紋的車削加工。同樣我們也深信這個設計會給雙頭或多頭螺紋車削加工領域帶來很好的啟發。