旋刀法加工螺纹及扩展应用技巧

时间：2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：在车床上采用旋刀法可以加工三角形螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹及管螺纹等，都可以得到优质高效的理想效果。内切法适用于直径和螺纹升角小的工件；外切法所使用刀盘直径的大小与工件的粗细无关，因此能适应范围较广的工件。由于用旋刀法加工螺纹是断续切削，因而在加工螺纹的底面及两侧面时都有残留面积存在。

旋刀法加工螺纹及扩展应用技巧

旋刀法是将旋刀头作为切削刀具，通过工件和刀具的同时旋转，配合丝杠的有规律移动，将螺纹车削出来。在加工方法上，它和使用螺纹车刀一刀一刀地切削有一定的区别。在车床上采用旋刀法可以加工三角形螺纹、梯形螺纹、矩形螺纹及管螺纹等，都可以得到优质高效的理想效果。

旋刀头的基本结构形式如图4-123和图4-124所示。旋刀头通过专用小电动机带动刀具作高速旋转，旋刀头装置安装在车床中滑板上（将小滑板拆除），加工时整个装置作纵向移动，形成进给运动，同时配合安装在车床主轴上的工件的低速旋转，便形成了螺旋运动。工件转动一周，旋刀头（刀盘）移动一个螺距。

图4-123 旋刀头的基本结构形式（一）

图4-124 旋刀头的基本结构形式（二）

1—小电动机 2—护板 3—支承弯板 4、9—销 5—导板 6、18—螺母 7—螺杆 8—刀盘 10—机壳 11—挡环 12—轴承 13—V带轮 14—键 15—空心轴 16、17—螺钉 19—刀槽

整个加工过程中，旋刀头的旋转轴线与工件的旋转轴线倾斜成一个角度，这个角度等于螺纹工件的螺纹升角λ。加工右旋螺纹时，旋刀头沿逆时针方向转动；加工左旋螺纹时，旋刀头沿顺时针方向转动。

利用旋刀法加工螺纹，旋刀在刀盘的内部进行切削时称内切法（图4-125），旋刀在刀盘的外部进行切削时称外切法（图4-126）。内切法适用于直径和螺纹升角小的工件；外切法所使用刀盘直径的大小与工件的粗细无关，因此能适应范围较广的工件。但无论采用哪种切削方法，都要注意刀盘和工件转动方向之间的关系。如图4-127a所示，当刀盘与工件的旋转方向一致时，虽然切削较为轻松，但车床主轴传动间隙必须在公差范围内，否则在切削过程中会引起工件的突然窜动，其窜动量等于主轴传动间隙的大小，从而给螺纹质量造成影响；如果按图4-127b所示，使刀盘与工件的旋转方向相反，则不会出现这种现象。因此，在主轴传动间隙大而没有消除时，应采用如图4-127b所示的逆切法。

图4-125 内切法加工螺纹

a）刀具与工件的相对位置 b）切削螺纹

图4-126 外切法加工螺纹

a）切削情况 b）刀具与工件的相对位置

图4-127 旋刀盘与工件转动方向之间的关系

a）顺切法 b）逆切法

采用旋刀法切削螺纹时的操作要点如下：

1）工件的旋转速度要慢。

2）旋刀头（刀片和旋刀）的速度要快。

3）旋刀头的倾斜角度要正确。

4）切削时，一般采用工件与刀盘旋转方向相反的逆切法。

工件旋转中心与刀具旋转中心之间存在有一定的偏心距e，可通过旋转刀头横向移动，以改变偏心距值。e值的大小可用下式计算

e=h+0.75D （4-14）

式中 h──螺纹牙型高度（mm）；

D──螺纹工件直径（mm）。

旋刀刀尖回转直径d₀用下式计算

d₀=[2（e-h）+D]cosλ （4-15）

式中 λ──螺纹中径的螺纹升角（°）。

由于用旋刀法加工螺纹是断续切削，因而在加工螺纹的底面及两侧面时都有残留面积存在。例如，螺纹底面本应是圆柱表面，而实际切出的是多棱边的多边形。螺纹底部圆柱表面上残留面积的高度，即半径方向上的理论差值称为形差值。同样，螺纹两侧面上也存在形差值。用旋刀法加工螺纹时，内切法和外切法所形成的形差值是不同的。

