數控車削大螺距三角形螺紋加工方法研究

摘 要：【目的】使用大螺距螺紋車削在保證加工質量的同時，提高加工效率。【方法】以大螺距三角形螺紋為例，對加工方法進行研究，參考不同的車削法的分析與試驗，并對其進行優化。【結果】相較于傳統加工方法，使用數控車削三角形大螺距螺紋加工法，加工效率提升2～3倍。通過刀具設計、材料選擇等，解決了三角形大螺距螺紋在數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，在保證螺紋加工質量的前提下，大幅提高生產效率，降低生產成本。【結論】本研究為數控車削大螺距三角形螺紋在螺紋車刀設計方面提供了重要參考依據，具有推廣價值。

關鍵詞：三角形螺紋；大螺距螺紋；螺紋車刀；車刀參數；刀具設計

中圖分類號：TG519.1" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：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，如直進法、斜進法、左右切削法、分層法等^［1-4］。對大螺距螺紋的車削，其螺距和牙型相對都比較大，牙型兩側表面粗糙度值相對較小，因而車削余量大。隨著分層次數的增多，車削深度增加，車削阻力增大，刀具、工件的溫度會迅速升高，從而使工藝系統剛性不足、刀具磨損加快，導致加工質量難以保證，且生產成本較高、效率較低。雖然數控車削螺紋效率較高，但車削過程中若出現扎刀等現象，會導致螺紋無法繼續加工，使正在加工的零部件變成廢品或半成品，因此，在采用數控車削大螺距螺紋時難度較大。

1 零件加工技術要求及工藝分析

本研究的零件示意如圖1所示。根據其結構特點，對該零件螺紋部分加工工藝進行分析。加工要求為零件加工表面上不應有劃痕、擦損等損傷零件表面的缺陷，零件的材料為45#鋼，進行調質處理。45#鋼具有強度較高、耐磨性較好的優點，被廣泛應用于傳動軸、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，根據2.5 mm螺距以下螺紋的加工參數進行設置時，會造成切削參數設置不合理，影響數控車床使用性能的發揮，甚至直接導致該零價加工廢品率提高。當吃刀深度、走刀速度、主軸轉速、切削余量等較大時，再加上其公稱直徑較大，在車削螺紋時，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，會引起工藝系統剛性不足，從而產生震動，易產生“扎刀”和“爆刀”現象，進而導致刀具無法參與車削或螺紋加工表面質量不達標、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。當吃刀深度、走刀速度、主軸轉速、切削余量等值較小時，雖然在車削過程中切削平穩，最終加工出的零件也符合要求，但加工效率較低。經過多次試驗，在車削大螺距螺紋時，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剛性，尤其是工件的定位與裝夾，防止零件在車削時掉落，出現安全隱患。隨著車削螺紋過程中溫度的持續提高，刀具隨時都會進入劇烈磨損階段，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，降低了刀具使用壽命，增加了螺紋車削加工輔助時間，為批量加工增加了制造成本，導致該螺紋的數控車削加工難度較大。

2 刀具設計及選擇

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］。經過多次實踐驗證發現，無論是焊接車刀，還是機架車刀，在車削螺距小于3 mm的三角形螺紋時，都具備相同的表面加工質量和加工效率。在刀具使用壽命和尺寸精度上，機架刀好于焊接車刀。但對大于3 mm螺距的三角形螺紋進行車削時，同樣存在刀具使用壽命大幅縮短的現象。這是由于車削螺紋時，線速度較高，再加上刀具與工件劇烈摩擦，不宜散熱，導致切削溫度升高。在加工螺紋時，刀具磨損主要來自前刀面，隨著刀具進入劇烈磨損階段，會對切削刃的正常車削產生威脅，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，都會使刀具產生磨損，從而造成主切削刃變形或破損，加工出不合格的螺紋。這是因為刀具參數不合理，強度較差，切削區域瞬時溫度較高，刀具磨損、變形，導致零件車削尺寸發生變化或變形。

