高效加工蜗杆的数控车削方法，超有用！

　　随着当今时代电子信息技术的突飞猛进，现代机械设备不断向自动化、数控化方向发展。数控机床是现代制造业的基础技术，是提高产品质量和劳动生产率必不可少的手段，数控技术的发展和应用水平也是一个国家综合国力的标志，普通车床的加工也逐步被数控车床所取代。对于蜗杆的加工，因螺距大，牙型深，加工余量大，再因其牙型特点，车削时刀刃与工件接触面大，容易发生振动，加工途中极易因工件与刀具间切屑的挤压造成刃具损坏，产生“扎刀”现象，造成蜗杆报废，而且加工时间周期长。

　　本文结合具体的生产实际，从刀具、车削方法和切削参数等方面对现有的加工进行改进，改善了刀具受力情况、提高了加工质量和切削效率；因数控程序简单，操作性强，为此类零件的加工提供了一定的借鉴、参考。

一、蜗杆的特性及参数的计算

1.蜗杆的特性

　　常用的蜗杆有公制（齿形角为40o）和英制（齿形角为29o）两种。我国大多数采用公制蜗杆。而最常用的是阿基米德蜗杆（即轴向直轮廓蜗杆）它的齿面为阿基米德螺旋面，端面是阿基米德螺旋线，如图1所示。轴向齿廓（A-A截面）是直线，而法面（N-N截面）的齿形则为曲线,如图2所示。

2.蜗杆的结构及参数

　　根据生产的要求，所要加工的蜗杆为公制蜗杆，模数Mx=3，齿形角为40o，材料45号钢，具体参数如表1所示。蜗杆的结构和尺寸要求如图3所示。

　　如图所示，该蜗杆的尺寸精度和形位公差要求高，加工难度大，为了保证其精度要求，应尽量采用高精度的设备。另外，公司产品以多品种小批量为主，采用专用铣削机床投入成本高，如果使用普通车床加工，对人员的要求很高，而且加工成本很高，效率太低，产品质量难以保证。因公司的机床设备多样化，数控加工机床占生产设备70%左右，所以本次加工蜗杆决定采用高精度的数控车床HARDINgE（Quest 8/51），该数控车床为斜床身，12位刀塔，定位精度 0.00mm ，重复定位精度0.005mm，Fanuc series 21i-T操作系统，最高转速3 500r/min，最低加工转速50r/min，最大加工直径400mm。

二、传统数控车削加工蜗杆

1.刀具的选择

　　由于所加工的蜗杆全齿高6.6mm，即切削深度为6.6mm，螺距为大螺距9.425mm，加工时背吃刀量很大。因此所产生的切屑很不容易排出螺旋槽，加工时的切削力也很大，在加工的过程中极易产生扎刀现象。为了减小切削力，顺利排出切屑，尽量避免扎刀、崩刀。刀具材料要求韧性好、强度高、容易刃磨，传统上选用高速钢材料。高速钢的红硬性比较低，耐磨性较差，不适合较高的切削速度。为了得到较好的加工精度和表面粗糙度，高速钢的刀具在加工时使用的切削速度和主轴的转速就比较低。

2.数控车削加工进刀方法

　　常用的加工指令有G32、G92和G76三种。

　　G32为单行程螺纹插补指令，它的特点是适用于小螺距，更多应用于径向进刀方式。G32加工一次螺旋线时，需要4个步骤才能完成，加工一个螺纹进刀次数和所要编制的进刀步骤的程序一致。因此编程人员程序量大，机床加工时间长。

　　G92螺纹切削单一固定循环指令，其含义与G32相同。G92加工时成为一个循环，与G32相比只需要启动一次就可以完成G32的4个步骤。但是G92编程时，每次都需要输入进刀尺寸，程序编制时需要手工进行分层，编制程序相对繁琐，加工时间长。

　　G76螺纹切削复合固定循环，采用斜进刀方式，适用大螺距螺纹的加工，而且程序自动进行切削深度调节，吃刀深度递减，不但能很好地保证产品的质量，而且能大大缩短机械加工的生产周期。

　　G76固定循环的递减原理：第一刀△d，第二刀（√2-1）△d，第n刀（√n-√n-1）△d。直到达到△dmin，最后以△dmin加工完螺纹。G76为非模态指令，必须每次指定。因此使用G76指令具有优越性。

　　G76指令格式：

G76 P(m) (r) (a) Q(Δdmin) R(d);

