大螺距锯齿螺纹加工技术研究

程 升

(上海电气上重碾磨特装设备有限公司，上海 200245)

0 前言

对于传递运动的左旋大螺距、右旋大螺距的锯齿螺纹，当要求相关件装配后有一定的角度位向关系时，需在零件制造过程中严格控制螺纹的齿形精度、齿距精度和螺纹起始点位置精度，才能保证装配时传递位移准确，装配方位满足设计要求，因此，提高齿形精度、齿距精度和螺纹起始点位置精度是制造此类零件的关键技术。由于本文研究的对象是大尺寸、大螺距及材质性能有特殊要求的零件，螺纹需要进行粗、半精和精加工三个过程，在半精、精加工时，需要再次装夹再次对刀找正,但由于螺纹加工时挤压、产生毛刺和飞边、热处理变形等原因，后续加工中很难找到粗加工时螺纹起始点位置，精确找正是精车螺纹时的技术瓶颈，因此需进行有效创新，探索出适宜公司设备现状，能满足设计要求的工艺方法。

1 大螺距锯齿螺纹设计要求

某项目的结构为多段管体用连接螺母联接，组装后总长30多米，并要求管体内孔直线度不大于0.2 mm，连接螺母及相邻两管体均为一端左旋螺纹，另一端为右旋螺纹，装配过程中各管体须按要求的角度位置关系对接放置，管体只作直线运动不允许转动，靠连接螺母拧紧时左右旋螺纹传动的轴向拉紧力，使两管体作相向等距直线移动，并在端面A处贴合密封，如图1所示。

图1 管体装配示意图

2 大螺距锯齿螺纹工艺性分析

连接螺母及管体均为特殊材料的调质合金钢锻件，螺纹为YS型(45°)螺纹、左右旋，螺距32 mm、48 mm、64 mm等规格，表面硬化处理,螺纹工作面粗糙度≤0.8。

由于螺距尺寸较大，为了保证调质后材料的机械性能及精加阶段较小的加工余量，性能热处理前螺纹需粗加工；为了提高齿面的硬度和耐磨性，螺纹精加工后齿面需表面硬化。在整个制造过程中需进行多次热处理，主要有锻后热处理(正火+高温回火)、性能热处理(淬火+高温回火)、人工时效处理及齿面表面硬化处理。连接螺母及管体均为一端左旋螺纹，另一端为右旋螺纹，如图2、图3所示。

图2 连接螺母示意图

图3 管体示意图

为了保证螺母拧紧时每转一转，两端左右旋螺纹同步运动，须通过工艺过程控制连接螺母两端的左右旋螺纹的起始点位置M及N的轴向剖面在同一角度位置(即在同一条母线上)，相互对接的管体1及管体2螺纹起始点位置M及N的轴向剖面也须在同一角度位置(即在同一条母线上)，这样才能保证螺母与两管体的左右旋螺纹同步等距移动。

3 大螺距锯齿螺纹加工技术难点分析

锯齿形螺纹的加工，由于牙型不对称、螺纹槽窄而深、排屑困难，易造成切屑堆积，引起“烧刀”、“打刀”、“啃刀”、“扎刀”等现象。特别是该项目中大螺距锯齿螺纹螺距从32 mm到64 mm等不同规格，尺寸较大无成型刀满足加工要求，在实际加工中采用常规的车削方法加工很难加工出合格的产品，尤其齿型工作面表面粗糙度Ra<0.8，车削加工不易达到。

两端左、右旋螺纹起始点有一定的角向位置要求，加工过程中须保证两端起始点位置一致；性能热处理前螺纹须进行粗加工，热处理后需再次装夹、再次对刀，并要借正变形量，重新找正、确认粗加工时螺纹起始点位置。

大尺寸，定起点的螺纹测量，无法用量规、千分尺、测长机常规检手段进行检测，须设计专用工装，对螺纹牙型、螺距及螺纹起始点进行检测。

4 大螺距锯齿螺纹加工措施

大螺距锯齿螺纹YS D×T(牙型45°，左、右旋)要求螺纹公称直径与内孔(A)同轴度φ0.06 mm。工艺采用 PVD TiN刀片半精、精车螺纹非工作面及牙形底部符图，留磨量精车螺纹工作面；车床上装夹磨头，用碗形砂轮精磨螺纹工作面符图，保证表面粗糙度Ra≤1.6要求。螺纹端面加工时，划端面十字中心线并引划另一端，保证两端起始点轴线剖面与工件轴线等高，以距起始点端面整数倍螺距位置作为加工起始点；精铣端面作为测量基准面，用起始点确认卡规精确控制起始点位置。对该螺纹进行表面硬化处理HRC45-50，要求硬化层深度0.3～1 mm。采用半精加工后通过人工时效或低温除应力回火，可最大程度消除加工应力，防止表面淬火后零件变形；螺纹精加工后采用激光淬火，此方法变形量少，可满足螺纹精度要求。

