螺纹轴的加工与分析

绪论随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。

在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高薪技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集体化、智能化起着举足轻重的作用。

同时，市场对产品的质量和生产效率提出了越来越高的要求。

根据数控车削加工的工艺方法，安排工序的先后顺序，确定刀具的选择和切削用量的选择等设计。

一般生产加工中，螺纹的加工方式多采用攻丝这种传统工艺，随着数控技术的发展、软件的创新、控制精度的提高、三轴联动或多轴联动数控系统的产生及其在生产领域的广泛应用，相应的先进加工工艺——螺纹铣削逐渐得以实现，其加工精度、光洁度以及柔性是攻丝无法比拟的，另外其经济性在某种情况下也更优于传统工艺。

良好的结构工艺性，可以使零件加工容易，节省工时和材料。

而较差的零件零件工艺性，会使加工困难，浪费工时和材料，有时甚至无法加工。

因此，零件各加工部位的结构工艺性应符合数控加工的特点。

1 螺纹的简述1.1螺纹的介绍螺纹的形成。

一个与轴线共面的平面图形（三角形、梯形等）沿圆柱面作螺旋运动所生成的螺旋体，工程上称之为螺纹。

如图1.1。

外螺纹内螺纹图1.1在圆柱或圆锥母体表面上制出的螺旋线形的、具有特定截面的连续凸起部分。

螺纹按其母体形状分为圆柱螺纹黑圆锥螺纹；按其在母体所处的位置分为外螺纹、内螺纹（如图1.2，按其截面形状（牙型）分为三角螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹及其他特殊形螺纹，三角形螺纹主要用于连接，矩形、梯形和锯齿形罗螺纹主要用于传动；按螺旋线方向分为左旋螺纹和右旋螺纹，一般用右旋螺纹；按螺旋线的数量分为单线螺纹和双线螺纹及多线螺纹；连接用的多为单线螺纹，传动用的采用双线或多线；按牙的大小分为粗牙螺纹和细牙螺纹等，按适用场合和功能不同，可分为紧固螺纹、管螺纹、传动螺纹、专用螺纹等。

图1.2外螺纹内螺纹1.2 螺纹分类1、螺纹种类螺纹按用途可分为联接螺纹和传动螺纹两类。

常用标准螺纹的种类及用途可参看表1。

2、螺纹标记的标注当螺纹精度要求较高时，除标注螺纹代号外，还应标注螺纹公差带代号和螺纹旋合长度。

螺纹标记的标注格式为：螺纹代号+螺纹公差带代号(中径、顶径)+旋合长度。

例如；M36X3M代表普通三角形螺纹36代表公称直径3代表螺距1.3 圆柱螺纹的主要几何参数①外径（大径），与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱体直径。

螺纹的公称直径即大径。

②内径（小径），与外螺纹牙底或内螺纹牙顶相重合的假想圆柱体直径。

③中径，母线通过牙型上凸起和沟槽两者宽度相等的假想圆柱体直径。

④螺距，相邻牙在半径线上对应两点间的轴向距离。

⑤导程，同一螺旋线上相邻牙在中径线上对应两点间的轴向距离。

⑥牙型角，螺纹牙型上相邻两牙侧间的夹角。

⑦螺纹升角，中径圆柱上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面之间的夹角。

⑧工作高度，两相配合螺纹牙型上相互重合部分在垂直于螺纹轴线方向上的距离等。

螺纹的公称直径除管螺纹以管子内径为公称直径外，其余都以外径为公称直径。

螺纹已标准化，有米制（公制）和英制两种。

国际标准采用米制，中国也采用米制。

图1.3H＝0.866P d=d–0.6495P d1=d–1.0825P α=60°2D、d－内、外螺纹大径D、d2－内、外螺纹中径D1、d1－内、外螺纹小径2P－螺距2 三角螺纹的加工2.1 螺纹加工概念及加工工艺螺纹加工是在圆柱上加工出特殊形状螺旋槽的过程，螺纹的常见的用途是连接紧固、传递运动等。