外切法加工的螺纹，其表面粗糙度值比内切法大，所以生产上常用的是内切法。粗加工时，应选用较小的每齿圆周进给量。对于外切法，随旋刀直径的增大，形差值应减小；对于内切法，其形差值随旋刀直径的增大而增大。因此，旋刀直径越小，用内切法加工的工件表面粗糙度值越小。

1.内切法加工普通外螺纹

图4-128所示是在车床上采用内切法加工外螺纹的情况。工件装夹在自定心卡盘内，加工通孔螺纹工件时，一般是在其他工序完成后，再利用心轴装夹工件进行切削。这时，将心轴插入车床主轴锥孔内（图4-129），加工过程中为防止心轴松动，可用螺栓将心轴拉紧，并用固定顶尖顶持好。旋刀头上装有刀盘，刀盘内安装着2～4把旋风车刀。旋风车刀为成形车刀，切削时旋刀头高速旋转。溜板带着旋刀头作纵向移动，同时，装在主轴卡盘上的工件向相反或相同的方向缓慢转动，工件转一圈，旋刀头沿工件轴线移动一个螺距，从而切出所需要的螺纹。

图4-128 内切法加工外螺纹

a）外螺纹加工情况 b）刀盘与工件的相对位置

安装旋刀时，应校准每把旋刀的位置；刀盘体旋转时，应使其处于同一切削平面上，以保证车刀始终处于同一螺旋槽内，并且要调整好伸出长度。切削中，旋刀头转速一般为1200～1500r/min，工件转速可选取5～10r/min。

2.内切法加工梯形外螺纹

图4-130所示是在车床上采用内切法加工丝杠工件上梯形螺纹的情况，其刀具与工件的相对位置如图4-131所示。切削时，每把刀和工件接触的时间比较短，而刀具在空气中运动的时间约占刀具总运动时间的3/4。这样，刀具获得了很好的冷却，切削中产生的热量绝大部分被切屑带走。

图4-129 用心轴装夹孔类螺纹工件

图4-130 内切法加工梯形螺纹

图4-131 旋刀与工件的相对位置

制动装置安装在车床卡盘的法兰上，其下端与床身固定，制动摩擦力可通过螺栓进行调节，这样可以减少振动，使切削变得平稳。跟刀架及固定托架由支座及导套组成，增加了切削系统的刚性。垫座用来调整旋风铣头的中心位置，使其与主轴中心保持一致。加工特长丝杠时，可在车床的左、右端各安放一个落地托架，它除支承延伸的工件外，还用于工件的装卸。

该装置的刀盘上装有4把硬质合金车刀，每把刀间隔90°，其中两把为深度刀，呈对称分布用于粗切；另外两把中有一把为齿形刀用于精切，还有一把为倒角刀，用于螺纹表面倒角。旋刀头上装有显微对刀装置，放大倍数为10倍，能容易地对刀具切削刃进行精确调整。由于采用了精确的对刀装置，因此可保证接刀螺纹的接刀精度，这样就可以旋切加工超过车床允许加工的任何长度的螺纹。利用显微对刀装置及一标准测量棒，还可以精确测量螺纹任意300mm长度上的累积误差。刀盘中设有通孔排屑通道，切屑由该通道排出。

加工精度较高的丝杠螺纹时，要求车床丝杠的精度相应提高。在回转直径为1000mm的车床上，丝杠精度在任意300mm长度上，其实测累积误差不超过0.015mm。

加工时使用的刀具采用焊接结构形式，刀柄为圆柱形。图4-132a所示为齿形刀（精切刀），图4-132b所示为倒角刀，图4-132c所示是深度刀（粗切刀，每组两把）。按照图4-131所示的顺序装刀。

图4-132 旋刀

a）齿形刀 b）倒角刀 c）深度刀

使用旋刀法切削时，由于刀具是连续而间断地进行高速切削的，因此硬质合金刀片必须耐热、耐磨且具备较高的强度。另外，在焊接和刃磨过程中，要防止刀片产生裂纹。

为了提高加工效率，当进给量和刀盘的转速为定值时，可增加刀具的齿数。图4-133所示为8齿旋刀盘，它通过带有偏心圆弧的紧定卡套和紧定螺钉，将刀体紧固在刀盘体孔中，并用螺钉将刀盘紧固在旋刀头的主轴上。在刀盘的8个刀齿中，有4个刀齿用来切削螺纹两侧，廓形角为30°；另外4个刀齿用来切削螺纹槽底，廓形角为20°。两种刀齿前后间隔排列，如图4-134所示。

