双导程蜗杆车削加工关键技术问题的解决措施

【摘要】双导程蜗杆的车削，是螺纹加工中最复杂的工艺，关键技术问题有挂轮计算、车刀几何形状的选择、齿厚递增方向与车削顺序的确定、防止车削过程引起扎刀和碰伤螺旋面、标准齿厚位置上的齿厚控制等；处理好上述问题，是保证加工质量和效率的前提。

【关键词】双导程蜗杆变厚量标准齿厚车削加工质量

【中图分类号】 G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2014）05C-0184-03

双导程蜗杆，是设计时给定蜗杆的左右两螺旋面的导程不相等，所形成的螺纹齿厚按一定的变厚量逐渐变化（如图1所示），所以亦称渐齿厚蜗杆。渐齿厚蜗杆与蜗轮啮合，当蜗杆作轴向位移时，还可以调整蜗杆与蜗轮的啮合侧隙，常用于机械传动中要求精确分度的机构。双导程蜗杆的制造精度要求很高，除了轴承位的尺寸精度和形位公差要求，还有蜗杆的齿侧对轴承位的位置精度，标准齿的齿厚尺寸精度及齿侧表面粗糙度等，都有较高要求；另外齿部要求有较高的硬度和耐磨性。因此，工艺过程比较复杂，尤其蜗杆齿部的加工最为关键。本文以双导程蜗杆齿部切削加工为重点研究对象，通过实践总结出车削双导程蜗杆的关键技术问题及解决措施，对保证加工质量和提高加工效率具有实质性意义。

图1 双导程蜗杆示意图

注：在In-In截面上，点划线部分为假想齿廓，指轴向剖面的齿槽最窄处。

一、切削双导程蜗杆常见的主要技术问题

在车削双导程蜗杆过程中，常见的主要技术问题有：车床铭牌里没有加工双导程蜗杆对应的导程，且原有的配换挂轮不满足所加工导程要求；车刀几何形状选择不合理，使切削无法正常进行；加工出的蜗杆齿厚递增方向与图样不符；车削过程出现扎刀或蜗杆螺旋面被碰伤；标准齿厚位置上的齿厚与图样严重不符等。

针对上述主要技术问题，找出解决方法和注意事项，是实现高质高效车削双导程蜗杆的有效途径。

二、双导程蜗杆的齿形形成原理及加工中相关计算

双导程蜗杆轴向剖面内的齿廓和普通的阿基米德螺旋线蜗杆的齿廓一样，不同的是双导程蜗杆齿槽左右两侧的螺旋面的左面导程SZ和右面导程SY不相等，切削时分别以导程SZ和SY变换挂轮切削左右齿面，因此加工形成的齿槽宽逐渐变窄（或逐渐变宽），而齿厚逐渐变宽（或逐渐变窄）。其相关几何参数计算，根据有关资料给出的计算公式进行计算。

这里以圆柱形等齿形角渐齿厚蜗杆为例，介绍其相关几何参数计算。

例：加工圆柱形等齿形角的阿基米德渐齿厚蜗杆，已知轴向模数（名义模数）ms =6mm ，压力角αο=20°，线数z=1，分度圆直径df =66 mm ，螺纹增厚量ΔB=0.4 mm，蜗杆轴向调整量LΟ=12 mm，螺纹计算长度L=100 mm，确定其它几何参数如下。

（一）蜗杆螺牙的变厚量a

变厚量是每个齿厚的等差增量，由公式a=（△Bπms.z）/ 2l0 得：

a= （0.4×3.1416×6×1）/2×12≈0.3142mm。

（二）蜗杆名义导程S

由公式S=ms.π Z 得：S=6×3.1416×1≈18.8496 mm。

（三）蜗杆分度圆柱上的螺旋升角Ψ

由公式tanΨ＝ S /πdf＝πms.z /πdf得：

tanΨ＝（π×6×1）/ （π×66）≈0.0909，Ψ＝5.194°

（四）蜗杆螺牙左面导程SZ和右面导程SY

当齿厚向左方递增时SZ＝S－a ，SY＝S＋a（当齿厚向右方递增时SZ＝S＋a ，SY＝S－a）。设定本蜗杆齿厚向左方向递增，得：SZ＝18.8496－0.3142≈18.5354 mm，SY＝18.8496＋0.377≈19.1638 mm。

（五）最大齿厚系数P1，P2

由公式P1＝（s+a）/2π，P2＝（s-a）/2π 得：

P1＝19.1638 /2×3.1416≈3.05mm，P2＝18.5354/2×3.1416≈2.95 mm。

（六）啮合长度Ln

由公式Ln＝L0＋L/2得：Ln＝12＋100/2＝62 mm。

（七）距中心为Ln处的轴向齿厚BLn（理论最大齿厚）

由公式

BLn＝（1- P2/P1）Ln+（1+ P2/P1）πms./4得:

