（天津重型装备工程研究有限公司冷工艺部天津300457）
摘要：大尺寸高精度螺纹（主要为梯形及锯齿形螺纹）广泛应用于重型机械行业，由于其齿槽深，牙型角小，且齿面光洁度要求高，普遍达Ra1.6。因此在加工过程中，切削余量大，刀具抗力大，排屑困难，表面粗糙度难以达到加工要求，需要打磨处理。针对此问题，本文研究了一种基于参数宏程序的大尺寸高精度螺纹数控车削方法，在不使用特殊刀具和辅具的情况下，通过编制通用性参数化宏程序，成功加工出表面光洁度达Ra1.6的大尺寸高精度螺纹面。此方法不但通用型好，不需要使用匹配牙型角的特制刀具，不受牙型角的约束，可广泛应用于各种大尺寸高精度螺纹加工，如重载钻杆连接处的梯形螺纹，轧制设备压下螺丝的锯齿形螺纹等；而且质量稳定性较高，减少操作工水平对工件质量的影响。在各种大尺寸高精度螺纹加工中，可有效的提高加工的成功率。
关键词：大尺寸螺纹，车削，高精度，宏程序
1简介
梯形螺纹是机械设备中常见螺纹的一种，牙型为等腰梯形，牙型角一般为30。内外螺纹以锥面贴紧不易松动，因此常应用于各种需要承担重载荷的连接件中，如重型深孔钻镗床中钻杆之间、钻杆与镗头之间的连接。同时，梯形螺纹还是一种常见的传动用螺纹，与矩形螺纹相比，虽然传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。
在重型机械行业中，常见的梯形螺纹尺寸都比较大，通常直径不小于200mm，螺距不小于30mm，牙高不小于10mm，而且齿面粗糙度要求较高，普遍达Ra1.6。因此，在实际加工中，由于梯形螺纹相对于同等公称尺寸的三角形螺纹来说，螺距和牙高都比较大，牙型角较小，导致在加工过程中，切削余量大，吃刀较深，刀具抗力大，排屑困难，容易形成积屑瘤，表面粗糙度和精度难以达到加工要求，具有很大的加工难度。
因此，本文介绍了一种基于参数化宏程序的大尺寸高精度梯形螺纹数控车削方法，用于解决此问题。
图1直线进刀法
2大尺寸高精度螺纹数控车削工艺分析
本节通过对切削方法，刀具选用和数控程序编制等方面进行研究和分析，提出了相应的解决方法。
2.1车削方法分析
在螺纹车削中，目前有几种常见的方法，包括直线进刀法，交错进刀法，开槽粗精加工法等。本节在分析各种切削方法的优缺点同时，提出了一种新的加工方法，包络成形粗精加工法。
2.1.1直线进刀法
所谓直线进刀法，是指使用成形车刀，在X轴方向上进行多次垂直进刀，完成螺纹的切削。
这种切削方法操作简单，同时可以获得正确的齿型，但是由于在切削过程中，三侧切削刃同时进行切削，切削力较大，会产生非常剧烈的切削振动和切削热，从而导致齿面粗糙度急剧下降，严重时会导致刀具折断。因此，此种切削方法只适用于切削尺寸较小的梯形螺纹，在进行大尺寸梯形螺纹加工中，并不常用。
2.1.2交错进刀法
所谓交错进刀法，是指使用成形车刀，在X轴方向上进行垂直进刀的同时，在Z方向反复交错进刀，完成螺纹的切削。
与直线进刀法不同，交错进刀法避免了三侧刀刃同时切削，震动相对较小，同时排屑性好。但是随着切削深度增加，刀刃切削的长度逐步增加，切削抗力急剧增大，难以保证齿面粗糙度，同时不同牙型角的螺纹（如非标锯齿形螺纹），需要定制专用刀具，增加了加工成本。
图2交错进刀法
2.1.3开槽粗精加工法
所谓开槽粗精加工法，是指先用开槽刀具，数控粗加工出螺旋槽，再使用成形刀具单边靠螺纹侧面，精加工出螺纹的方法。目前，作者所在单位经常使用此种方法，操作者使用自行磨制的单侧高速钢车刀加工螺纹面。
但此种方法具有明显的不足：
（1）自制刀具刀刃直线度不好，质量也不稳定，前角等参数依靠经验，理论依据不足；
（2）刀刃接触线长，加工抗力大，导致螺纹面粗糙度不足；
（3）车削的参数不确定，靠操作者经验，造成螺纹面精加工质量非常不稳定，只有偶尔能够加工达到要求。
2.1.4包络成形粗精加工法
在前几种方法的基础上，作者提出一种包络成形粗精加工法。此方法是指，使用合金刀具（以切槽刀为主），将整个螺纹槽分成多层，在每层上横向切削一个长度，最终形成一个两侧有余量的螺纹槽。在粗加工过程中，可以在刀具承受的范围内尽量增大层深，以期获得更好的加工效率。粗加工完成后，同样使用切槽刀进行精加工螺纹槽侧面，与传统层切法不同，包络成形粗精加工法在精加工过程中不使用与牙型角一致的成型精车刀，而是用端部有0.2-0.8mm圆角的硬质合金槽车刀。使用槽车刀刀尖圆角分层包络形成螺纹槽侧面，由于切削量小，引起的机床震动和让刀现象较小，当层深满足几何条件时，可以达到非常优良的表面粗糙度。而数控加工技术又使得此种方法不受牙型角的限制，只需槽刀宽度小于螺纹槽底宽即可。
