梯形螺纹车削技巧与刀具优化

1.梯形螺纹车刀

图2-187 梯形螺纹车刀

（1）梯形螺纹车刀顶刃宽度尺寸 梯形螺纹车刀顶刃的宽度尺寸B（图2-187）应根据螺纹槽底的尺寸而定。根据GB/T 5796.1—2005及GB/T 5796.3—2005的规定，车刀顶刃的宽度尺寸可用下式计算

B=0.366P-0.536ac

式中 P——梯形螺纹螺距（mm）。

a_c——梯形螺纹牙顶间隙（mm），当P=2～5mm时，a_c=0.25mm；当P=6～12mm时，a_c=0.5mm；当P=4～44mm时，a_c=1mm。

（2）螺纹车刀工作角度与螺纹升角的关系 在车普通螺纹时，由于不同工件上的螺纹升角不一致，而出现车刀两侧刃后角对车螺纹产生影响。在车削梯形螺纹时，由于螺纹升角的增大，该现象更为明显，即螺纹升角τ使车刀在切削中的实际后角发生变化，左切削刃上的后角，因为螺纹升角τ的关系，使实际后角减小了τ角；而右切削刃上的后角，则增大了τ角。出于这个原因，车削右旋螺纹，在确定梯形螺纹车刀的后角时，左边切削刃上的后角，还要加上一个τ角，由于梯形螺纹车刀的后角一般为3°～5°，这时成为（3°～5°）+τ，如图2-188所示；而右边切削刃上的后角，必须减去一个τ，成为（3°～5°）-τ，这样，在实际切削中就能保证两边的后角相等。车削左旋螺纹时则与此相反。

图2-188 螺纹车刀工作角度与螺纹升角的关系

图2-189 车刀法向装刀

实际加工中，为了改善螺纹升角对车刀工作角度的影响，可适当改变车刀与工件的相对位置。使用转体刀杆，将车刀转动一个工件的螺纹升角，并将车刀法向安装（图2-189），或者在刃磨时，将车刀的左侧刃后角磨得大些，右侧刃后角磨得小些，并在切深剖面内适当增大磨出径向正前角γ_o（径向正前角γ_o见图2-188，它根据被加工材料不同，一般增大5°～15°）。

（3）梯形螺纹车刀牙型角及其修正 有径向前角的螺纹车刀，因两侧切削刃不通过梯形螺纹工件的中心线，因此，被切削螺纹轴向剖面的牙型不是直线，而是曲线，这种误差对螺纹牙型角的影响较大，特别是对具有较大径向前角的螺纹车刀。因此，在车削时须对螺纹车刀的牙型角进行修正。螺纹车刀牙型角修正值可从表2-7中查出。

表2-7 梯形螺纹车刀牙型角修正值

2.梯形螺纹车刀刀杆结构

在图2-171b、c中所介绍的刀杆结构同样适合车削梯形外螺纹。车梯形内螺纹可参考图2-187所示的车刀形式，当车削较细长梯形内螺纹时，刀杆结构如图2-190所示，它解决了因刀杆细长而刚性差的问题。图2-190中，将过渡套和铜套装进车床主轴锥孔内。将穿心轴通过工件孔插入铜套内，穿心轴右端与刀杆依靠燕尾件（燕尾件角度以75°～80°为宜）连接在一起。在穿心轴上开出螺旋油槽，以保证其与铜套间的润滑，减小穿心轴在轴向移动时的摩擦阻力。

图2-190 较细长梯形内螺纹车刀刀杆结构

1—卡爪 2—穿心轴 3—刀体 4—螺钉 5—装刀孔 6—压板 7—铜套 8—过渡套

加工时，工件通过自定心卡盘的卡爪装夹，车刀安装在刀体的方孔中，拧紧螺钉，通过压板将车刀夹紧，并注意调整车刀刀头的高度与车床主轴中心相一致。由于在切削时刀体和穿心轴均不转动，只是通过燕尾件连接使刀杆既可轴向进给，又能径向进给。穿心轴在铜套支承下，大大加强了刀杆的刚度，防止了刀杆振动和颤动，保证了车削质量。

3.梯形螺纹工件车削示例

被加工工件是2000mm长的梯形螺纹丝杠，材料为45优质碳素钢，要求弯曲程度在500mm内不超过0.03mm。在丝杠全长上，螺距累积偏差不超过0.06mm，螺纹表面粗糙度Ra值达3.2μm。加工情况如下：

