小孔徑布錐管螺紋氣瓶瓶口加工工藝分析及數控加工程序編制

劉輝

摘 要：傳統的高壓氣瓶瓶口螺紋通常采用布錐管螺紋，其優點很多：連接方便，密封可靠，可與標準閥體連接，允許多次重復使用。傳統的氣瓶瓶體通常采用熱旋壓技術加工而成，其瓶壁很厚，加工錐螺紋時通常夾持圓柱瓶身，使用專用錐形絲錐加工或專用氣瓶螺紋數控設備。由于市場需求，中低壓氣瓶及各種滅火器種類不斷增加，瓶口密封形式日趨多樣化，瓶體壁厚相對傳統氣瓶變薄很多，常采用拉伸與焊接工藝制造，重量大大降低。但采用小孔徑布錐管螺紋瓶口的中低壓氣瓶種類較少，并不是該種螺紋優點少，主要是加工該型螺紋受到如下工藝問題的限制：1.新型中低壓氣瓶瓶體通常采用鋼板拉伸而成，瓶口作為單獨零件與瓶體上、下封頭焊接而成為整個氣瓶瓶體，瓶體壁厚較薄，若夾持其瓶體加工螺紋，會使其產生一定的變形及損傷;2.若使用絲錐先行加工單獨的瓶口配件，因攻絲產生的扭力很大，夾持較小瓶口配件外圓表面攻絲時，瓶口配件容易相對夾具產生竄動造成工件及絲錐損壞;3.采用專用氣瓶螺紋加工設備加工瓶口螺紋通常使用專用銑刀，而用該方法加工小孔徑錐螺紋時，因銑刀的幾何尺寸過小，使刀具制造難度加大，同時小 銑刀的低剛性會導致加工效率和質量降低;4.采用普通數控車床加工小孔徑錐螺紋瓶口配件（例如PZ19.2），因孔徑小（13mm）而螺距大（1.814mm），牙型角垂直于母線而非軸線，沒有對應的標準數控車床用內孔螺紋刀桿和刀片，加工過程中排屑困難，加工質量難以控制。本論文主要針對第4種工藝問題進行分析和提出已經實際驗證的詳細解決方案。

關鍵詞：錐螺紋;加工;分析

一、瓶體制造工藝分析

（一）瓶體上封頭與瓶口配件焊接示意圖：

（二）瓶體制造工藝過程：

1. 上、下封頭制造（包括下料、拉伸、切邊、坡口車削等工序）;

2. 瓶口配件制造（包括下料、粗車外形、鉆孔、精車內孔及螺紋等工序）;

3. 上封頭與瓶口配件焊接;

4. 下封頭與上封頭焊接;

5. 瓶體強度及密封性檢驗（水壓試驗、氣密試驗等）。

二、瓶口配件制造工藝分析

（一）瓶口配件簡圖：

（二）瓶口配件制造工藝過程：

1. 下料（φ30×300棒料，20#低碳鋼）;

2. 車外圓、止口、鉆孔、切斷（使用設備：數控車床CAK3665nzi）;

3. 精車螺紋底孔、倒內外角、車PZ19.2內螺紋（使用設備：數控車床CAK3665nzi）。

三、螺紋刀具制造、中心規制造及對刀

（一）刀具制造：

1.刀具材料：優質高速鋼W18Cr4V、14×14方形刀條。

2. 刀具刃磨：① 刀尖角54.5°～55°;

② 徑向前角3°～5°;

③ 刀具兩切削刃的對稱中心線與刀桿夾角不是90°，而是86°34′。（見圖1）

（二）中心規制造：

1. 中心規型號：55°三角;

2. 磨削中心規一短側邊，使其與二長側邊（即對刀時的工件軸心線）成86°34′夾角。（見圖1）

（三）對刀（見圖1）

四、PZ19.2內螺紋加工使用固定循環指令G92與使用復合循環指令G76切削效果分析

（一）使用固定螺紋切削循環指令G92加工PZ19.2內螺紋時，由于刀具兩切削刃始終同時切削，且受力不均，當切至最后幾刀時，極易發生震顫，導致工件加工質量降低及刀具的損壞。兩切削刃受力分析圖如下：

