梯形螺纹数控加工及问题处理.docx

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梯形螺纹数控加工及问题处理

梯形螺纹数控加工及问题处理

在机器制造业中，由于梯形螺纹可用来传递动力，几乎所有的设备都有梯形螺纹，因此应用十分广泛。

例如车床上的长丝杠和中、小滑板的丝杆等都是梯形螺纹，它们的工作长度较长，使用精度要求较高，因此车削时比普通三角形螺纹困难。

随着科学技术的不断发展，虽然广泛采用滚丝、扎丝、搓丝等一系列先进工艺，但在一般的机械加工中，通常还是采用车削的方法来加工。

1、梯形螺纹牙型 

梯形螺纹的米制和英制两种，我国采用米制（30°）梯形螺纹，其牙型如下图。

图1

2、梯形螺纹尺寸计算

表1

3、梯形螺纹标记 

梯形螺纹标记由梯形螺纹代号，公差带代号和旋合长度代号组成。

梯形螺纹代号为Tr，单线螺纹用“公称直径x螺距”，多线螺纹用“公称直径x导程（螺距）”表示，左旋时加注LH。

公差带代号只标注中径公差带代号。

当旋长度为N组时，不标注旋合长度代号；当旋合长度为L组时，标注L，并用“-”隔开。

例如：

Tr40x7-7H 

表示公称直径为40mm,螺距为7mm、中径公差为7H、中等旋合长度的右旋梯形内螺纹。

又如：

Tr40x14（p7）LH-7e-L 

表示公称直径为40mm、导程为14 mm、螺距为7mm、中径公差为7e、长旋合长度的左旋梯形外螺纹。

再如：

Tr40x7-7e-140 

 表示公称直径为40mm、螺距为7mm、中径公差为7e、旋合长度为140mm的右旋梯形外螺纹。

二、梯形螺纹车刀的准备

梯形螺纹车刀的准备一般包括车刀材料的选择和刀具刃磨等几个方面的内容，在进行车刀准备时我们应注意以下几个方面的问题：

   1、梯形螺纹车刀的材料选择。

车刀材料的选择是否合理，对车削效率和加工质量有较大的影响。

用作梯形螺纹车刀的材料，常用的有高速钢和硬质合金两种。

（1）高速钢梯形螺纹车刀。

刃磨比较方便，容易得到锋利的刃口，而且韧性较好刀尖不易崩裂，车出的螺纹表面粗糙度较小，但是高速钢的耐热性较差因此适用于低速车削螺纹。

高速钢梯形螺纹车刀几何形状如图2、图3所示：

（2）硬质合金梯形螺纹车刀。

硬度高、耐热性较好，但韧性较差。

一般在高速车削螺纹时使用。

硬质合金梯形螺纹车刀几何形状如图4、图5所示：

 （3）梯形内螺纹车刀 

梯形内螺纹车刀的几何形状，如图6

2、30°梯形螺纹车刀的刀头宽度尺寸 

30°梯形螺纹车刀的刀头宽度尺寸等于梯形螺纹槽底宽度。

其计算公式如下：

W=0.366P-0.536ac 

式中W—车刀刀头宽（mm） P—梯形螺纹的螺距（mm）ac—螺纹牙顶间隙，当P=1.5-5mm时，ac=0.25mm； 当P=6-12mm时，ac=0.5mm；当P=14-44mm时，ac=1mm

3、梯形螺纹车刀的刃磨。

（1）两侧刃后角的刃磨。

在刃磨梯形螺纹车刀时，如果车刀两侧刃后角按一般外圆车刀刃磨，就会使车刀在车削时不能顺利切入工件，在顺走刀方向的梯形螺纹牙形侧面上将会产生严重摩擦造成伤痕，影响正常车削；如果把后角磨得过大，又会降低梯形螺纹车刀的强度，切削时易磨损，并产生振动。