图5加工刀具
2.3测量方法分析
（1）样板测量
在加工过程中，为了保证螺纹槽的宽度满足公差，需要借助齿形样板来进行测量，并进行调整，防止加工超差。
（2）三针测量法
三针测量法检测梯形螺纹的精度。测量时，在螺纹槽内放入具有相同直径d0的三根量针，然后用千分尺测量尺寸M的大小，从而计算出螺纹中径d2。对于梯形螺纹而言，公式如下：
M=d2+4.864d0-1.866,d0=0.518P，
式中:M-加入三针后千分尺读数;d2-螺纹中径;d0-测针直径;P-螺距
（3）粗糙度测量
通常粗糙度测量有三种方法，触摸法，粗糙度仪和对比样块。由于作者所在单位粗糙度仪结构限制，测头无法完全接触螺纹槽侧面，所以采用对比样块测量为主，触摸法为辅的粗糙度测量方法。
3大尺寸高精度梯形螺纹参数化宏程序编制
3.1确定切削基本流程
图6基本切削流程
3.2宏程序编制
根据西门子840D数控系统，进行了宏程序的编制。程序中刀具左侧刀尖对刀，针对不同规格螺纹，只需修改相应的参数既可。
;粗加工程序
N5G00G90G54G64X240Z10M03S_F_
N10R1=_（外螺纹大径）R2=_（外螺纹小径）R3=_（层深量）R6=_(侧留量)R7=_(外螺纹中径)R8=_（齿厚）R10=15（牙型角）R5=(20-R8)-TAN(R10)*(R7-R2)-R6(槽底宽)
N15AA：
N20R4=TAN(R10)*(R1-R2)/2
;单头螺纹
N25G00Z-30
N30G01X=R1
N35G33Z-225K60SF=0
N40G00X240
N45G00Z=-30-R4-(R5-4)/2
N50G01X=R1
N55G33Z-225K60SF=0
N60G00X240
N65G00Z=-30+R4+(R5-4)/2
N75G01X=R1
N80G33Z-225K60SF=0
N85G00X240
N90R1=R1-R3
N95IFR1>=R2GOTOBAA
N100G00Z10
N105M30
；精加工程序（单侧）
N5G00G90G54G64X240Z10M03S_F_
N10R1=_（外螺纹大径）R2=_（外螺纹小径）R3=_（层深量）R7=_(外螺纹中径)R8=_（齿厚）R10=15（牙型角）R5=(20-R8)-TAN(R10)*(R7-R2)(槽底宽)
N15AA：
N20R4=TAN(R10)*(R1-R2)/2
;单头螺纹
N45G00Z=-30-R4-(R5-4)/2
N50G01X=R1
N55G33Z-225K60SF=0
N60G00X240
N75R1=R1-R3
N80IFR1>=R2GOTOBAA
N85G00Z10
N90M30
4大尺寸高精度梯形螺纹加工试验
为了验证方法的正确性，选择了一件工件进行了加工试验。
4.1螺纹基本尺寸和要求
此螺纹基本尺寸及要求如图7所示：
图7螺纹基本尺寸及要求
4.2加工参数的选择
加工机床为数控卧式车床，数控系统为西门子840D系统，了减小震动，提高精度，采用一夹一顶的装夹方式。机床转速S值为24rad/s，进给率F值由机床G33指令，根据螺距值计算而成。
为了研究精加工切削层深对螺纹槽侧面粗糙度的影响，进行了三组不同切削层深的试验：
（1）层深0.1mm，加冷却润滑
（2）层深0.05mm，加冷却润滑
（3）层深0.01mm，加冷却润滑
4.3加工试验结果
经过加工试验与测量，发现各尺寸公差均可满足要求，层深0.05mm时，螺旋槽侧面粗糙度既可达到Ra1.6的要求，层深0.01mm时，粗糙度虽更好，但相对加工效率会有一定幅度降低。
图8加工完成的螺纹
5结论
通过加工试验证明，采用包络成形粗精加工法能够在不使用特殊刀具和辅具的情况下，通过编制通用性参数化宏程序，加工出表面光洁度达Ra1.6的大尺寸高精度螺纹面。此方法不但通用型好，不受牙形角的约束，可广泛应用于各种大尺寸高精度螺纹面加工，如重载钻杆连接处的梯形螺纹，轧制设备压下螺丝的锯齿形螺纹等；而且质量稳定性较高，减少操作工水平对工件质量的影响，在各种大尺寸高精度螺纹加工中，可有效的提高加工的质量。
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