1）先进行毛坯的一般粗加工，去掉外圆上的黑皮。正火清除内应力（在有条件的情况下，可将丝杠在炉内垂直加热）。

2）半精车和精车丝杠大径。

3）粗车螺纹。螺纹小径留半精车余量0.15～0.25mm，螺纹两侧留半精车余量0.3～0.4mm。

在高速车螺纹时，为了防止产生金属挤压变形和损伤跟刀架的爪，可以先用高速钢车刀低速切出一条槽面，槽面宽可比螺纹面宽小0.1mm，深0.5mm左右，并在左端切出退刀槽。

粗车梯形螺纹使用的车刀如图2-191所示。刀片为YT15硬质合金。车刀的前、后面要用磨石研磨光洁。车削用量为：螺距在6mm以内时，主轴转速n=600r/min。当螺距较小时采用的进给方式为直接径向进给（图2-192a），采用不同刀尖宽度的螺纹车刀，分别进行粗车和精车，如图2-192b所示。螺距在6mm以上时，主轴转速n=350r/min，背吃刀量a_p=0.2～0.4mm。

图2-191 粗车梯形螺纹车刀

图2-192 车梯形螺纹进给方式

a）直接径向进给 b）用不同宽度车刀分别切削

4）半精车螺纹。螺纹小径留精车余量0.1mm，螺纹两侧留精车余量0.15～0.2mm。

先将螺纹底部半精车，然后半精车与进给方向相反的a面，如图2-193所示，因为a面比b面难车削（以右旋螺纹为例），而且，它在车床开合螺母有间隙的一侧产生切削力，容易引起振动，影响螺纹表面粗糙度。

半精车时仍可使用图2-191所示的车刀。

5）检查丝杠弯曲程度。若丝杠的弯曲程度超过公差，应进行调整。

6）精车螺纹。先精车螺纹小径，接着加工a面，再以小于齿深的齿形样板检查螺纹的角度，最后加工b面，并用成品样板或专用量具检查。

精车螺纹时使用图2-194所示的高速钢梯形螺纹车刀，切削前使用磨石将前面和后面研磨至表面粗糙Ra值在0.4μm以下。所选用切削用量为：主轴转速n=20～30r/min；精加工两侧时，进给量f=0.05mm/r。

图2-193 螺纹的a面和b面

图2-194 高速钢梯形螺纹车刀

操作过程中应注意以下事项：

1）应使用三爪跟刀架，并在跟刀架爪与工件之间加铜质套，可取得好的加工效果，如图2-195所示。跟刀架爪的宽度最好为30～35mm，最好用铸铁制成。

图2-195 车丝杠使用跟刀架和铜质套

图2-196 跟刀架爪与工件接触不良

a）单点接触 b）双点接触

2）车削不同直径的丝杠时，往往会因跟刀架爪的圆弧半径和工件半径的不一致，形成图2-196所示的单点接触或双点接触，而影响加工质量。这时，可在粗车后，把跟刀架的爪轻轻地压紧在工件表面，以600r/min以上的转速走一段距离，用与工件相同直径的研磨棒来研磨爪的圆弧，以保证有良好的接触面，提高加工质量。(https://www.xing528.com)

3）车削过程中，用肥皂水或乳化液充分冷却，并作为跟刀架爪和工件间的润滑剂。

4）长度1000mm以下的丝杠，可以用前顶尖与拨盘进行装夹；长度1000mm以上的丝杠，一般是用一夹一顶的方法安装。

5）尾座处应使用精度较高的回转顶尖，操作中要经常检查和调整顶尖的松紧程度，不要用力过大，防止丝杠产生弯曲变形。

车削较细长丝杠工件上的梯形螺纹前，要进行除应力处理。除应力处理这一工序很关键，它关系到工件变不变形的问题。由于被加工丝杠较长，往往需要几个工作日才能完成，因此在加工过程中注意不要长时间停机，否则，工件在自身重力作用下会下沉而发生弯曲。在加工过程中，忽略任何一个细节都难以达到技术要求。

4.梯形螺纹车削中的质量控制

（1）解决螺纹表面的波纹问题 车削螺距较大的梯形螺纹时，往往是左侧面比较光洁，而右侧面（图2-197）则不同程度地存在波纹，这不仅会影响螺纹的精度，也会降低其使用寿命。