螺纹常见的加工方法有：滚丝或螺纹成型、攻丝、铣削螺纹、车削螺纹等。

CNC车床可加工出高质量的螺纹，本章主要用CNC车床车削螺纹的工艺编程方法。

车削螺纹加工是在车床上，控制进给运动与主轴旋转同步，加工特殊形状螺旋槽的过程。

螺纹形状主要由切削刀具的形状和安装位置决定。

螺纹导程由刀具进给量决定。

CNC编程加工最多的是普通螺纹，螺纹牙形为三角形，牙型角为60°，普通螺纹分粗牙普通螺纹和细牙普通螺纹。

粗牙普通螺纹的螺距是标准螺距，其代号用字母“M”及公称直径表示，如M16、M12等。

细牙普通螺纹代号用字母“M”及公称直径×螺距表示，如M24×1.5、M27×2等。

普通螺纹加工刀具刀尖角通常为60°，螺纹车刀片的形状跟螺纹牙型一样，螺纹刀切削不仅用于切削，而且使螺纹成型。

螺纹车刀的种类、材质较多，选择时要根据被加工材料的种类合理选，材料的牌号要根据不同的加工阶段来确定。

对于45#圆钢材质，宜选用YT15硬质合金车刀，该刀具材料既适合于粗加工也适合于精加工，通用性较强，对数控车床加工螺纹而言是比较适合的。

另外，还需要考虑螺纹的形状误差与磨制的螺纹车刀的角度、对称度。

车削45钢螺纹，刃倾角为10°，主后角为6°，副后角为4°，刀尖角为59°16’，左右刃为直线，而刀尖圆弧半径则由公式R=0.144P确定(其中P为螺距)，刀尖圆角半径很小在磨制时要特别细心装夹外螺纹车刀时，刀尖应与主轴线等高 (可根据尾座顶尖高度检查)。

车刀刀尖角的对称中心线必须与工件轴线垂直，装刀时可用样板来对刀。

一个螺纹的车削需要多次切削加工而成，每次切削逐渐增加螺纹深度，否则，刀具寿命也比预期的短得多。

为实现多次切削的目的，机床主轴必需恒定转速旋转，且必须与进给运动保持同步，保证每次刀具切削开始位置相同，保证每次切削深度都在螺纹圆柱的同一位置上，最后一次走刀加工出适当的螺纹尺寸、形状、表面质量和公差，并得到合格的螺纹。

图2.1 螺纹加工路线如图2.1，编程中，每次螺纹加工走刀至少有4次基本运动(直螺纹)。

运动①：将刀具从起始位置X向快速（G00方式）移动至螺纹计划切削深度处。

运动②：加工螺纹——轴向螺纹加工(进给率等于螺距)。

运动③：刀具X向快速（G00方式）退刀至螺纹加工区域外的X向位置。

运动④：快速（G00方式）返回至起始位置。

（1）螺纹切削起始位置螺纹切削起始位置，既是螺纹加工的起点，又是最终返回点，必须定义在工件外，但又必须靠近它。

X轴方向每侧比较合适的最小间隙大约为2.5mm，粗牙螺纹的间隙更大一些。

Z轴方向的间隙需要一些特殊考虑。

在螺纹刀接触材料之前，其速度必须达到100％编程进给率。

由于螺纹加工的进给量等于螺纹导程，所以需要一定的时间达到编程进给率。

如同汽车在达到正常行驶速度以前需要时间来加速一样，螺纹刀在接触材料前也必须达到指定的进给率，确定前端安全间隙量时必须考虑加速的影响，故必须设置合理的导入距离。

导入距离一般为螺纹导程长度的3～4倍。

同理，螺纹切削结束前，存在减速问题，故必须合理设置的导出距离。

在某些情况下，由于没有足够空间而必须减小Z轴间隙，惟一的补救办法就是降低主轴转速(r／min)——不要降低进给率。

（2）从螺纹退刀为了避免损坏螺纹，刀具沿Z轴运动到螺纹末端时，必须立即离开工件，退刀运动有两种形式——沿一根轴方向直线离开(通常沿X轴)，或沿两根轴方向斜线离开(沿XZ 轴同时运动)，如图2.2所示。

