关于城轨制动系统中梯形螺纹零件的数控车削加工方法及应用

张 磊，陈 剑，王 鹏

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

关于城轨制动系统中梯形螺纹零件的数控车削加工方法及应用

张 磊，陈 剑，王 鹏

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081)

在国内梯形螺纹的加工主要是车削、成套丝锥、拉削加工等方法。以城轨踏面制动单元中套筒螺母的Tr22x16/P8非标梯形螺纹为例，介绍数控车削加工梯形螺纹的工艺原理、刀具方案、数控程序，确保螺纹加工精度、表面质量。

Tr22×16/P8;数控车削;宏程序

在动车组、城轨制动系统中，基础制动单元主要采用盘形制动和踏面制动两种形式。以上两种基础制动单元，都配有闸片或者闸瓦间隙自动调整机构，以消除在使用过程中带来的闸片或者闸瓦的磨损。自动间隙调整的机构通常在设计上采用30°的梯形螺纹。在结构形式上，采用梯形螺纹丝杠和相应梯形内螺纹的调整螺母、引导螺母等这样的机械结构来实现。在传动过程中，通过丝杠与螺母间的配合来进行传动和传递位移，从而实现了间隙的自动调整。

套筒螺母是城铁踏面制动单元关键零件，结构如图(1)所示，其中的Tr22×16(p8)非标梯形螺纹是重点加工要素。验收时除了符合图纸技术要求外，还应与该件配合的螺杆能够轻松自由旋入和旋出。对于螺纹副来讲实现自旋的条件是:螺纹升角的正切值大于摩擦副的摩擦系数时，螺纹副就不能自锁，自身重力克服摩擦力实现自旋。该螺纹的升角达到正切=16/(22×3.14)=0.23，削刃的切削状态不一样。左刃除了正常切削外，由于升摩擦系数在(0.15×0.1～0.12×0.1)之间。所以本文将重点介绍在工艺中如何保证螺纹尺寸精度和表面粗糙度。

图1 零件结构

1 加工原理及具体工艺方法

梯形内螺纹的国内加工方法目前主要有3种方法:一是用车削的方式进行加工，二是成套丝锥的方式进行加工，三是用成型拉刀的方式进行加工［1］。车削加工多头梯形内螺纹，目前是一种较为传统、比较普遍应用方法，其优点是通用性较好，刀具成本低，缺点是加工效率偏低，适用于新产品试制、中、小批量生产。下面重点介绍在加工中采用加工方法和对遇到的问题改进措施。

首先我们采用了传统数控车削加工策略，多采用左右切削法实现左、右或左、中、右的切削［2］，加工除了左右赶刀以外还要采用分层切削，如图2所示，这样实现了单刀刃或双刀刃切削，避免了3个刀刃同时切削的弊端。在编程时多采用子程序和宏程序的方法来实现。

图2 加工进刀策略

但是，在这个过程中，我们发现加工的零件存在的问题是用丝杠配合时，丝杠进入过程中可以自旋，丝杠退出时有卡滞现象。连试切都有类似的现象，而加工用的是同样的切削参数，既然可以自由旋入，理论上旋出时也应该不会有问题，之所以出现问题，最大的可能是两齿面的粗糙度不一样，造成摩擦系数不一样;再进一步分析，左右齿面分别由螺纹刀的左右切削刃加工而成。标准刀的左右刃一致，但是刀在加工过程中左右切角大的问题，还有对齿面的挤压摩擦作用，排屑不畅。而右刃只有切削作用。至此，可以确定是粗糙度的问题。