在刃磨两侧后角时，应注意梯形螺纹旋升角对梯形螺纹加工质量的影响，在刃磨梯形螺纹车刀时，顺走刀方向应加上螺旋升角，背走刀方向减去螺旋升角（三角形螺纹的升角较小，影响也较小，但在车矩形、梯形和螺距较大的梯形螺纹时，升角的影响大，须予考虑）。

如车削升角＝6°30′的右旋梯形梯形螺纹，选工作后角＝3°30′，则左侧后角αOL=3°30′+ψ=10°，而右侧后角αOR=3°30′-ψ=-3°。

（2）前角的刃磨。

车削梯形螺纹时，车刀前角将影响梯形螺纹的牙形角，前角越大，牙形角的误差也就越大，因此为了保证车削梯形螺纹时牙形角的准确，适当修正牙形角，如梯形螺纹，粗车时纵向前角γp可选择5°～15°，牙形角εr选取29°30′，而精车时纵向前角γp选择0°，牙形角εr则选取30°。

4、梯形螺纹车刀的安装

梯形螺纹车刀的安装是否正确对梯形螺纹精度会产生一定影响。

如果装刀有偏差，即使梯形螺纹车刀刀具角度十分准确，加工后的梯形螺纹牙形角仍会产生偏差，因此安装车刀时，应严格按技术要求做到：

（1）螺纹刀的安装车刀主切削刃必须与工件的旋转中心等高（用弹性刀杆应高于轴线约0.2mm）；

（2）刀尖的角平分线应垂直于工件的轴线,应用角度板找正装夹，以免产生螺纹半角误差；

（3）螺纹刀杆伸出不能过长，以免产生震动。

如下图7所示：

三、车削方法的选择

   1、用高速钢车刀低速车削梯形螺纹 

采用高速钢材料刀具低速车削梯形螺纹一般有如图8所示的四种进刀方法：

直进法、左右切削法、车直槽法和车阶梯槽法。

通常直进法只适用于车削螺距较小（P<4mm）的梯形螺纹，而粗车螺距较大（P>4mm）的梯形螺纹常采用左右切削法、车直槽法和车阶梯槽法。

下面我们分别探究一下这几种车削方法：

图8

（一）直进切削法。

它是指车削梯形螺纹时车刀的左、右两侧刀刃同时参加削，每次加深吃刀时，只由中滑板横向进给直到把梯形螺纹工件车好为止。

如图8（a）所示。

它的优点是操作简单，能保证梯形螺纹牙形清晰，减少梯形螺纹牙形误差。

但由于车刀两刃参加切削，排屑困难，车刀所受切削力有所增加，因此它的缺点是车刀受力受热比较严重，刀容易磨损，进刀量过大时，还可能产生“扎刀”现象。

在数控车床上加工梯形螺纹时，选用G76指令进行编程加工，采用直进法进行车削时，选好梯形刀，减小背吃刀量，选择适当的进给量，并加足切削液，可尽量减小扎刀现象。

（二）左右切削法。

是指在切削梯形螺纹时。

车刀两侧刃中只有一侧切削刃在进行切削。

每次加深吃刀时，中滑板横向进给和小滑板左、右进给相配合，它的优点是排屑比较顺利，刀尖受力和受热情况有所改善，车削中不易引起“扎刀”现象。

因此可相对提高切削用量，而且容易车光洁的梯形螺纹。

其缺点是操作不如直进法简单，牙形也不容易车得清晰，而且由于刀刃受单向切削力的影响，将会增大梯形螺纹牙形误差。

如图8（b） 

  （三）车直槽法。

车直槽法车削梯形螺纹时一般选用刀头宽度稍小于牙槽底宽的矩形螺纹车刀，采用横向直进法粗车螺纹至小径尺寸（每边留有0.2～0.3mm的余量），然后换用精车刀修整，如图8（c）所示。