合理的加工方案能有效的保证零件设计精度、提高生产效率，在加工不同阶段，合理选用刀具、优化切削参数和制定正确工艺方案，并通过控制工艺过程中关键点，可有效规避加工中可能出现的问题。

4.1 刀具的选用

粗加工时以提高工作效率和降低成本为主，刀具材料采用具有较高的强度、韧性以及良好的刃磨性能的高速钢，以承受切削加工时较大的切削力和冲击力，满足粗车时进刀量，大进给量的要求，斜边加工的刀具选用主偏角Kr为45°车刀，如图4所示，直角边加工选用割槽刀如图5所示，底部圆角用与牙槽底圆弧相同的成型刀处理。

图4 45°车刀

图5 割槽刀

图6 球头刀

精加工时重点控制螺纹尺寸精度及表面粗糙度，采用SANDVIK中的PVD TiN(PVD物理气相沉积)涂层牌号，这种牌号刀片在高切削速度、长时间切削时有极高的耐磨性和非涂层牌号的切削刃锐度与韧性，尤其适用于精车大螺距螺纹时，螺纹槽窄而深等复杂的加工条件，斜边加工可选用主偏角Kr为45°车刀完成，也可用球形刀在数控车床上，用循环程序完成直角边及斜边加工，底部圆角用成型刀处理。

4.2 车削(进刀)方法及切削参数的选用

螺纹的车削加工进刀方法常见的有径向、侧向和交替式等3种方法。

通过对锯齿形螺纹的粗、精加工工艺特点理论分析和实践，粗加工时采用径向进刀方法，精加工时采用侧向进刀方法，可改善加工状况和满足设计精度要求。

粗加工阶段，按进刀量递减的径向进刀方法，如图7所示。进刀量递减法是根据螺纹牙型深度，进刀量从相对大的初始值5 mm到较小的初始值1 mm逐渐递减，直到最后完成螺纹粗加工，此方法可控制每次走刀产生的切屑量相同，解决了粗加工时进刀越深，切削力和冲击力越大的难题。

图7 粗加工进刀方式

走刀路径按径向进刀方法，即当沿径向进刀到一定深度，退刀后，利用小拖板向前移动一个小于刀尖宽度0.5～1 mm的距离，然后再从外圆进刀，直到进刀后刀具45°的切削刃快要接触前面车出的90°面时为止停止近刀。退刀后，再次利用小拖板向前移动一个小于刀尖宽度0.5～1 mm的距离，再重复上面操作，直到加工到螺纹的牙底。这种移位直进法的好处是，切屑斜向、并向外排出，不易擦伤叧一侧面(90°面)。同时，排屑流畅，切屑不会因堆挤而造成“烧刀”、“打刀”、“啃刀”、“扎刀”及擦伤两侧面等现象的发生。因此螺纹槽两侧面，可以获得Ra<3.2的表面粗糙度值，为精车获得较好表面粗糙度打下了良好基础。

每次径向进刀量

(1)

式中，Δap为径向进刀量；X为实际走刀顺序数(从1到总的走刀次数)；ap为螺纹总深度；nap为走刀次数；φ1=0.3，φ2，3，…=1。

精加工时，采用改进式侧向恒定进刀法，如图8所示。恒定进刀法是在切削过程中，沿斜边或直角边以固定的切削参数进行切削，切屑厚度固定，可获得最佳切屑控制和刀具寿命，起始值约为0.18～0.12 mm，但应保证最后一次走刀的进刀量至少为0.08 mm,为了获得较好的表面粗糙度值，越接近精车留量，进刀(直进、径向)应渐次减少，必要时还应适当降低转速(这里指的是用高速钢刀具进行车削时)，最后一次走刀可以是不进刀的空走刀，用于消除切削过程中的反弹。

图8 精加工进刀方式

每次径向进刀量：

(2)