G76X(x) Z(z) R(i) P(k) Q(Δd) F(l);

m: 车加工的次数，取值范围01-99次。

r:刀时（45°）的倒角量，z向距离，取值范围为导程的倍数。单位为0.1导程，用两位数表示，即0.5导程表示为0.5。

△dmin：最小吃刀深度。

d:精加工余量。

a:螺纹牙型角，即刀尖角。有6种牙型角角度：0°，29°，30°，55°，60°，80°，该值由两位数 表示。例60°表示成60。

当精加工2次，倒角量为1倍导程的普通螺纹表示方法:P021060

X_Z_:终点坐标值。

I：螺纹半径差，同G92、G32

K：牙型高度；

△d：第一刀精加工深度，不带小数点；

F：导程；

循环中各指令中m，r，a中的0不能省略。

　　由于G76指令加工的牙型角只提供了6中，没有40°的牙型角可供选择，传统方法是选择40°刀尖角的高速钢刀具，刀头宽1.6mm，；切削参数S=80，最大吃刀深度0.1mm，最小吃刀深度0.03mm；选用G76提供的30°牙型角加工。程序如下：

O1；

T0101；

G0G40X200.Z200.；

G97S80M3；

G0X50.Z10.；

G76 P020030 Q30 R0.04；

G76 X 28.75Z -30 .P6600 Q100 F9.42；

G0X200.Z200.；

M30；

　　加工状态如图5所示，刀具三个切削刃同时参加切削，切削力非常大，易产生“扎刀”，零件易报废；切屑从三个刀刃口的方向相互挤压刀刃排出，切削热不能及时带走，刀具严重磨损；刀具材料红硬性差，刀具角度变化大，粗加工完后必需换刀才能进行精加工；机床主轴系统受力变形较大，机床进给机构受力大易损坏。

　　加工的结果：刀具易磨损，如图6所示，一把刀具最多只能加工一件零件就要对刀具进行刃磨、调整，刀具寿命短，操作者劳动强度非常大；采用低速切削，零件加工时间长、单件加工时间超过1h，生产效率低、产品质量不稳定，合格率只有30%甚至更低；切削力非常大，对机床工艺系统的刚性要求非常高。

　　为了适应生产的需要，必须对加工方法进行创新改进，才能完成生产加工任务。综合以上的分析，刀具材料和车削加工方式的创新是解决问题的关键。本人经过反复研究，并结合长期的实践经验的总结，概括出了高效的数控车削蜗杆的加工方法。

三、高效数控车削蜗杆加工

1.刀具的选择

　　高效加工蜗杆选用硬质合金刀具。硬质合金是难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨性好,强度、耐热、耐腐蚀好等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1 000℃时仍有很高的硬度。可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍，可以使用较高的切削速度，使加工时间大大缩短；刀具磨损小，一把刀具能加工5件零件以上，加工5件零件后的刀具如图7所示，因而实现了延长刀具寿命，缩短加工时间，降低生产成本、产品质量稳定的目的。

　　硬质合金刀具选择40°刀尖角，以保证刀尖角与蜗杆的牙型角相同。为了保证牙型正确，前角一般取0°，后角大于螺旋升角2°～3°，刀头宽0.9mm，刀具表面粗糙度值Ra≤0.4μm。

　　刀具安装时保证刀具两切削刃对称中线与工件的轴线垂直，刀具前刀面与水平面平行，刀具前刀面与工件轴线在同一平面上。选择刀具两切削刃对称中线与刀头宽度中点处为对刀点，以利于在加工中刀具损坏后，进行重新换刀时提高重合精度。选用的硬质合金刀具如图8所示。

2.高效加工方法及分析

　　由于加工蜗杆的牙型角是40°，但是G76所能加工的牙型角没有40°，这给加工带来困难。针对全刃参与切削的情况，利用G76能够车削6种角度螺纹的优势进行切削过程改进，使用30°和55°的牙型角通过两次斜进刀的方式加工出40°的牙型角，第一次切削蜗杆的左侧面，第二次切削蜗杆的右侧面，两次切削完成牙型的加工。这种方法，不但保证了加工质量，而且大大节省了加工时间，提高了生产效率。

　　第一次车削完成蜗杆左侧面：选择40°刀尖角的硬质合金刀具，刀头宽0.9mm；切削参数S=400，最大吃刀深度0.2mm，最小吃刀深度0.04mm；选用G76提供的55°牙型角加工。程序如下:

O1；

T0101；

G0G40X200.Z200.；

G97S400M3；

G0X50.Z10.；

G76 P020055 Q40 R0.04；

G76 X 28.75Z -30.P6600 Q200 F9.42；

G0X200.Z200.；

M30；

　　从上面的程序可以看出，对转速S400进行了提升，第一刀吃刀深度增加一倍为Q200，P020055中的55是车削牙型角为55°的螺纹，阳面由车刀牙型角保证，阴面牙型半角20°由G76中55参数保证牙型半角为27.5°，则形成一个47.5°牙型角的螺纹，如图9所示，刀具右侧与螺纹右侧形成7.5°角度差异的空间。刀具由左侧和前面切削刃参与切削，右侧刃面是由刀尖拟合出来，因此避免了三刃切削造成的严重不足，而且有较大的排屑空间。同时减小刀头的宽度，可以作为一条切削刃参与切削。