这种方法简单、易懂、易掌握，但是在车削较大螺距的梯形螺纹时，刀具因其刀头狭长，强度不够而易折断：

切削的沟槽较深，排屑不顺畅，致使堆积的切屑把刀头“砸掉”，进给量较小，切削速度较低，因而很难满足梯形螺纹的车削需要。

（四）车阶梯槽法。

为了降低“直槽法”车削时刀头的损坏程度，我们可以采用车阶梯槽法，如图8（d）所示。

此方法同样也是采用矩形螺纹车刀进行切槽，只不过不是直接切至小径尺寸，而是分成若干刀切削成阶梯槽，最后换用精车刀修整至所规定的尺寸。

这样切削排屑较顺畅，方法也较简单，但换刀时不容易对准螺旋直槽，很难保证正确的牙型，容易产生倒牙现象。

（五）分层法。

分层法车削梯形螺纹实际上是直进法和左右切削法的综合应用。

在车削较大螺距的梯形螺纹时，“分层法”通常不是一次性就把梯形槽切削出来，而是把牙槽分成若干层（每层大概1～2mm深），转化成若干个较浅的梯形槽来进行切削，从而降低了车削难度。

每一层的切削都采用先直进后左右的车削方法，由于左右切削时槽深不变，刀具只须做向左或向右的纵向（沿导轨方向）进给即可（如图9所示），因此它比上面提到的左右切削法要简单和容易操作得多。

2、用硬质合金车刀高速车削梯形螺纹 

用硬质合金车刀高速车削梯形螺纹时，为了防止切屑拉毛牙形侧面，不能采用左右切削法，只能用直进法。

车削较大螺距（P＞8mm）的梯形螺纹时，为防止切削力过大和齿部变形，最好采用三把刀依次进行车削。

具体方法是先用梯形螺纹粗车刀粗车成形，然后用车槽刀车牙底至尺寸，最后用精车刀精车牙两侧面至尺寸。

（如图10）

三、切削用量选择

合理选择切削用量，是多快好省完成车削的一个重要方面。

选择切削用量时应遵循以下几个原则：

1、根据不同的加工步骤选择不同的车削用量。

粗车时，为了尽快把工件上多余的部分切除，可选择较大的切削用量；精车时，为了保证梯形螺纹精度和表面粗糙度，必须选择较小的切削用量。

如选用刀头宽度稍小于槽底宽的切槽刀粗车时每边留0.25～0.35mm左右的余量；用梯形螺纹车刀采用左右切削法车梯形螺纹两侧面时每边留0.1～0.2mm左右的精车余量。

