外螺纹的加工

一、任务导入

(一) 任务描述

通过本任务学习，掌握外螺纹的基本参数计算及利用螺纹加工指令编制典型零件加工程序。零件如图1-5-1所示，零件的总长为100mm，毛坯尺寸为φ37mm×200mm的棒料，材料为45号钢，分析零件加工工艺，编写加工程序。

图1-5-1 外螺纹的加工零件图

(二) 知识目标

(1) 掌握螺纹的基本参数计算。

(2) 掌握螺纹加工指令，编制典型零件加工程序。

(三) 能力目标

(1) 掌握典型螺纹零件加工工艺分析。

(2) 掌握数控车床典型外螺纹零件的加工方法。

二、知识准备

(一) 螺纹的形成 (见图1-5-2)

一个与轴线共面的平面图形 (三角形、梯形等)，绕圆柱面做螺旋运动，则得到一圆柱螺旋体。

在机械加工中，螺纹是在一根圆柱形的轴上 (或内孔表面) 用刀具或砂轮切成的，此时工件转1r，刀具沿着工件轴向移动一定的距离，刀具在工件上切出的痕迹就是螺纹 (见图1-5-2)。在外圆表面形成的螺纹称外螺纹; 在内孔表面形成的螺纹称内螺纹。螺纹的基础是圆轴表面的螺旋线。通常若螺纹的断面为三角形，则叫三角螺纹; 断面为梯形，则叫梯形螺纹; 断面为锯齿形，则叫锯齿形螺纹; 断面为方形，则叫方牙螺纹; 断面为圆弧形，则叫圆弧形螺纹等。

图1-5-2 螺纹形成过程

螺纹的加工方法有很多，外螺纹可以通过车削获得［见图1-5-3 (a)］，而内螺纹可以通过钻孔后攻丝获得［见图1-5-3 (b)］。

图1-5-3 螺纹车削

(a) 车削外螺纹; (b) 车削内螺纹

(二) 螺纹的分类

1. 按其截面形状 (牙型) 分

螺纹按其截面形状(牙型) 可分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹 (Tr) 和锯齿形螺纹(B) 等，如图1-5-4所示。其中三角形螺纹主要用于连接 (见螺纹连接)，矩形、梯形和锯齿形螺纹主要用于传动。锯齿形螺纹牙的工作边接近矩形直边，多用于承受单向轴向力。

图1-5-4 螺纹种类

(a) 矩形螺纹; (b) 三角形螺纹; (c) 梯形螺纹; (d) 锯齿形螺纹

2. 按用途分

螺纹按用途可分为连接螺纹和传动螺纹。连接螺纹又分为普通螺纹 (M) 和管螺纹(G)，普通螺纹是最常用的连接螺纹，分为粗牙普通螺纹和细牙普通螺纹。传动螺纹可分为梯形螺纹、锯齿形螺纹 (如千斤顶) 和矩形螺纹 (如丝杠)。其中细牙的螺距小，升角小，自锁性能好，常用于细小零件薄壁管及有振动或变载荷的连接和微调装置等; 管螺纹用于管件紧密连接。矩形螺纹效率高，但因不易磨制，且内外螺纹旋合定心较难，故常为梯形螺纹所代替。

3. 按标准化程度分

螺纹按标准化程度可分为标准螺纹、特殊螺纹、非标准螺纹三种。其中标准螺纹的牙型、大径、螺距符合国标; 特殊螺纹的牙型符合国标，大径或螺距不符合国标; 非标准螺纹的牙型不符合国标。

(三) 螺纹的结构

1. 螺纹末端

为了便于装配和防止螺纹起始圈损坏，常在螺纹的起始处加工成一定的形式，如倒角、倒圆等，如图1-5-5所示。

图1-5-5 螺纹结构

2. 螺纹的螺尾和退刀槽

车削螺纹时，刀具接近螺纹末尾处要逐渐离开工件。因此，螺纹收尾部分的牙型是不完整的，螺纹这一段牙型不完整的收尾部分称为螺尾，如图1-5-6所示。为了避免产生螺尾，可以预先在螺纹末尾处加工出退刀槽，然后再车削螺纹。