式中，ap为螺纹总深度；nap为走刀次数；x为实际走刀顺序数(从1到总的走刀次数)。

轴向进刀量的计算公式：

对于45°螺纹切削，轴向进刀量=径向进刀量。

对于30°螺纹切削，轴向进刀量=Δapx·tan30°进刀量。

5 制造工艺流程

大螺锯齿形螺纹加工工艺流程为：原材料准备-冶炼-冶炼成分分析-锻造-锻后热处理-螺纹粗加工-无损检测(超声检测)-性能热处理-取样-试验(力学性能检验、金相检验、成品成分分析)-螺纹半精加工-螺纹精加工-齿面硬化处理-成品检验(超声检测、磁粉检测、目视检查、尺寸检查)-标识-清洁-包装-运输-交货。

螺纹加工的关键在于控制螺纹的五个要素：牙型、公称直径、线数、螺距及旋向，定起点螺纹还要控制螺纹的起始点。

5.1 螺纹粗加工

螺纹粗加工在工件性能热处理前进行，加工前要深入理解图纸，重点要保证螺纹旋向、螺距及起始点位置符合设计技术要求，并保留合理的热处理余量。

(1)内外圆及端面留合理性能热处理余量粗车；

(2)在工件两端面划十字中心线,二端面余量均分，按设计要求划出螺纹起始点位置M、N，并将起始点位置引划至两端面，用样冲做永久标记。

(3)工件上机床，转动工件，使过M-N轴线剖面与工件旋转中心线等高，以距起始点L处为起刀点，其中

L=n·T

(3)

式中，L为起刀点；n为自然数；T为螺距。

在工件表面上车划出第一条螺旋线，观察落刀点是否与所划螺纹起始点M(或N)位置一致，若一致测量螺距正确后，起刀点沿工件轴线方向前进(或后退)1/4T距离，在工件表面上车划出另一条螺纹线，在两条刻线包络区域，留热处理余量，粗车螺纹，如图9所示。

(4)同理粗车另一端螺纹。

图9 粗加工起刀点示意图

5.2 螺纹半精加工、精加工

螺纹半精加工、精加工在工件性能热处理后进行，此阶段重点保证尺寸精度、螺距及牙型符合设计要求，控制再次装夹时与粗加工螺纹起始点位置一致，并根据热处理后的变形情况，借正变形量重新校正两端起始点位置。

(1)内外圆精加工，两端面均留1/8T(T为螺距)余量。

(2)按原端面标记引划螺纹起始线；

(3)螺纹起始点的确定。

工件上机床，转动工件使过M-N轴线剖面与工件旋转中心线等高，按公式(3)确定起刀点位置，车划出第一条螺旋线，检查落刀点位置是否与所划螺纹起始点位置是否一致，若一致，测量螺距正确后，起刀点向工件方向前进(或退)1/4T距离，车出另一条螺纹线，同理车出另一端螺纹包络线。若两端螺纹包络线W均能包络粗加工螺纹W1，如图10所示，可以按粗加工时的起始点位置进行精加工。

图10 螺纹包络线示意图

若按原来起始点位置车出的螺纹包络线W不能全部包络粗加工螺纹W1，如图11所示，可根据包络线的轴向偏移量L，计算出起始点角度偏差α，按角度偏差调整两端起始点位置在同一轴剖面时，试车的两端螺纹包络线能够全部包络粗加工螺纹，就可把此角度位向当作精加工时的螺纹起始点位置。

图11 起始点角度偏差示意图

起始点角度计算公式为

α=360L/T

(4)

式中，L为未包络区域的轴线偏移量；T为螺距；α为角度偏差。

(4)半精、精车：按调整好的螺纹起始线，编制循环程序，用球形车刀加工工作面及斜边，底部圆角用成型刀清根。

(5)装夹碗形砂轮磨头，精磨螺纹工作面符图，保证表面粗糙度Ra<0.8要求。

5.3 螺纹起始点位置最终精加工

粗、精加工阶段螺纹起始点是靠划线、目测和在机床上试车保证，不同的操作者和机床设备，由于经验、设备精度等原因，加工精度不确定因素很多，因此需要使用统一的检验标准，对螺纹起始点进行最终的精加工。

分析和研究螺纹起始点定义，起始点就是螺旋线与端面的交点，但在实际加工中，由于挤压、产生毛刺和飞边，这一点的准确位置很难找到，根据车削螺纹时，工件每转一转，轴向进刀移动一个螺距的原理，只要控制与这一端面整数倍螺距的某一剖面上螺纹起始点角度位置一致，就能间接保证两端左右旋螺纹与端面的交点角度位置一致。因此只要设计制造出能够测量距起始点端面一倍螺距位置的起始点卡板，用卡板控制距起始点端面一倍螺距处过轴线剖面的起始点位置，就可间接保证两端螺纹起始点位置一致。