2、根据不同的工件材料选择不同的切削用量。

在车削脆性材料梯形螺纹工件时（铸铁、铸铜等），因脆性材料所含杂质、气孔较多，对车刀切削不利。

切削速度过高会加剧刀具的磨损，吃刀深度过大会使梯形螺纹牙尖爆裂。

车塑性材料梯形螺纹工作时，可相应选择较大的吃刀深度，但要防止“扎刀”现象。

四、梯形螺纹的测量方法

1、梯形螺纹塞规测量法

用标准螺纹环规进行综合性测量。

2、单针测量法 

只需使用一根量针，放置在螺旋槽中，用千分尺量出螺纹外径与量针顶点之间的距离。

3、三针测量法 

这种方法是测量螺纹中径的一种比较精密的方法。

此方法在对梯形螺纹的精度有较高要求的时候使用。

测量时，把三根直径相等的量针放在同一条螺旋槽中，用千分尺量出两边量针顶点之间的距离。

五、加工梯形螺纹的注意事项 

1、车削梯形螺纹时，要加足切削液的供给，以免刀具受热发生刀具损坏。

2、粗精车梯形车刀的刀头宽度相差要小，避免粗车后，精加工时发生刀具损坏的现象。

3、车削梯形螺纹时，切削刃应保证锋利，两侧切削刃应对称，刀体不能外斜。

4、在车削梯形螺纹的过程中不允许用手接触工件或用棉纱擦工件，以免发生安全事故。

5、车削梯形螺纹时应选择较小的切削用量，以减少工件的变形或者减小梯形车刀有不必要的磨损。

6、用数控车床加工梯形螺纹，编程时应准确设定程序里的参数值。

六、数控加工梯形螺纹案例

1、用G76指令编程的格式 

G76  P（m）（r） （α）   Q（△dmin）  R（d） 

G76  X（U）  Z（W）  R（i）  P（k）  Q（△d）  F（L） 

m：

螺纹精车次数 00～99 （单位：

次）。

r：

螺纹尾部倒角量，该值可设定在00～99（单位：

0.1×L，L为导程）之间。

α：

刀尖角度。

可以选择80°、60°、55°、30°、29°和0°六种中的一种。

△dmin：

螺纹粗车时的最小背吃刀量（半径值），单位：

μm。

当循环运行时的背吃刀量小于此值时，背吃刀量锁定在该值。

 d：

螺纹精车的加工余量（半径值），单位：

mm。

 X 、Z：

螺纹切削终点坐标。

U、W：

螺纹终点相对于循环起点的增量坐标值。

i：

螺纹半径差（螺纹切削起点相对于螺纹切削终点的），单位：

mm。

k：

螺纹高（半径值），单位：

μm。

按k=0.6495P进行计算。

 △d：

第一次螺纹背吃刀量, 单位：

μm。

 L：

螺纹导程，单位：

mm。

2、梯形螺纹加工编程实例 

2.1实例一 

如图11，有一个简单的梯形螺纹，对其进行工艺分析，用G76指令编程。

图11

（1） 计算必要的梯形螺纹的数据值 

牙高 h3=0.5P＋αc=3.5 大径 d=36； 

小径 d=d-2h3=36-2×3.5=29 

查询公差表，记录公差，在进行测量时修复至尺寸。

（2） 加工工艺步骤

第一步：

加工工件外圆、切槽及倒角 

①夹住工件的左端，伸出大于36mm加槽宽的长度，保证车削梯形螺纹时有足够的退刀距离。

②车削工件右端面，并进行对刀。

③用外圆车刀粗、精车梯形螺纹的大经至∮36mm，长度36mm，并倒C3角。

④切槽刀切槽并将∮36mm的左端面倒C3角。

第二步：

车削梯形螺纹 

①编写程序，设置粗车梯形螺纹的最小背吃刀量为0.05mm，留精车余量0.06mm

②两次精车梯形螺纹后，测量尺寸进行修正。

③编写梯形螺纹数控程序。

O0001； 

T0303（梯形刀）； 

M03 S400； 

G43 G99 G40； 

G00 X38 Z5；         

G76 P020530 Q50 R0.06；（设定精加工两次，倒角量等于0.5倍螺距,牙型角为30°，螺纹粗车时的最小背吃刀量为0.05mm，精车余量为0.06mm。

）

G76 X29 Z-38 P3500 Q600 F6；（设定螺纹高为3.5mm，第一刀切深为0.6mm。

）

G00 X100；  

Z100； 

M05； 

M30；

2.2 实例二 

如图12：

手绘梯形螺纹进行编程。

 梯形螺纹长度为30mm。

图12

O0001； 

T0303（梯形刀）； 

M03 S400； 

G43 G99 G40；

G00 X40 Z5； 

G76 P010230 Q100 R0.02；（设定精加工一次，倒角量为0.2倍螺距，牙型角为30°，螺纹粗车时的最小背吃刀量为0.1mm，精车余量为0.02mm。