BLn＝（1-2.95/3.05）×62+（1+2.94/3.06）×3.1416×6 /4≈11.30 mm。

（八）最小实际齿槽宽BL

由公式BL＝（πmS-BLn）CosΨ-2hetanα（he为齿根高，he＝1.2MS）应满足BL>2，才能满足车削和磨削加工要求。得：BL＝（3.1416×6-11.3）×Cos5.194°-2×1.2×6×tan20° ≈2.28>2，满足要求。

（九）标准齿厚Bb

由公式Bb＝m sπ/ 2得：Bb＝6×3.1416 /2≈9.4248 mm。

（十）标准齿法向齿厚Bbn

由公式Bbn＝Bb.cosψ得：Bbn＝9.4248×cos5.194°≈9.386 mm。

其它参数如顶圆直径、分度圆直径，齿根圆直径、齿顶高、齿根高等的计算与普通蜗杆计算相同，这里不再介绍。

三、切削双导程蜗杆的关键技术问题的解决措施

（一）变换配换挂轮和走刀箱手柄的搭配

切削双导程蜗杆时不能按公称导程的公称模数进行挂轮，应按左、右两螺旋面的导程挂轮，由于左、右导程不相等且非整数，所以，挂轮计算既要精确至满足加工导程要求，又要满足机床挂轮原则。解决方法如下：

1.配换挂轮计算：

Z1 / Z2 =（SZ / S）× i原

Z1'/ Z2'=（Sy / S）× i原

式中：Z1、 Z2 —切削左侧螺旋面时的挂轮齿数

Z1'、 Z2'—切削右侧螺旋面时的挂轮齿数

SZ— 左侧螺旋面的导程

Sy — 右侧螺旋面的导程

S— 名义导程

i原—机床铭牌上公称模数原有的挂轮比

例：在CA6140车床上车削上例渐齿厚蜗杆的左、右两螺旋面，计算其挂轮齿数。

解：Z1 / Z2 =（SZ / S）× i原＝ 18.5354/18.8496×64/97≈64/100

Z1'/ Z2'=（Sy / S）× i原＝19.1638/18.8496×64/97≈67/100

（式中i原＝64/97是车床公制模数螺纹的原有挂轮比）

2.变换配换挂轮：根据计算结果，制作并变换配换挂轮，车削左侧螺旋面导程Sz＝18.5354时，采用64 /100挂轮组；车削右侧螺旋面导程Sy＝19.1638时，采用67 / 100挂轮组。

3.走刀箱手柄位置搭配：走刀箱各手柄位置仍按车削名义模数时（本例名义模数Ms = 6mm），车床铭牌上对应的手柄位置进行调整。

（二）螺纹车刀几何形状的合理选择

由于渐齿厚蜗杆的螺旋升角Ψ比较大（尤其是多线螺纹）、牙型高度较大，切削时轴向切削力很大，当蜗杆车刀的后角过小会产生让刀，后角过大则影响刀尖强度和耐磨性；再者螺旋升角影响工作前角的大小；另外，蜗杆车刀刀尖宽度受到蜗杆最小齿槽宽的限制。所以，蜗杆车刀几何形状，必须根据蜗杆螺旋升角大小和蜗杆几何参数来选择，才能满足加工要求。以下是蜗杆车刀及几何角度的选择推荐。

1.粗车刀的选择

蜗杆粗车切削量较大，为了提高加工效率，可采用合金车刀，特别是数控车削加工，车床转速较高，高速钢车刀的耐磨性差，不能满足加工要求。在普通车床上手动操作加工，车床转速不能太高，可采用高速钢车刀。另外，因切削力较大，选用可调式弹性蜗杆车刀刀杆（如图2所示），一是可采用法向装刀的方法，根据蜗杆螺旋升角调整车刀工作后角和侧向前角，二是刀杆具有弹性，切削力过大时，刀杆的弹性变形可避免扎刀产生。

图2可调式弹性蜗杆车刀刀杆

蜗杆粗车刀的几何形状可按普通蜗杆车刀的形状刃磨，必须注意刀头宽应小于蜗杆最小实际齿槽宽BL的尺寸，还要考虑齿侧加工余量及借刀量，因此，刀头宽b≤BL-（0.6~0.8）mm。其它角度参考图3（a）所示车刀几何形状。

（a） 粗车刀（b） 左侧精车刀 （c） 右侧精车刀

图3蜗杆车刀刀杆

2.精车刀

双导程蜗杆的齿侧半精车或精车，均是单面切削时的车削为了避免精车刀在最小齿槽宽处出现两侧切削刃同时切削，应分左侧精车刀和右侧精车刀。为了切削顺利，获得细的表面粗糙度，可在侧刃的前刀面磨出小月牙槽。对于单件生产，以精车完成最后加工的双导程蜗杆，精车刀刀头略小于最小齿槽宽BL。对于精度和硬度要求高的双导程蜗杆，只需半精车留余量，热处理后磨削作为最后精加工，精车刀的刀头宽b≤BL -（0.5~0.6）mm。左右精车刀几何形状如图3（b）、3（c）所示。