(1)在起始点端面余量处，加工出测量止口面，如图12所示。将工件沿回转中心水平放置，两端起始点M-N轴线剖面置于水平位置，找正工件二端面平行、内孔及外圆同轴,误差在0.02 mm以内；精铣螺纹起始点测量止口面，过轴线中心1/2δ样板厚度以下保留，以上部分按二端面余量精铣满足工件总长要求，要求两端止口高度一致，高度误差在0.10 mm以内。

图12 精加工时螺纹起始点确认卡规使用示意图

(2)按卡规检测情况精铣端面。起始点确认卡规按图13、14所示，放置测量止口面，若正好卡入，或齿斜面、或螺纹端面间隙一致(<0.03 mm)，说明螺纹起始点满足要求；若间隙差≥0.03 mm,螺纹起始点还未满足要求，需要通过修正一端螺纹端面来满足要求，修正量一般在0.02～0.05 mm；铣修螺纹不完整边牙符合要求。

图13 内螺纹起始点确认卡规使用示意图

图14 外螺纹起始点确认卡规示意图

5.4 两端螺纹表面硬化处理

对精加工后的齿面进行数控激光淬火，此方法高效快捷、淬火不开裂、不变形、冷却快，取得了较好的淬火效果。

6 大螺距锯齿螺纹测量方法

6.1 专用工装的设计

对于直径1 m以上，长度5～9 m大尺寸定起点的螺纹测量，无法用量规、千分尺、测长机常规检手段进行检测，需要设计专用的齿形卡板，如图15所示、齿距卡板如图16所示、螺纹起始点确认卡规，如图14所示等检测工具，加工过程中用卡板对螺纹牙型、螺距及螺纹起始点位置检测控制，保证最终加工精度。

图15 螺纹齿形卡板

图16 螺纹齿距卡板

6.2 专用工装设计准则

按设计要求的螺纹中径、牙槽宽尺寸、精度等级、公差及偏差值，计算齿形卡板中径处齿厚(或牙槽宽)尺寸及上下偏差，按螺纹大、中、小径尺寸及公差计算牙型高/(牙槽深)尺寸及偏差值。

螺距相同的左右旋螺纹，可使用相同的齿形卡板、齿距卡板。

相同螺距的内外螺纹，齿距卡板同，但齿形卡板不同，因为相互配合的内外螺纹须保证组装后有适当的侧隙，便于装配。

以螺纹中径为设计基准，保证内外螺纹卡板设计尺寸协调一致，左右旋螺纹同用一块齿距卡板及及齿形卡板，保证测量及加工基准统一。

6.3 卡板使用方法

卡板使用时，须与定位面贴紧，用塞尺及透光法检查另一面间隙均应小于0.02 mm。齿形卡板检测时，与工件齿形间隙小于0.02 mm；齿距卡板以一侧工作齿面定位，另一齿与工作面间隙小于0.02 mm;起始点确认卡板以基准端面定位，测量一个螺距位置剖面处工作齿面与卡板间隙小于0.02 mm。

粗、精加工起始点确认卡规相同。通过工艺过程控制，可用一个螺纹起始点确认卡规，控制粗、半精、精加工各阶段螺纹起始点位置。

若设计要求起始点位置在M-N位置，但因粗、半精加工阶段螺纹起始点两端面均有加工余量，若余量为amm，加工时的起始点M′/N′位置需要按M/N位置转动一定角度θ(左旋螺纹顺时针转，右旋螺纹逆时针转)，通过角度换算，粗、精加工阶段就可使用同一个起始点卡规进行检查，如图17所示。为了加工时方便计算，端面余量amm最好为1/2T、1/4T和、1/8T等，根据端面余量转动角度θ的计算公式为

θ=360a/T

(4)

式中，a为端面余量；T为螺距。

图17 粗、半精加工时起始点角度转换示意图

为便于计算，端面余量最好是1/2、1/4或1/8倍螺距，换算方法如表1所示。

表2 角度换算表

7 结束语

通过对大螺距、定起点锯齿螺纹加工技术的的工艺性分析和研究，阐述了螺纹粗、精加工时刀具选用、进刀方法、切削参数的选用准则，不同阶段的加工方法及重点控制要素，并设计出制造简单、使用方便的专用齿形卡板、齿距卡板，起始点确认卡规，探索出大螺距、定起点螺纹加工及测量新方法。该工艺方法合理科学，能保证大螺距、定起点螺纹的加工精度，并达到设计精度及装配精度要求。