　　第二次车削完成蜗杆右侧面：第一次加工形成的牙型角为47.5°，不满足40°牙型角的要求，因此进行右侧牙形的车削工作。选用G76提供的30°牙型角加工。程序如下：

O2；

T0101；

G0G40X200.Z200.；

G97S400M3；

G0X50.Z10. ；

G76P020030 Q80 R0.04；

G76X28.75Z -30 .P6600 Q400F9.42；

G0X200.Z200.；

M30；

　　如图10所示，加工中因为是单刃车削，排屑容易，切削力小，因此增大切削参数，最小吃刀深度增加一倍Q80，第一刀吃刀深度增加一倍为Q400，P020055更改为P020030车削30°牙型角的螺纹，车削55°牙形螺纹与30°牙形螺纹时，螺纹起始点不发生变化，螺纹不会发生乱扣显现。现只需要进行余量的调节，否则会出现蜗杆超差现象，完整的蜗杆牙型图如图11所示。

　　用30°的方式可以车出完整的40°牙型角的蜗杆，齿根宽度是1.934mm，而蜗杆理论齿根宽为2.03mm，小于最终尺寸0.1mm。但尺寸太接近，不方便调整尺寸进入公差，因此车削时的起刀点应该向左移动约大于0.2mm（方便加工进行的取值），但应该小于1.034mm。现将刀补向左移动0.3mm，车削出零件，如图12所示（红色表示刀具移动0.3mm后形成的结果）。此时蜗杆的分度圆已加工出来，利用齿厚卡尺测量蜗杆，副尺调整高度为（3-（理论齿顶直径-实际齿顶圆直径）/2），主尺测量出法向尺寸，因为法向齿厚= 轴向齿厚×0.996 5，因此可以视同为法向齿厚=轴向齿厚，测量出轴向齿厚值X。

四、检查蜗杆

　　蜗杆的主要测量参数有周节、齿顶圆直径、分度圆直径和法向齿厚。其中齿顶圆直径可用游标卡尺和千分尺测量。周节主要由机床传动链保证，粗略的测量可用游标卡尺测量或用光学投影仪测量。

　　分度圆直径可用三针测量。其原理和测量方法与测量螺纹相同。

　　三针测量蜗杆（α=20°），计算公式：

　　M=d1+3.924dD-4.136Mx;

　　dD取值1.672Mx.

　　法向齿厚测量：蜗杆的齿厚是一个很重要的参数，在齿形角正确的情况下，分度圆直径处的轴向齿厚与齿槽宽相等，但轴向齿厚无法直接测量，常通过对法向齿厚进行测量来判断轴向齿厚是否正确。法向齿厚可用齿轮卡尺进行测量，齿轮卡尺（如图1３所示）由互相垂直的齿高卡尺1和齿厚卡尺2组成。测量时，卡脚侧面必须与卡尺侧面平行，也就是卡尺平面与蜗杆轴线相交一个蜗杆导程角γ，齿高卡尺调到（h1）的尺寸（齿顶圆直径误差对齿顶高有影响），齿厚卡尺的所得的读数就是法向齿厚的实际尺寸。

　　采用高效数车的方法加工完成的蜗杆如图14所示。对加工后的蜗杆进行检查，检验结果如表2。

　　根据检验的结果可以看出，采用高效方法加工的蜗杆所有尺寸均在公差范围内，达到了图纸的技术要求，本次加工零件10件，调试程序报废1件，其余全部合格，合格率90%。中途刃磨刀具一次，单件加工时间只有20min。

五、结语

　　按传统的方法，在数控车床上加工蜗杆时，刀具三个切削刃同时参加切削，切削力非常大；切屑从三个刀刃口的方向相互挤压刀刃排出，切削热不能及时带走，刀具磨损严重；选用高速钢刀具，耐磨性较差，刀具磨损严重，刀具刃磨、更换频繁；受刀具和加工方式的制约，切削参数不能提升，加工时间较长；加工中易产生扎刀现象，造成零件报废，零件合格率低。

　　本文介绍的优化方法，从刀具的选择优化出发，利用数控车床的斜进刀方式，采用左、右侧面两次进刀的方式进行加工，留出充分的排屑空间，使刀具受力情况大大改善，提高了机床的稳定性和刀具的使用寿命，同时，使切削参数得到较大的提升，加工时间大大缩短，零件质量稳定；数控程序简单、可操作性强，刀具易调整。经检验，加工的蜗杆尺寸均在公差范围内，达到了技术要求。实践操作验证，改进后的加工方案加工质量得到提高，加工时间节省66%。大大缩短了生产周期。此方法对同类零件的加工具有指导作用。

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来源：数控中国论坛