针对这个问题，采取的措施就是如何提高右齿面的粗糙度。通过把车削螺纹刀分成左手刀和右手刀两把刀，分别加工螺纹的左侧面和右侧面，使加工右齿面与左齿面的加工状态一致，使两齿面粗糙达到了一致，实现了自旋的要求。利用数控车床以单刀加工螺纹时，无论左旋螺纹还是右旋螺纹，都有两种进刀方式，即右手刀正向正切削和左手刀反向切削，由此，只要刀具的宽度小于螺纹的宽度要求，同一螺纹的左、右齿面就可以用两把刀具分别加工完成。机床主轴正转，右手刀由外向里正向切削完成左齿面。机床主轴反转，左手刀由内向外反向切削完成右齿面。其加工原理示意图如图3和图4所示。

图3 右手刀加工原理示意图

图4 左手刀加工原理示意图

由于螺纹升角相对比较大，所以对于两把刀具的主切削后角(正刀的左切削后角和反刀的右切削后角)要求进行手工刃磨，防止刀具切削过程中产生干涉现象［3］。刃磨以不损伤切削刃为前提(防止牙型角误差)，刃磨后的后角要比螺纹升角大(3°～5°)

为了简化编程，两把刀具的刀位点(Z向)定在刀具副切削刃的中点上。由于正反刀所用的螺纹刀片的制造精度一致，对刀时都以刀片的左端大面，试切工件端面，再偏移(刀片左端大面到副切削刃中点的距离可以用对刀仪事先测出)，使副切削刃中点成为刀位点。

采用该加工方法的关键，是如何确定两把刀的编程起刀点。经过摸索，最终采用了“先推算，再试切”的方法。以本零件为例，在推算起刀点时要以反刀为基准，综合考虑刀具的悬伸比和机床的加减速因素，定其加工起点为Z向－44，那么理论上，三圈之后的螺纹理论终点为－44+3×16=4，所以正刀的理论起点就是4+16= 20。然后进行试切削，在试件以反刀轻车一切(微留刀痕)，再以正刀轻车，观察刀痕重叠情况，调整正刀加工起点，直到基本完全重合为止。

具体加工程序如下:

本零件为双线螺纹，程序在实际加工时以正刀为主切削刀具，绝大部分加工量由正刀完成。通过两层宏程序嵌套，外循环控制深度，内循环控制宽度，实现先向左赶刀，再逐渐加深，直至加工到尺寸。反刀为辅，轻切削右齿面。

加工后零件的抛切图如图5所示。

图5 零件实物图

加工时使用的非标刀具实物如图6所示。

图6 刀具实物图

2 应用总结

在采用传统单刀加工方法时，无法较好的实现梯形螺纹副自旋的功能要求，主要是右齿面粗糙度不达标所致，于是我们利用左手刀和右手刀两把刀分别加工左、右齿面，从而提升了右齿面粗糙度，实现丝杠装配后的自旋功能要求。经过批量生产，该方法的加工质量稳定性得到了验证。

本加工方法除可用于非标准的梯形螺纹外，更换不同的刀具，即可用于矩形、圆弧形等不同槽形的非标螺纹螺旋槽类零件加工以及蜗杆的加工，对于零件加工有很好的适用性，可以做到节约刀具成本。通过此大导程自旋梯形螺纹的加工，我们基本掌握了利用数控车床加工类似精密螺纹的工艺方法。为解决相关领域的技术难题储备了工艺方案。

［1］ 金关梁，金在富.螺纹加工与测量手册［M］.北京:国防工业出版社，1984.

［2］ SIEMENS.SINUMERIK 840D/840Di/810D编成指南.第09.2001版［Z］.

［3］ 袁哲俊，刘华明.金属切削刀具设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2008.

Machining Method of Acme Thread Part of Urban Vehicle Braking Systerm and its Application

ZHANG Lei，CHEN Jian，WANG Peng
(Locomotive＆Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences;Beijing 100081，China)

There are theree kinds of machining methods for acme screw thread in domestic:turning group screw tap broach cutter.Taking a typical part of the tread brake unit for example，this paper analyzes how to improve reliability and the efficiency in machining.

Tr22×16/P8;numerical control turning lathe;macro program

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.31

1008－7842(2015)02－0130－03

)男，助理研究员(

2014－12－11)