图1-5-6 螺尾与退刀槽

(四) 螺纹的几何参数

内、外螺纹的几何参数如图1-5-7所示。

图1-5-7 螺纹的几何参数

(a) 外螺纹; (b) 内螺纹

1. 螺纹的牙型

螺纹的牙型是指在通过螺纹轴线的剖面上，螺纹的轮廓形状。常用的有三角形、梯形、锯齿形，如图1-5-8所示。

2. 螺纹的大径、小径和中径

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 (D、d)，如图1-5-9所示。

图1-5-8 螺纹的牙型

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(D1、d1)，如图1-5-9所示。

图1-5-9 螺纹的大径、小径

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，如图1-5-10所示。

图1-5-10 螺纹的中径

3. 螺纹的线数n

沿一条螺旋线形成的螺纹叫作单线螺纹; 沿两条或两条以上，且在轴向等距分布的螺旋线所形成的螺纹叫作多线螺纹。

4. 螺距和导程 (见图1-5-11)

(1) 螺距: 螺纹上相邻两牙在中径线上对应两点之间的轴向距离P称为螺距。

(2) 导程: 同一条螺旋线上相邻两牙在中径线上对应两点之间的轴向距离Ph称为导程。

图1-5-11 螺距和导程

(a) 单线螺纹: P=Ph; (b) 多线螺纹: P=Ph/n

5. 螺纹的旋向

螺纹的旋向有右旋和左旋之分。若螺纹旋进时以顺时针方向旋转，则称为右旋螺纹; 逆时针方向旋转，则称为左旋螺纹。右旋螺纹由于应用较多，故图纸上不必注明; 而左旋螺纹则必须在图纸上注明左旋。如图1-5-12所示。

图1-5-12 螺纹的旋向

(a) 左旋; (b) 右旋 (常用)

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。

注意: 只有上述各要素 (牙型、大径、旋向、螺距和线数) 完全相同的内、外螺纹才能旋合在一起。

(四) 螺纹的标注

1. 标注的基本格式 (见图1-5-13)

1) 说明

(1) 单线螺纹导程 (P螺距) 改为螺距。

图1-5-13 螺纹标注的基本格式

(2) 粗牙螺纹不标注螺距。

(3) 右旋螺纹不用标注旋向，左旋时则标注“LH”。

(4) 公差带代号应按顺序标注中径、顶径公差带代号。

(5) 旋合长度为中等时，“N”可省略。

2) 标注示例 (见图1-5-14)

图1-5-14 标注示例

国家标准规定的标准螺纹标注方法中，第一个字母代表螺纹代号，例如: M表示普通螺纹、G表示非螺纹密封的管螺纹、R表示用螺纹密封的管螺纹、Tr表示梯形螺纹等;第二个数字表示螺纹公称直径，也就是螺纹的大径，它表示的是螺纹的最大直径，单位为mm; 往后的符号分别是螺距、导程、旋转、中径公差代号、顶径公差代号、旋合长度代号。

M6的意思就是公称直径为6mm的普通螺纹。

(五) 螺纹的测量

(1) 对于一般标准螺纹，都采用螺纹环规或塞规来测量。

(2) 螺纹千分尺是用来测量螺纹中径的，也可以用量针测量螺纹中径的方法，即三针量法。

(3) 齿厚游标卡尺用来测量梯形螺纹中径牙厚和蜗杆节径齿厚。

(4) 其他参数用专用量具和仪器测量。

(六) 螺纹的加工方法

在数控车床上加工螺纹的进刀方式通常有直进法和斜进法。直进法使用刀具双侧刃切削，切削力较大，一般用于螺距或导程小于3mm的螺纹加工，斜进法使用刀具单侧刃切削，切削力较小，一般用于螺距或导程大于3mm的螺纹加工。

由于螺纹加工属于成形加工，为了保证螺纹的导程，加工时主轴旋转一周，车刀的进给量必须等于螺纹的导程，进给量较大。另外，螺纹车刀的强度一般较差，故螺纹牙型通常需要多次进给，每次的切削尝试与精加工切削尝试所得的差按递减规律分配，如表1-5-1和表1-5-2所示。

表1-5-1 常用米制螺纹切削的进给次数与切削深度 mm

表1-5-2 常用英制螺纹切削的进给次数与切削深度

① 1in=2.54cm。

(七) 相关的编程指令

1. 螺纹车削循环指令 (G92)

