階梯柱狀螺紋的車削加工問題解析

陳移新，鄧集華

（1.廣州市機電技師學院，廣州 510000；2.廣州市交通運輸職業學校，廣州 510440）

0 引言

種植牙手術是一個較小的牙槽外科手術，采用局部麻醉，創傷小，術后即可進食，幾乎無痛苦。一般種植體植入術只需要幾十分鐘至數小時即可以完成。典型的種植系統為陶瓷階梯柱狀種植體，如圖1 所示。其階梯狀外形模仿了天然牙根的錐狀外形，由于其根部逐漸縮窄，不易造成鄰近牙根部的損傷，因此在當今國際上倍受推崇。本文從鉆研加工技術的角度出發，以10∶1的種植體模型為例，探索種植體外形的階梯柱狀螺紋的數控車削加工方案。

圖1 典型種植體

1 分析零件圖樣

本文僅研究種植體外形結構的螺紋加工技術，即階梯柱狀螺紋的加工，螺紋實體如圖1 所示。經處理后的零件圖樣如圖2所示，該種植體有以下3段螺紋。

（1）母線夾角為16°的60°三角螺紋，螺距為6 mm，右旋，螺紋深度為3.3 mm。

（2）母線夾角為4.24°的60°三角螺紋，螺距為6 mm，右旋，螺紋深度為3.3 mm。

（3）母線夾角為4.24°的60°三角螺紋，螺距為6 mm，右旋，螺紋深度為1.7 mm。

圖2 種植體階梯螺紋圖樣

2 優化加工方案

2.1 加工難點

經分析，種植體的階梯螺紋加工難點主要體現在3 段螺紋的連接與加工刀具的問題。

（1）螺紋進刀、退刀距離導致螺紋連接處亂絲

利用數控車床加工螺紋時，在螺紋切削開始及結束部分，一般由于升降速的原因，會出現導程不正確部分［1］。考慮此因素影響，程序指令中，螺紋的切削長度比實際螺紋的有效長度要長。一般需要分別在螺紋起點、終點位置各延長一段進刀、退刀的安全距離，以消除加工時由主軸升速、降速所導致的誤差，如圖3所示。其中δ1為升速距離，δ2為降速距離，兩數值一般大于一個螺距值［1］。

圖3 G32 螺紋切削軌跡圖

本文所加工的3段階梯螺紋首尾相連，除了第一段螺紋可以延長進刀距離外，其他兩段螺紋都沒有條件設置進刀距離，所有螺紋都沒有條件設置退刀距離，否則會造成每兩段螺紋的連接處亂絲。

（2）分段加工螺紋導致螺紋連接處亂絲

數控車床在加工螺紋時，根據刀具運動與主軸旋轉同步，可以切螺紋。其原理是主軸每旋轉一圈刀具進給一個螺距，即切削進給量為螺距，該值由機床的編碼器控制保證［2］。主軸轉動而刀具不產生相應的進給運動，則會導致最后一道牙形亂絲。所以，當加工完成前一段螺紋后，再加工下一段螺紋的方法，即分段加工方法，3 段螺紋的連接處會形成亂絲現象。

（3）螺紋深度變化導致連接處亂絲

如圖2 局部放大圖Ⅱ、Ⅰ所示，第二段螺紋的牙深為3.3 mm，第三段螺紋的牙深變為1.7。要實現牙深的改變，必須使刀具在螺紋深度方向退刀［3］。常規的退刀采用G00指令完成，會造成第二段螺紋與第三道螺紋連接處亂絲，如圖4所示。