图4-133 8齿旋刀盘

图4-134 旋刀法螺纹切削图形

为了提高刀具寿命，廓形角为30°刀齿的顶刃及两侧刃都应取较大的后角，可取6°～8°（图4-135）；对于廓形角为20°的刀齿，因为只切削槽底，而两侧刃的切削用量又很小，所以侧刃后角可取4°。用内切法加工梯形螺纹时，为了防止螺纹的齿形误差，要注意保证刀具的前刀面通过刀盘轴线，即旋刀头上与刀具底面接触的平面的高度尺寸要正确，而且要与刀盘轴线平行。

图4-135 刀具几何角度和参考尺寸

由于用旋刀法加工螺纹属于断续性高速切削，因此加工中容易产生振动。这种振动不但会使螺纹表面产生波纹，而且会使刀具磨损加剧，甚至损坏刀具，为此需注意下列事项。(www.xing528.com)

1）车床刚性要好，在主轴旋转时无明显的振动现象。

2）加工过程中，车床主轴的轴向窜动量应控制在0.02～0.04mm。

3）旋刀头上的电动机传动带轮、刀盘和刀盘后面的传动带轮都要求平衡（用单刀切削时必须配重）。

4）旋刀头上的轴承要并紧，铣削时刀盘的轴向窜动量和径向圆跳动量均应控制在0.01～0.02mm。

5）旋刀头上的V带要松紧一致，并用调整螺钉使电动机座后移以拉紧V带。为了更有效地拉紧V带并增大包角，以防止由于断续切削而引起的周期性振动，可安装紧轮装置。

6）旋刀头中心高与车床主轴的中心高应一致，并且扳转螺纹升角λ时，旋刀头的旋转中心必须与刀具牙型角的平分线重合（图4-136），因为不重合时将产生中心高误差H，从而给加工质量带来影响。

3.旋刀法加工内螺纹

旋刀法加工内螺纹的情况如图4-137所示。整个装置（图4-138）固定在中滑板上（将小滑板和刀架拆除），工件作低速旋转，刀具一边作高速旋转一边作轴向进给运动，工件回转一周，刀具沿工件轴向移动一个螺距，即完成内螺纹的加工。工件转速为6～12r/min，刀具转速为1400～2000r/min。加工时宜使用压缩空气进行冷却，同时又可进行排屑。

图4-136 旋刀头的安装

图4-137 旋刀法加工内螺纹

用旋刀法加工内螺纹时宜采用单刀形式，这样刀柄的高速旋转就相当于一把铣刀在进行切削。图4-139所示为工件与单刀的相对位置。这种方法是使刀片在圆柱表面上形成螺旋线轨迹，切削时，与螺纹齿形一致的成形刀片如果垂直于工件表面，则势必会产生干涉，从而影响螺纹的形状和精度，所以刀片在安装时也必须与切削面形成一个和螺纹升角一致的角度。

旋刀头的几何角度包括前角、顶刃后角和侧刃后角等。加工过程中，取刀头前角γ_o=0°，顶刃后角α_o1=8°～12°，两侧刃后角α_o=6°～8°。

图4-138 旋刀法加工内螺纹装置

图4-139 工件与单刀的相对位置

a）加工情况Ⅰ b）加工情况Ⅱ

4.旋刀法加工管螺纹

（1）加工圆锥内螺纹圆锥内螺纹工件如图4-140所示，其加工装置如图4-141所示。车床主轴通过两个万向联轴器与一个可转动支座连接，可转动支座固定在车床导轨上。在可转动支座箱轴前连接自定心卡盘，将工件装在卡盘上。根据被加工工件内锥角α，把可转动支座的转角调整好并固定。

图4-140 圆锥内螺纹工件

图4-141 加工圆锥内螺纹装置

图4-142 用旧车床改制的加工圆锥内螺纹的机床

变速箱固定在中滑板上，变速箱轴前安装单旋刀，轴后固定小V带轮。刀具回转中心线与卡盘内装夹工件的回转中心线等高，两中心线的夹角为工件内锥角α。加工时，车床主轴带动两个万向联轴器旋转，万向联轴器带动固定在车床导轨上的支座箱轴，连同自定心卡盘一起缓慢转动。按下丝杠抱合手柄，在丝杠带动下，单旋刀沿着工件素线作切削运动。这样，工件每旋转一周，单旋刀便前进管螺纹的一个导程。背吃刀量由车床中滑板上的横向刻度盘控制。