图2-197 梯形螺纹的侧面

螺纹表面产生波纹是由于工件或车床的刚性差、切削中产生振颤或爬行以及车刀刃磨精度差等方面的原因引起的。此外，还有一个重要因素就是车床丝杠与螺母传动轴向接触过程中，车刀受到进给力，即加工右旋螺纹时，长丝杠旋转带动螺母，溜板向主轴方向运动，这时，长丝杠与螺母的右轴向间隙被消除，这在车削螺纹右侧面时，进给力不能微量调整。因此，车刀与主轴和螺纹右侧面产生一种综合性进给力，而引起强迫振动。为了消除这方面因素的影响，在精加工较大螺距的梯形外螺纹时可采用单面切削法，利用车床正转正向进给，切削螺纹的左侧面，如图2-198a所示；利用车床反转反向进给（螺纹车刀反向安装），切削螺纹的右侧面，如图2-198b所示。这样就可消除螺纹右侧面的波纹。

图2-198 分别切削梯形螺纹两侧面

a）切削螺纹左侧面 b）切削螺纹右侧面

加工内螺纹时，若仍然采用上面的两次对刀形式，操作起来就很困难，这时，可采用图2-199所示内螺纹车削工具。当切削内螺纹右侧面时，由切削产生的进给力，经由刀杆压缩弹簧，在主体上做轴向移动，它不仅降低了螺纹表面粗糙度值，而且易于保证螺纹的角度和尺寸精度。

使用图2-199所示车削工具时，切削速度可选v_c=1.5～6m/min；精加工时背吃刀量a_p=0.2mm，粗加工时a_p＞0.2mm。车削前严格做好对刀找正工作，有条件时，可使用对刀显微镜刃磨安装车刀。

图2-199 内螺纹车削工具

1—紧固螺钉 2—刀头 3—刀杆 4—主体 5—弹簧 6—螺塞 7—定位螺钉

（2）解决梯形螺纹工件单螺距超差问题 较精密长丝杠工件，其单螺距公差要求也比较严格。如某丝杠的梯形螺纹长度为5100mm，外径为80mm；螺距误差：单螺距公差为±0.012mm，300mm内累积误差不得大于0.035mm，丝杠全长内累积误差不得大于0.08mm。

由于该工件较长，装夹后丝杠中点下沉达20～30mm。为了在切削过程中消除变形和减小振动，在床身上安装了固定中心架和跟刀架。固定中心架在加工时影响溜板的通过，为此采取先将丝杠的半段加工好，再将丝杠调头，加工另一段的办法。利用这种方法加工出的丝杠精度较差，单螺距误差在0.015～0.025mm之间，个别可达0.03mm（不合格的螺纹在丝杠全长上分布没有规律）。特别是调头的接刀处单螺距误差可达到0.08mm，超过了规定值的5倍。

为解决单螺距超差问题，可采取以下措施：

1）接刀处的单螺距超差主要是由于工件调头接刀加工造成的，为此最根本的办法是不接刀。这时，可取消固定中心架，而以可移动的中心托架代替，其结构如图2-200所示。托架体1的底面和车床导轨相配合，托架体中放有顶杆2，顶杆靠手把6提起，由弹簧定位销9定位。不使用时，用手拉出弹簧定位销，顶杆因自重而自动落下。此托架共有两个，分别放在溜板左右的导轨面上。加工开始时，左托架支承住丝杠的前中部，右托架推向尾座暂时不用。加工中，当车刀靠近左托架时，先把右托架移至中间支起，同时把左托架搬走。

为了满足切削中的刚度要求，可取消原跟刀架，而以图2-201所示的双耳跟刀架代替。这种跟刀架定心好，受力大，稳定可靠，只经一次装夹便可完成丝杠在全长内的切削。采用以上措施，由接刀而造成的螺距误差可以被消除。

图2-200 可移动中心托架

1—托架体 2—顶杆 3—可换衬套 4、11—螺钉 5—橡皮圈 6—手把 7—销轴 8—弹簧 9—弹簧定位销 10—小轴

2）为了解决单螺距超差的问题，控制螺纹牙型半角是很重要的，正确地安装车刀，并做好对刀工作是解决单螺距超差过程中不可忽视的环节。图2-202所示是使用V形块式对刀板的对刀情况。它以V形面作为基准面，将其跨到工件上，使螺纹车刀的刀尖准确地落入角度样板的槽中，以找正螺纹车刀的位置。制作该对刀板时，注意使对刀槽中线（两半角相等）垂直于V形块上的V形面。

对于很精密的螺纹，在对刀时可使用下面的方法：不需要使用对刀板，而是将螺纹车刀的一个侧面作为刃磨车刀和对刀中的统一基准。将螺纹车刀的侧面在平面磨床上磨出来，然后刃磨车刀的角度，这时以磨出的侧面定位，并用标准角度块规或正弦规来找正车刀角度，这样刃磨出来的车刀刀尖角半角误差可控制在±5′以内。刃磨中，可把砂轮上下运动的滑板搬成与车刀后角相等的角度，以同时将车刀的后角磨出。