經多次刀具刃磨試驗，得到的螺紋刀截面刀具參數如圖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，兩邊盡量保證對稱，參與切削的一面，可適當增大后角，刀尖圓弧半徑及修光刃可根據螺距大小確定，隨著螺距的增加而增大，有利于提高刀具強度及螺紋加工表面質量。當A刃磨角度較小，會使切削刃變鈍，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，甚至會影響表面質量及螺紋參數。這樣設計能提高刀具強度，為高速高效的螺紋加工創造條件。同時，刀具前后刀面還需要具備較高表面質量，當切削流過前刀面，并對前刀面進行磨損時，應保證切削刃時刻處于鋒利狀態，以便提高切削流速，為散熱創造有利條件，減少前后刀面磨損程度，延長刀具使用壽命。根據斷削情況，為提高刀具強度，可不用磨斷削槽，經多次實踐驗證，對加工公稱直徑在70 mm以上的大螺距螺紋，由于車削時線速度較高，切削流速較快，結合刀具形狀，需要魚脊背的前刀面充當斷削槽，使車削無法纏繞工件，遠離加工表面。對公稱直徑較小的大螺距螺紋，因車削時線速度較低，斷削相對較為困難，在不影響刀具整體結構的前提下，可適當磨出較小的斷削槽。這樣不僅不影響表面加工質量，還能大幅提高生產效率，與傳統螺紋車刀相比，在批量件加工時，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，經實踐驗證，鎢鈷類硬質合金（YG）材料刀具的工藝性較好，但耐磨性較差；鎢鈦鈷類硬質合金（YT）在綜合性上優于YG；鎢鈦鉭鈷類通用合金（YW）在綜合性上優于YT。雖然涂層材料在性能上有一定的優勢，但受長時間車削帶來的高溫影響，且車削螺紋時，速度較快不易散熱，導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。結合刀具參數，對圖1所示的零件進行批量加工，對材料硬度為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、實踐驗證，綜合各項指標、參數，得出結論，優先選用YW2。

4 編程方法的選擇

車削較大螺距螺紋時，通過把牙槽分成若干層，一層一層進行車削，每層深度由工件材料、刀具材料等決定。轉化成若干個較小的吃刀深度來進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車削的方法，背吃刀量較小，刀具只需沿牙形線進行切削，螺紋車刀始終只有一個側刃參加切削，使得排屑比較順利，刀尖的受力和受熱情況有所改善，保證加工質量，提高刀具使用壽命和生產效率。但對數控車來說，只有使用G32指令配合宏程序才能實現左右分層車削，這樣雖能有效降低牙型的變形程度，但其車削運行時間較長，反而加劇刀具磨損。對于傳統的螺紋車刀，無論是機夾還是焊接車刀，在車削大螺距螺紋時，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法。

以FANUC數控系統為例，在車削大螺距螺紋時，不宜直接使用G32、G92指令編程， 因為G32、G92指令屬直進法指令，尤其是G92指令，該指令在系統參數設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，容易讓刀具和φ120 mm的端面發生碰撞。但作為圖3所示的螺紋車刀，經過多次實踐驗證，采用直進法車削，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置，第一刀車削深度，螺距越大該值可相應放大，程序編寫方便、簡單，加工過程中始終保持一個主切削刃和刀尖參與車削^［1-2］。極大減小主切削力，同時為散熱創造一定空間，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，雖可實現左右分層車削與直進法的無縫對接，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置都很小，生產效率較低，程序編寫相對比較復雜，螺紋加工精度完全由刀具參數和編程數值決定，且加工質量難以保證。

通過對G32、G92、G76指令及本研究所設計的螺紋車刀的車削特點進行分析，經過實踐得出以下結論：在大螺距螺紋車削時，優先選用G76；在小于或等于6 mm螺距的三角形螺紋車削時，且退刀較大的情況下，可選用G92。加工參數見表1。

5 結語

本研究主要對大螺距三角形螺紋加工方法進行研究，通過刀具設計等方法，在車削加工技術上有所創新，同時解決了大螺距三角形螺紋在數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，保證螺紋零件的加工質量，相較于傳統的螺紋車刀，該方法更具優勢。

參考文獻：

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［7］劉蔡保.數控車床編程與操作［M］.北京：化學工業出版社，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：機械制造；年得君（1987—），男，本科，講師，研究方向：機械制造。

通信作者：余正存（1987—），男，本科，助理講師，研究方向：機械制造。