（a)直线退出 (b)斜线退出图2.2螺纹退刀通常如果刀具在比较开阔的地方结束加工，例如退刀槽或凹槽，那么可以使用直线退出，车螺纹Z向终点位置一般选在退刀槽的中点，使用快速运动G00指令编写直线退出动作，如果刀具结束加工的地方并不开阔，那么最好选择斜线退出，斜线退出运动可以加工出更高质量的螺纹，也能延长螺纹刀片的使用寿命。

斜线退出时，螺纹加工G代码和进给率必须有效。

退出的长度通常为导程，推荐使用的角度为45°，退出程序如下：（3）螺纹加工直径和深度由于螺纹不能一次切削加工出所需深度，所以总深度必须分成一系列可操控的深度，每次的深度取值，不仅要考虑螺纹直径，还要考虑加工条件：刀具类型、材料以及安装的总体刚度。

螺纹加工中随着切削深度的增加，刀片上的切削载荷越来越大。

对螺纹、刀具或两者的损坏可以通过保持刀片上的恒定切削载荷来避免。

要保持恒定切削载荷，一种方法是逐渐减少螺纹加工深度。

每次切削深度的计算并不需要复杂的公式,但需要一些常识和经验。

螺纹加工循环在控制系统中建立了自动计算切削深度的算法，手动计算的逻辑是一样的。

有关螺纹加工的一些数值可由下面列出经验计算方法得到：外螺纹小径=外圆直径－2×牙高；螺纹牙高=0.5413P车三角形外螺纹时，由于受车刀挤压会使螺纹大径尺寸胀大，所以车螺纹前大径一般应车得比基本尺寸小约0.1P。

车削三角形内螺纹时，内孔直径会缩小，所以车削内螺纹前的孔径要比内螺纹小径略大些，可采用下列近似公式计算：车外螺纹前外圆直径=公称直径D－0.1P；车削塑性金属的内螺纹底孔直径≈公称直径d—P车削脆性金属的内螺纹底孔直径≈公称直径d一1.05P（4）主轴转速以及进给率螺纹加工时将以特定的进给量切削，进给量与螺纹导程相同，CNC在螺纹加工模式下控制主轴转速与螺纹加工进给同步运行。

螺纹加工是典型高进给率加工，比如加工导程为3 mm的螺纹，进给量则是3mm／r。

螺纹加工的主轴转速直接使用恒定转速（r/min）编程，而绝不是恒线速度(CSS)，这就意味着准备功能G97必须与地址字S一起使用来指定每分钟旋转次数，例如“G97 S500 M03”，表示主轴转速为500r／min。

那么如果加工导程为3mm的螺纹，其进给速度计算如下：F＝700r／min×3mm／r＝2100mm／min为保证正确加工螺纹,在螺纹切削过程中，主轴速度倍率功能失效,进给速度倍率无效。

2.2刀具的选择、刃磨与安装螺纹车刀的选择主要考虑刀具、形状和几何角度等三个方面。

当高速车削时，应选用硬质合金车刀。

当低速车削时，应采用高速钢车刀。

车刀的几何角度有三个①刀尖角；刀尖角应等于螺纹的牙型角，一般为60°②前角；当高速车削时，前角一般为0°。

③后角；当螺距小时，俩切削刃相等。

当在螺距大时，左侧为（3°～5°）+ψ，右侧为（3°～5°）—ψ。

刀尖角的刃磨比较困难，为保证磨出准确的刀尖角，在刃磨时用螺纹角度样板测量刀尖角。

测量时，把刀尖角与样板贴合，对准光源，仔细观察两边贴合的间隙，并以此为依据进行修磨。

另外车刀磨损过大时会引起切削力增大，顶弯工件，出现啃刀现象。

此时应对车刀加以修磨。

车削螺纹时，为了保证牙形正确，对安装螺纹车刀提出了严格的要求。

安装时刀尖高度必须对准工件旋转中心（可根据尾座顶针高度检查），车刀安装得过高，则吃刀到一定深度时，车刀的后刀面顶住工件，增大摩擦力，甚至把工件顶弯，造成啃刀；过低，则切屑不易排出，车刀径向力的方向是工件中心，加上横进丝杠与螺母间隙过大，致使吃刀深度不断自动径向加深，从而把工件抬起，导致啃刀；车刀刀尖角的中心线必须与工件严格垂直，装刀时可用样板来对刀（见图3）。