假設完成總切深的第n刀切削切深為△h，螺紋工作高度經計算為1.165mm，右側刀刃切削面積為Q1=△h×1.165×tg30.9°;左側刀刃切削面積為Q2=△h×1.165×tg24.1°。對于一般結構鋼，主切削力經驗公式為FZ=τS×Q×（1.4ξ+k），公式中Q為切削面積。由此得出兩側刀刃主切削力比值為FZ1/FZ2= tg30.9°/tg24.1°=1.337。若設左側刀刃切削中所受軸向抗力與徑向抗力矢量和為FXY2，則右側刀刃切削中所受軸向抗力與徑向抗力矢量和為1.3FXY2。右側刀刃所受徑向抗力Fy1=1.3×FXY2×cos59.07°=0.668FXY2，左側刀刃所受徑向抗力Fy2= FXY2×cos65.93°=0.407 FXY2 。右側刀刃所受走刀抗力FX1=1.3×FXY2×sin59.07°=1.11 FXY2，方向向左;左側刀刃所受走刀抗力FX2= FXY2×sin65.93°=0.913 FXY2 ，方向向右。由此得出結論：右側刀刃所受吃刀抗力Fy及走刀抗力FX均大于左側刀刃所受相應抗力，因而工件對刀具的軸向合力方向向左，與刀具運行方向相同，易造成刀具的軸向竄動從而引發震顫。（與順銑易產生震顫的原理相同）

（二）使用復合固定循環指令G76加工PZ19.2螺紋時，粗車過程中始終用左側一個刀刃進行切削，工件對刀具的軸向力向右，與刀具運行方向相反。該種進刀方式減小了切削阻力，避免了刀具震顫，提高了刀具壽命，為螺紋的精車質量提供了保證。但G76指令設定的錐螺紋牙型角垂直于軸線而非母線，而PZ19.2的螺紋牙型角垂直于母線，這就需要進行相應的計算，得出對應的牙型角值。角度計算示意圖如下：

PZ19.2錐螺紋牙尖角為55°，半錐角為3.43°，經計算，若使用G76代碼加工PZ19.2螺紋，對應的牙型角應為61.87°。而G76代碼只允許使用整數角度，則應首選61°、62°兩種：圖3所示為使用G76代碼加工PZ19.2錐螺紋選用61°牙型角加工螺紋的示意圖。假設螺紋刀刃磨角度為53.26°（實際應為54.5°～55°），且安裝刀具時讓刀具右側刃與修磨后的中心規呈0.87°/2 = 0.435°夾角（實際應呈0～0.25°夾角），即使加工后的螺紋牙型角為53.26°，則與PZ19.2理想牙型的徑向偏差為0.03mm。

圖4所示為使用G76代碼加工PZ19.2錐螺紋選用62°牙型角加工螺紋的示意圖，假設螺紋刀刃磨角度為55.26°（實際應為54.5°～55°），且安裝刀具時讓刀具右側刃與修磨后的中心規呈-0.13°夾角（實際應呈0～0.25°夾角），即使加工后的螺紋牙型角為55.26°，則與PZ19.2理想牙型的徑向偏差為0.005mm。

綜上所述，實際加工螺紋時，刀具刃磨角度為54.5°～55°，按圖1所示方法安裝刀具及對刀，所用G76代碼的R參數（精加工余量）大于0.03mm，即可消除G76代碼粗加工的牙型角偏差（牙型角選61°或62°），即精加工后的實際牙型角由刀具決定。

現初步將第一次螺紋切削深度△d定為0.27mm，精車余量定為0.03，對應牙型角選為61°，將△d=0.27代入公式△d×√n = 1.15-0.03=1.12，計算得出n =17.2，圓整取為n = 18將其代入公式△d×√n =1.12 ，精確計算得出△d = 0.264mm。進一步計算螺紋粗車時的最小切削量△dmin ≤（ ）×0.264 = 0.0315即可，若設定轉速為750（轉/分），螺距1.814（mm），精車次數定位4次，則總切削長度32×（18+4）=704（mm），螺紋需切削時間約為38秒。現將經過實際驗證的加工程序（已完成3000件）公布如下：

……（車內孔錐面及倒角程序段）;

G00 Z150;

T0404;

G00 X13 Z15;

Z2;

G76 P040361 Q315 R0.03;

G76 X15.45 Z-30 R1.915 P1150 Q2640 I14;

……;

各參數取值如下：

1. 精車次數：4;

2. 螺紋退尾長度：0.3×1.814 = 0.54（mm）;

3. 牙型角：61°;

4. 螺紋粗車時的最小切削量：0.0315（mm）;（半徑值）

5. 螺紋精車的切削量：0.03（mm）;（半徑值）

6. 螺紋錐度：1.915;（32mm長）

7. 螺紋牙高：1.15mm;

8. 第一次螺紋切削深度：0.264（mm）;（半徑值）

該批次產品螺紋表面粗糙度Ra值約為3.2μm，拋開樣件檢測牙型角符合量具要求，產品中徑一致性優于絲錐加工方法。

（沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159）