（三）根据齿厚递增方向确定工件的安装与车削顺序

工件的安装与车削顺序，对螺纹齿厚递增方向有直接影响，如果安排不当，可能出现齿厚递增方向与图样不符，或给操作带来不便。经加工对比得出，较为合理的安装和车削顺序如下。

1.对于螺纹的齿厚向左递增的蜗杆

当Sz < Sy，螺纹的齿厚向左递增，左端的齿厚最大，齿槽最窄。车螺纹时，工件安装使齿厚递增方向与图样上的方向相同，即齿厚大的一端在卡盘一边（称同向安装）。单件加工顺序为：先按左导程Sz进行搭配挂轮，采用分层和斜进切削法粗车左右侧螺旋面，保证槽底最小齿槽宽

图4

2.对于螺纹的齿厚向右递增的蜗杆

当Sz > Sy，齿厚向右递增。车螺纹时，工件安装与图样的方向相反，齿厚最大的一端在左端（称反向安装）。但必须注意：车削左侧螺旋面时，应按图样上的右面导程Sy挂轮；车削右侧螺旋面时，应按图样上的左面导程Sz挂轮。这时切削的状况和上述方法相似，加工出的螺纹齿厚递增方向符合图样要求。倘若采用同向安装，在粗车第二侧牙螺旋时，切削余量最大的在左端（即靠卡盘一端），走刀切削时切削厚度由小不断加大，将引起崩刀和工件报废，甚至出现事故。

（四）避免车削过程出现扎刀或蜗杆螺旋面被碰伤的方法

1.采用分层斜进法粗车

双导程蜗杆的模数较大，齿槽较深，螺纹车刀切削刃工作长度大，切削力大，当切削层过宽时，排屑不顺，很容易引起扎刀。因此，采用图5（a）所示分层斜进法粗车，使切削宽度变窄，排屑顺畅，减小切削力，即可避免产生扎刀。

（a） 分层斜进法粗车（b）精车左侧（c） 精车右侧

图5

2.采用半角月牙槽精车刀进行半精车或精车

半精车和精车时，车刀切削刃对整个齿侧进行切削，切削力很大，为了使车刀锋利，主切削刃上磨出月牙性排屑槽，使切削轻便，排屑顺畅，保证表面加工质量。同时刀头磨成半角的形状，分左右精车刀，如图5（b）、5（c）所示，车削时，可避免另一侧切削刃碰刮另一侧齿面。

对于精度要求不高且只需调质处理的蜗杆，采用软卡爪夹持、后顶尖支承进行粗车，调质处理后，再采用两顶一夹安装精车至尺寸。对精度要求较高（或需要淬火处理）的蜗杆，采用一顶一夹装夹粗车，两顶一夹装夹半精车（留余量），（淬火处理后）再上磨床两顶一夹装夹磨削加工至尺寸。

（五）标准齿厚位置上的齿厚与图样严重不符

控制齿形的尺寸，是加工蜗杆的关键技术之一，而标准齿的法向齿厚（如图4中尺寸Bbn），是双导程蜗杆主要的检测项目。测量时，首先要找到标准齿厚所处的截面I-I的位置，再测量该位置分度圆上的法向齿厚Bbn的尺寸是否符合要求。具体方法如下：

1.划标准齿厚位置线

粗车螺纹前在蜗杆外圆表面距大端Ln+L/2长度位置，划出一圆周线，即图1中的I-I截面线。

2.划标准齿厚轴向截面线

由于有齿厚增量的影响，通过线上的不同点所测得的齿厚也不同，所以还必须找到以I-I截面为对称中心的齿形所在的轴向截面，才能找到标准齿的法向截面。当车完左侧螺旋面后，用游标卡尺在牙顶上测出I-I线与左侧螺旋面棱边的距离等于标准齿顶宽的一半（即0.843Ms / 2）的点，通过该点划一轴向线与I-I线相交，通过该交点的法向齿厚就是标准齿的法向齿厚，并注意加上后面工序的加工余量。

精车时，应注意标准齿厚在以I-I截面为对称中心处的齿厚余量是否均等，控制工序的切削量，保证精车标准齿厚的尺寸精度。

经实践证明，按照上述措施加工双导程蜗杆螺纹，操作方便可靠，既保证粗车、精车的加工质量又提高效率，可应用于单件或批量加工。

【参考文献】

［1］中国机械工程学会第一机械工业部设备大理司.机械手册［M］.北京：机械工业出版社，1970

【作者简介】韦富基（1958-），男，柳州职业技术学院副教授，研究方向：数控技术，机电技术教育。

（责编丁梦）