图2-201 双耳跟刀架

1—刀架体 2—支承螺钉 3—丝杠支承架 4—可换定位套 5—油杯 6—顶爪 7—找正板托轮

图2-202 使用V形块式对刀板找正车刀位置

1—螺纹工件 2—V形块 3—对刀板 4—螺纹车刀

螺纹车刀角度磨出后，在溜板上放上千分表，千分表测杆与车刀侧面（基准面）接触（图2-203），摇动中滑板，观察千分表读数，并调整车刀侧面，直至表针无摆动为止，这样，车刀位置就准确了。利用这种方法对刀，车出的螺纹半角误差可控制在±10′以内。

图2-203 车精密螺纹对刀方法

3）为了保证工件螺距误差在允许范围内，必须严格保证梯形螺纹车刀上的几个切削刃的直线度，并使用磨石仔细研磨光洁。

4）要保证车床丝杠的清洁，加工前必须认真清洗，切不可沾污油腻、切屑。

一般说来，螺纹单螺距精度主要取决于加工方法，此外，与车床丝杠的精度、传动齿轮的误差和工件自身系统的刚性等都有很大关系。如果发现个别螺距超差，可用最细的金刚石粉，利用铸铁螺母进行研磨。这是一种补救措施，但不宜过分依赖它。

（3）梯形螺纹齿顶毛刺的控制 使用硬质合金车刀高速车削梯形螺纹的过程中，由于受到工件断面的限制，在刀具挤压下，螺纹齿顶转角处会产生较大的毛刺。对刚性较好的短丝杠，一般不加跟刀架，可在精车前增加一次进给，将毛刺去除。对刚性较差的长丝杠，齿顶毛刺的存在将对切削过程及工件精度产生不良影响。例如：齿顶毛刺会破坏跟刀架支持爪的工作表面，使其划出很深的沟纹；齿顶毛刺与跟刀架支持爪工作表面的相互作用所产生的碎末及细屑会挤压在相互表面间，既加剧了支持爪的磨损，也破坏了丝杠外圆表面的光洁；齿顶毛刺与跟刀架支持爪工作表面间的摩擦及受力情况不稳定，容易引起振动，特别是齿顶毛刺的产生使工件的实际直径尺寸，超过了最初调整跟刀架时的工件直径，因而在跟刀架的作用下，工件发生横向弯曲。当支持爪工作表面被磨出沟纹后，工件与支持爪工作表面之间出现间隙，破坏了彼此的良好接触，使切削过程出现振动或工件发生弯曲变形，甚至导致切削无法进行。

消除上述弊病的关键是控制齿顶毛刺的产生，合理地分配加工余量与合理地选择切削图形，是限制齿顶毛刺产生的简易办法。

在高速车削丝杠时，车刀的左右两侧刃与顶刃同时参加切削，其切削图形如图2-204所示。这时，由于刀具两侧刃每次都要切削工件外圆表面的金属，随着进给次数的增多，齿顶毛刺的高度会越来越大，如果采用图2-205所示的切削图形，可以大大降低齿顶毛刺，甚至可消除。其具体切削方法如下：

图2-204 高速车丝杠切削图形（一）

图2-205 高速车丝杠切削图形（二）

第一次进给：使用刃磨得十分锋利的宽刃车刀，切出深度为0.3～0.5mm的宽槽。由于切削刃锋利，背吃刀量较小，所以齿顶毛刺很小，甚至没有。确定车刀宽度时，应保证螺纹齿侧单面有0.1～0.2mm的精车余量。

第二次进给：换用梯形螺纹车刀。在进给时，应保证车刀的一侧刃切出的表面与宽刀同一侧刃切出的表面相重合。

第三次进给：背吃刀量与第二次进给相同，刀具的另一侧刃切出的表面，也应与宽刀切出的侧面重合。

根据同样的方法循序进给。最后一次精车进给，应去除剩余的精车余量。采用这样的切削方法，除第一次进给和最后精车进给外，负荷较大的几次进给，车刀侧刃都不直接切削工件的外圆处，即使有毛刺产生，也不会超出第一次进给所切出的槽深。精车余量较小，工件加工完成后，所产生的齿顶毛刺很不明显。

实践证明，采用上述方法高速车削丝杠，可以消除齿顶毛刺与跟刀架支柱爪工作表面所产生的影响，使切削变形和残余应力减小，切削过程平稳，工件的精度较高，表面粗糙度值较低。