（4）刀具選用問題

三段螺紋均為60°普通螺紋，螺紋最大加工深度為3.3 mm，螺距為6 mm，且螺紋槽底有R1圓弧，市面沒有符合要求的成形螺紋刀具。

2.2 解決方案

針對上述兩處加工難點，提出以下解決方案。

（1）加工螺紋時，選用G32 單行程螺紋切削指令，由程序內容嚴格控制螺紋的進刀與退刀距離。

G32指令的格式：G32 X （U）_Z（W）_F_。

式中：X、Z為螺紋切削終點的絕對坐標值；U、W 為螺紋切削終點的增量坐標值；F 為螺紋切削的導程，如加工螺紋是單線螺紋，導程＝螺距［4］。

圖4 螺紋亂絲

G32 指令的走刀軌跡：如圖3 所示，G32 切削前需要利用其他指令使刀尖定位至起點；G32 切削完成后，需要利用其他指令使刀尖離開終點［1］。

G32指令的切削特性：當前執行程序段是螺紋切削，下一個程序段也為螺紋切削時，執行下一個程序段切削開始時，不檢測一轉信號，直接開始螺紋切削的移動［4］。

例如：G32 X28 Z-20 F6；（當前程序段為螺紋切削）。

G32 X42 Z-50 F6；（在執行此程序段時，不檢測一轉信號）。

利用G32指令的切削特性，編寫階梯柱狀螺紋時，第一階螺紋的起點設置進刀距離，其他兩階螺紋均不設置進刀距離與退刀距離。利用G32指令連續加工，可以規避G32 運行前的檢測一轉信號動作，從而避免亂絲現象［5］。

（2）采取3段螺紋整體分層切削方案。即深度方向每進1次刀，3段螺紋依次連續加工1 次，然后再進刀，3 段螺紋再次連續加工，連接處不停頓，直至3 段螺紋整體分層加工至尺寸要求。分層切削可采用子程序的編程方法，也可采用宏程序的編程方法。子程序編程簡單易學，但切削深度必須根據子程序的調用次數計算準確，精加工時空刀太多，加工效率不高；宏程序編程要求較高，切削深度用變量直接指定，精加工時只需更改相應變量，無空刀現象。故本文選擇宏程序編程方法［6］。

（3）設置過渡螺紋

在第二段螺紋與第三段螺紋之間，設置一段牙型角為60°的過渡三角螺紋，螺距為6 mm，右旋，過渡長度為7.5 mm，螺紋深度從3.3 mm變為1.7 mm。該過渡螺紋的終點與起點的半徑差值應該是在原來4.24°螺紋母線變化的基礎上，增加3.3-1.7 ＝1.6 mm，如圖5 所示。圖中：CD 為4.24°螺紋母線，則α ＝ 2.12°；CD′為螺紋深度從3.3 mm 變為1.7 mm 時過渡螺紋的母線，即編程時刀具的實際走刀軌跡，點D′相對于點C 的半徑差值為線段CN與DD′之和。

因為CN ＝ DN × tanα ＝ 7.5 × tan2.12° ＝ 0.28，所以點CD′的半徑差值為CN + DD′＝0.28 + 1.6 ＝1.88。從點C切削螺絲至點D′的程序為G32 U3.76 W-7.5 F6（此處U 值為直徑值）。利用G32 單行程螺紋切削指令過渡，從而解決螺紋深度變化而導致的亂絲。

（4）定制螺紋成形刀具

根據螺紋參數的要求，必須定制螺紋成形刀具。由于3段螺紋為整體分層切削，導致加工第三段螺紋時不能更換刀具，故3段螺紋加工選用同一把成形刀具。

定制刀具采用切削刃鋒利的整體式高速鋼（W6Mo5Cr4V2）材質，利用線切割機床切割刀具形狀，然后手工精磨修刃。由于階梯柱狀螺紋的螺距為6 mm，屬大螺距螺紋加工。需要特別注意刀具左后刀面干涉螺紋牙形面的現象，即左后角必須大于螺紋升角3°～5°。刀具的具體參數如表1 所示［7］。

圖5 過渡螺紋母線

表1 螺紋刀具參數表

3 編寫加工程序

圖6 節點尺寸

種植體模型的4段螺紋母線輪廓及各節點尺寸如圖6 所示。點S為螺紋加工起點，即AB母線的延長點；AB 段為第一段螺紋；BC段為第二段螺紋；CD段為過渡螺紋；DE段為第三段螺紋。

設工件坐標系XOZ如圖6 所示。螺紋加工程序及說明如表2所示。

表2 種植體階梯螺紋的加工程序

4 結束語

本文是基于深入剖析階梯柱狀螺紋的結構特征、充分熟悉數控系統性能特點，從研究加工技術層面進行深入實踐的經驗總結。文中采用的大螺距螺紋切削進刀方法為直進法，由于采用宏程序編程的方法，每次進刀深度為0.05 mm，加工時的切削力較小，刀具強度完全能夠承受，故直進刀法適用。如果要提升加工效率，可增大螺紋加工的每次進刀深度，但切削力就會成指數倍增加，此時就要相應地改變螺紋進刀方法，采用斜進法、分層進刀法［8］等，以減少切削力，保證安全生產。實踐證明，利用經濟型數控車床980TDc 數控系統，完全能夠加工出符合質量要求的種植體模型的階梯柱狀螺紋，方法科學有效。