） 

G76 X31 Z-32 P3500 Q100 F6；（设定螺纹高为3.5mm，第一刀切深为0.1mm,。

）

G00 X100； 

Z100 M05； 

M30；

2.3 实例三 

图13为梯形螺纹零件。

图3中，材料为准26×205的铝棒，加工Tr24×4的梯形螺纹为例，采用一夹一顶装夹，用宏程序编写其梯形螺纹加工程序（采用西门子801系统）。

图13

第一步：

左（右）移刀量的计算

（1）当刀头宽度等于牙槽底宽时，左（右）移刀量=tan15°×（牙深-当前层背吃刀量）；

（2）当刀头宽度小于牙槽底宽时，左（右）移刀量=tan15°×（牙深-当前层背吃刀量）+（牙槽底宽-刀头宽度）/2。

余量计算表示如图14所示：

图14

第二步：

编程分析

本例中关键技术是要利用宏程序实现分层切削和左右切削。

利用G33螺纹加工指令，左右切削时只须将起点移到点R10+R14+R11或者R10-R14-R11就可以实现。

分层切削是通过变量R3=R3-R5实现，每层中螺纹的X坐标不变，始终为R12=R7+2R3，如图5所示。

参考程序（此程序用西门子801系统车床加工零件）：

N10R1=4螺纹导程

N20R2=0.25牙顶间隙

N30R3=0.5*R1+R2螺纹牙高

N40R4=0.366*R1-0.536*R2牙槽底宽

N50R5=0.2每次X递减量

N60R6=1.2刀尖宽度

N70R7=19.5螺纹小径

N80R8=-134螺纹长度

N90R9=30X退刀量

N100R10=10Z退刀量

N105R11=（R4-R6）/2牙槽底宽-刀尖宽度

N110T1D1M03S500调用1号刀具

N115G94G00X100Z-30定位

N120X=R9Z=R10起始点

N125AA：

R3=R3-R5直进循环开始

N130R12=R7+2*（R3）当前的X坐标计算

N135G00X=R12

N140Z=R10

N145G33Z=R8K=R1SF=0直进刀加工

N150G00X=R9

N155Z=R10

N160R13=TAN（15）*（R3）右边总余量计算

N165R14=0.05

N170BB：

G00Z=（R10+R14+R11）

N175X=R12

N180G33Z=R8K=R1SF=0去右边余量

N185G00X=R9

N190Z=R10

N195R14=R14+0.05

N200IF（R14

N205G00Z=R10

N210R13=TAN（15）*（R3）左边总余量计算

N215R14=0.05

N220CC：

G00Z=（R10-R14-R11）

N225X=R12

N230G33Z=R8K=R1SF=0去左边余量

N235G00X=R9

N240Z=R10

N245R14=R14+0.05

N250IF（R14

N255G00X=R9

N260Z=R10

N265IF（R3>0.05）GOTOBAA

N270G00X100Z-30

N275M30

上述中：

①以工件右端面中心为编程原点。

螺纹的表面粗糙度要求不高，可用粗车刀加工即可，根据测量结果调整牙槽底宽的余量。

若中径尺寸未到，可以适当调整R6的数值，直到合格。

背吃刀量可以根据工件材料、刀具选择，只需修改R5的数值即可。

②若螺纹表面粗糙度较高时，先粗车后，底部和侧面留有相应余量，在R11变量上调整，所留余量在R11上减去所留余量，如0.2的侧面余量，则R11-0.2/2；再精车，也使用该程序，只修改刀尖宽度R6即可。

③若在其他数控系统加工，只需把变量换成该系统的变量，循环语句换成该系统循环语句。

加工多头螺纹时只需在SF中设置相应的转角，如果没有角度就在Z轴移动一个螺距。

六、梯形螺纹车削故障判断及解决

在实际车削梯形螺纹时，由于各种原因，造成由主轴到刀具之间的运动，在某一环节出现问题，引起车削梯形螺纹时产生故障，影响正常生产，这时应及时加以解决。

车削梯形螺纹时常见故障及解决方法如下：

 1、啃刀

 故障分析：

原因是车刀安装得过高或过低，工件装夹不牢或车刀磨损过大。

解决方法：

（一）、车刀安装得过高或过低：

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，造成啃刀现象；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趋向加深，从而把工件抬起，出现啃刀。

此时，应及时调整车刀高度，使其刀尖与工件的轴线等高（可利用尾座顶尖对刀）。

在粗车和半精车时，刀尖位置比工件的中心高出1％D左右（D表示被加工工件直径）。

- A2 

（二）、工件装夹不牢：

工件本身的刚性不能承受车削时的切削力，因而产生过大的挠度，改变了车刀与工件的中心高度（工件被抬高了），形成切削深度突增，出现啃刀，此时应把工件装夹牢固，可使用尾座顶尖等，以增加工件刚性。