加工中若使用小铣刀作为刀具，则小铣刀直径可选为D=20mm，齿数z=4，切削时的单旋刀的转速可选3000～4000r/min，工件转速为10～12r/min。

图4-142所示是利用旧车床改制的利用旋刀法加工圆锥内螺纹的机床。它按照工件内锥角将主轴箱转过一个角度，利用丝杠传动即可加工出所需的圆锥内螺纹。

（2）加工圆锥外螺纹图4-143所示是在车床上用旋刀法加工圆锥外螺纹的情况。将工件夹持在车床卡盘中，穿过旋刀头的中心孔支持在后顶尖上。旋刀头紧固在中滑板上（拆除中滑板丝杠和小滑板），中滑板可以沿横导轨自由移动。靠模销紧固在中滑板上并安装在靠模板的双向靠模槽中，靠模板用螺钉和压板紧固在床身上。旋刀头的刀盘由电动机通过V带单独传动。刀盘上依次排列装夹两把硬质合金车刀（图4-144），车刀1为宽刃外圆车刀，车刀2为60°螺纹车刀。车刀1装在前面，车刀2装在后面。

图4-143 旋刀法加工圆锥外螺纹

图4-144 旋刀法加工圆锥内螺纹的车刀排列

旋刀盘的旋转中心O₁和工件旋转中心O₂有一定的偏心距e，管螺纹工件以n₂慢速旋转，刀盘以转速n₁与工件同向快速旋转（因为加工余量小，所以采用顺切法）。同时，旋刀头一边旋转，一边随同车床溜板按工件螺距进给，车刀1先切削出工件的外圆尺寸，车刀2接着切削出螺纹牙型，从而实现外径和60°密封管螺纹的一次成形。

将旋刀头安装在车床中滑板上时，其中心线应按照螺纹的螺旋升角与车床导轨面在垂直面内旋转一个角度。旋刀头切出管螺纹的锥度是由靠模装置来保证的。

图4-145 锥度靠模装置

1—床身 2—溜板 3—中滑板 4—旋刀头 5—靠模销 6—靠模板 7—滚轮

图4-145所示为锥度靠模装置。靠模板6固定在床身1上，安装时找正A面使其与车床导轨平行。靠模销5上装有滚轮7，滚轮限制在靠模板上的双向靠模槽中运动。靠模板上靠模槽的锥度α与管螺纹的锥度一致。a为管螺纹小端的切削位置，b为大端切削及开始退刀的位置。

加工时，溜板2按照管螺纹工件所要求的螺距纵向进给，靠模销5与旋刀头4同时作纵向与横向两个方向的运动，即可切出带有锥度的螺纹。靠模销5自a走到b位置时，即表示旋刀头已切到所要求的螺纹长度；此时若继续进给，则靠模销开始转弯，表示旋刀开始退刀，一直到刀头离开工件。溜板的纵向移动量应按照管螺纹工件的螺距进行选择。

5.旋刀法的扩大使用

利用旋刀法还可以加工锥方多边形工件。如图4-146所示，工件4用球形顶尖顶紧在车床主轴与尾座之间，需要车削锥方四边形时，工件轴线与主轴轴线需成α/2角。拆除车床小刀架，将旋刀头安装在中滑板上（拆掉旋刀头加工螺纹时的专用电动机），旋刀头靠车床主轴带动一对啮合齿轮传动。利用大齿轮2（z=36）带动小齿轮8（z=18），靠中间齿轮9来改变传动方向，此时，两齿轮的传动比l=18∶36=1∶2（如果是车削锥方六边形，则要形成1∶3的传动比）。旋刀头7的右端安装刀盘6，刀盘6上对称安装两把车刀M、N（图4-147）。

刀盘转过180°，车刀从M转到N，这时工件正好转180°/2=90°。切削过程中刀盘作旋转运动，同时靠自动走刀作进给运动，如此反复切削，使工件径向截面被切削成近似正方形。