该指令可切削锥螺纹和圆柱螺纹，其循环路线与前述的单一形状循环基本相同 (如图1-5-15所示)，只是将F后边的进给量改为了螺距值。

图1-5-15 圆锥螺纹

1) 指令格式

G92 X(U)__ Z(W)__ R(I)__ F__;

2) 说明

X，Z——螺纹终点绝对坐标值。

U，W——螺纹终点相对螺纹起点坐标增量。

I(R) ——螺纹起点相对螺纹终点的半径差。

2. 螺纹切削复合循环 (G76)

1) 指令格式

G76 PmrαQ(Δdmin)R(d)

G76 X(U) Z(W)R(i)P(k)Q(Δd)F(f);

2) 指令功能

该螺纹切削循环的工艺性比较公道，编程效率较高，螺纹切削循环路线及进刀方法如图1-5-16所示。

3) 指令说明

m——精加工重复次数;

r——斜向退刀量单位数 (0.01～9.9f，以0.1f为一单位，用00～99两位数字指定);

α——刀尖角度;

Δd——第一次粗切深 (半径值);

图1-5-16 螺纹切削复合循环路线及进刀法

Δdmin——最小切削深度，若切削深度Δdn小于Δdmin，则取Δdmin作为切削深度;

X——D点的X坐标值;

U——由A点至D点的增量坐标值;

Z——D点Z坐标值;

W——由C点至D点的增量坐标值;

i——锥螺纹的半径差;

k——螺纹高度 (X方向半径值);

d——精加工余量;

f——螺纹导程。

三、方案设计

(一) 分析零件图

如图1-5-1所示的内轮廓零件，外螺纹处加工精度较高，其材料为45号钢。选择毛坯尺寸为φ37mm×200mm的棒料。

(二) 制定加工方案

本零件为综合性较强的轴类零件，因是单件加工，故采用自定心卡盘装夹，用工件的外圆定位。以零件右端面中心O作为工件坐标系原点，设定工件坐标系。

零件的加工路线如下:

(1) 粗车外轮廓 (G71)。

(2) 精车外轮廓 (G70)。

(3) 车槽。

(4) 车螺纹M16×1.5 (G92)。

由表1-5-1查得: 牙深为0.974mm。

分五次切削: 第一次切削深度为0.8mm; 第二次切削深度为0.6mm; 第三次切削深度为0.4mm; 第四次切削深度为0.16mm; 第五次切削深度为0mm。

(5) 切断。

(三) 零件的装夹

采用数控车床本身的三爪卡盘，毛坯伸出三爪卡盘外150mm左右，并找正夹紧。

(四) 刀具的选择

1号刀具为90°外圆车刀，用于粗加工和精加工外轮廓; 2号刀具为切断刀 (刃宽为3mm)，用于车槽和切断; 3号刀具为外螺纹刀，用于车螺纹。

(五) 切削用量的选择

1号刀具: 粗车时主轴转速为n=800r/min，粗车进给量为f=0.25mm/r; 精车时主轴转速为n=1000r/min，精车进给量为f=0.15mm/r。

2号刀具: 主轴转速为n=400r/min，进给量精车为f=0.05mm/r。

3号刀具: 主轴转速为n=350r/min。

四、任务实施

(一) 编写零件的加工程序

加工程序见表1-5-3。

表1-5-3 参考程序

续表

(二) 零件的加工

(1) 开机并进行机床检查。

(2) 输入程序。

(3) 装夹刀具和工件。

(4) 对刀，测量刀补值。

(5) 检查程序与模拟加工。

(6) 机床的清扫和润滑。

五、任务考核 (见表1-5-4)

表1-5-4 任务考核

六、拓展练习

(1) 试分析如图1-5-20所示零件图，完成零件的加工工艺分析及程序的编制，并完成零件的加工。

图1-5-17 拓展练习 (一)

技术要求:

①未注公差尺寸按IT12加工。

②锐边去毛刺。

(2) 试分析如图1-5-18所示零件图，完成零件的加工工艺分析及程序的编制，并完成零件的加工。

技术要求:

①未注公差尺寸按IT12加工。

②锐边去毛刺。

图1-5-18 拓展练习 (二)

(3) 试分析如图1-5-19所示零件图，完成零件的加工工艺分析，程序的编制，并完成零件的加工。

图1-5-19 拓展练习 (三)