（三）、车刀磨损过大：

引起切削力增大，顶弯工件，出现啃刀。

此时应对车刀加以修磨。

2、乱扣

故障分析：

原因是当丝杠转一转时，工件未转过整数转而造成的。

解决方法：

（一）当车床丝杠螺距与工件螺距比值不成整倍数时：

如果在退刀时，采用打开开合螺母，将床鞍摇至起始位置，那么，再次闭合开合螺母时，就会发生车刀刀尖不在前一刀所车出的螺旋槽内，以致出现乱扣。

解决方法是采用正反车法来退刀，即在第一次行程结束时，不提起开合螺母，把刀沿径向退出后，将主轴反转，使车刀沿纵向退回，再进行第二次行程，这样往复过程中，因主轴、丝杠和刀架之间的传动没有分离过，车刀始终在原来的螺旋槽中，就不会出现乱扣。

（二）对于车削车床丝杠螺距与工件妇距比值成整倍数的梯形螺纹：

工件和丝杠都在旋转，提起开合螺母后，至少要等丝杠转过一转，才能重新合上开合螺母，这样当丝杠转过一转时，工件转了整数倍，车刀就能进入前一刀车出的螺旋槽内，就不会出现乱扣，这样就可以采用打开开合螺母，手动退刀。

这样退刀快，有利于提高生产率和保持丝杠精度，同时丝杠也较安全。

3、螺距不正确 

故障分析：

梯形螺纹全长或局部上不正确，梯形螺纹全长上螺距不均匀或梯形螺纹上出现竹节纹。

解决方法：

（一）梯形螺纹全长上不正确：

原因是挂轮搭配不当或进给箱手柄位置不对，可重新检查进给箱手柄位置或验算挂轮。

（二）局部不正确：

原因是由于车床丝杠本身的螺距局部误差（一般由磨损引起），可更换丝杠或局部修复。

（三）梯形螺纹全长上螺距不均匀：

原因是：

丝杠的轴向窜动、主轴的轴向窜动、溜板箱的开合螺母与丝杠不同轴而造成啮合不良、溜板箱燕尾导轨磨损而造成开合螺母闭合时不稳定、挂轮间隙过大等。

通过检测：

如果是丝杠轴向窜动造成的，可对车床丝杠与进给箱连接处的调整圆螺母进行调整，以消除连接处推力球轴承轴向间隙。

 如果是主轴轴向窜动引起的，可调整主轴后调整螺母，以消除后推力球轴承的轴向间隙。

如果是溜板箱的开合螺母与丝杠不同轴而造成啮合不良引起的，可修整开合螺母并调整开合螺母间隙。

如果是燕尾导轨磨损，可配制燕尾导轨及镶条，以达到正确的配合要求。

如果是挂轮间隙过大，可采用重新调整挂轮间隙。

4、中径不正确 

故障分析：

原因是吃刀太大，刻度盘不准或刻度盘操作不当，而又未及时测量所造成。

解决方法：

精车时要详细检查刻度盘是否松动，精车余量要适当，车刀刃口要锋利，要及时测量。

5、梯形螺纹表面粗糙 

故障分析：

原因是车刀刃口磨得不光洁，切削液不适当，切削速度和工件材料不适合以及切削过程产生振动等造成功。

解决方法：

正确修整砂轮或用油石精研刀具；选择适当切削速度和切削液；调整车床床鞍压板及中、小滑板燕尾导轨的镶条等，保证各导轨间隙的准确性，防止切削时产生振动。

总之，车削梯形螺纹时产生的故障形式多种多样，既有设备的原因，也有刀具、操作者等的原因，在排除故障时要具体情况具体分析，通过各种检测和诊断手段，找出具体的影响因素。