方實(shí)美

陜西航空宏峰精密機(jī)械工具有限責(zé)任公司

1 引言

小螺距絲底溝槽車(chē)削是螺紋環(huán)規(guī)制造中的瓶頸工序。國(guó)內(nèi)多家環(huán)規(guī)制造廠大多采用單刀頭車(chē)削，效率低，對(duì)于工人的操作技術(shù)及磨刀技巧要求高。本文設(shè)計(jì)的梳刀從1976年正式投入生產(chǎn)以來(lái)，一直處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具有加工效率高，2～3次走刀即可完成絲底加工，車(chē)削速度可達(dá)8～12m/min；強(qiáng)度好，耐用度高，一次重磨(磨前刃面)可車(chē)削100件以上；質(zhì)量穩(wěn)定，控制絲底直徑即可控制絲底溝槽寬度等特點(diǎn)。

2 梳刀結(jié)構(gòu)

2.1 刀頭

刀頭切削齒由牙型半角為ε刀的螺紋形成，螺紋中徑制造有較大的倒錐度。切削錐由斜角Φ1和Φ2組成。圖1為右螺紋環(huán)規(guī)用梳刀，右旋螺紋。

圖1

刀頭切削齒由高速鋼制成，柄部采用45鋼，對(duì)焊，刀具后角α(一般取7°～10°)由安裝形成。設(shè)刀具軸線相對(duì)工件軸線的抬高量為a，且刀具軸線在水平及垂直面內(nèi)與走刀方向平行，并通過(guò)調(diào)整安裝于四方刀架上的裝刀夾來(lái)保證，其關(guān)系式為

a=rsinα

(1)

式中，r為梳刀半徑，r=D/2。

前刃面相對(duì)于刀具中心的偏移量s為

s=rsin(α+γ)

(2)

式中，γ為前角(一般取7°～8°)。

2.2 柄部和頸部

柄部為3號(hào)莫氏椎體(D<20時(shí)，可用莫氏2號(hào))。頸部長(zhǎng)度按照通端環(huán)規(guī)厚度加空車(chē)需要量調(diào)整，在不影響進(jìn)刀的情況下，頸部直徑應(yīng)大些。柄部和頸部可用45鋼與頭部對(duì)焊，35～40HRC。

3 刀具工作原理

3.1 環(huán)規(guī)絲底溝槽尺寸及加工

如圖2所示，通端普通螺紋環(huán)規(guī)bmax=p/8，止端環(huán)規(guī)b=b3。當(dāng)p=1時(shí)，bmax=0.125，b3=0.27±0.035。

圖2

螺紋環(huán)規(guī)制造常用的工藝方法為車(chē)(或攻)螺紋及絲底溝槽—銑半扣—淬火、冰冷處理、回火—平磨—內(nèi)磨—研磨。由于熱處理工序往往會(huì)產(chǎn)生變形，故絲底直徑必須大于螺紋公稱直徑，取D′=D+Δ，Δ值一般取0.12～0.6，且應(yīng)隨著d及p的增大而取較大值。由于n

國(guó)內(nèi)各量規(guī)生產(chǎn)廠一般采用單頭刀車(chē)削加工，刀具大致分為兩種形式：一是尖頭式，加工后n

3.2 改善和優(yōu)化切削方式

無(wú)論用何種材料或何種方法精制，單頭刀的強(qiáng)度均會(huì)受到限制。本文主要從優(yōu)化切削方式入手，以減小刀尖負(fù)荷與磨擦阻力為原則設(shè)計(jì)刀頭結(jié)構(gòu)。

(1)雙重切削錐

(2)螺紋中徑取較大倒錐度

一般每10mm長(zhǎng)度取0.03～0.05mm，如果螺距小，取上限；反之，取下限。如圖4所示，其作用是減小切削齒兩側(cè)刃后面與切削表面之間的摩擦阻力，任一切削齒與前一切削齒切出的表面(側(cè)面)均有一個(gè)微小間隙，該間隙隨螺紋中徑倒錐度的增加而增大[1]。

(3)刀具牙型由螺紋形成

在螺紋磨床上進(jìn)行加工，不僅精度高，而且與單頭刀相比，強(qiáng)度也大幅提高。

圖4

4 刀頭各要素的設(shè)計(jì)和取值

4.1 Φ2和取值

4.2 絲底溝槽牙型半角ε及底寬n

ε和n是兩個(gè)相關(guān)的量，為增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，n值需大一些，但又會(huì)導(dǎo)致ε角減小，從而影響刀齒的整體強(qiáng)度，減小側(cè)刃法向后角。因此，應(yīng)根據(jù)金屬切削原理與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)予以綜合考慮，一般取ε=12°～16°，n≥0.08。絲底疏刀設(shè)計(jì)時(shí)還需確定一把刀具是同時(shí)適用于T、Z螺紋環(huán)規(guī)，還是根據(jù)T、Z環(huán)規(guī)分別設(shè)計(jì)。

T、Z環(huán)規(guī)共用梳刀適用于小批量或單件生產(chǎn)，有利于節(jié)省刀具費(fèi)用和換刀時(shí)間。本方案的特點(diǎn)是nT=nZ。

由圖2可導(dǎo)出n值計(jì)算式為

(3)

(4)

將式(3)和式(4)代入nT=nZ，化簡(jiǎn)后得

(5)

(6)

式(6)中有關(guān)數(shù)據(jù)的確定方法：

(2)bT取b1max，bZ取b3的下限或略大于下限值[2]。

(3)如果D2T，D2Z為某一特殊規(guī)格環(huán)規(guī)設(shè)計(jì)專(zhuān)用絲底梳刀，則D2T，D2Z為圖紙上標(biāo)注的值。用于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)時(shí)，應(yīng)考慮刀具的通用性，盡量擴(kuò)大其使用范圍，以減少刀具的規(guī)格數(shù)量。為此，首先要確定加工范圍(如大于M30×1.5～M70×1.5)，選擇其中某一直徑(如M42×1.5)作為計(jì)算直徑，D″=42，再選擇M42×1.5螺紋中徑es及ei絕對(duì)值最大的精度級(jí)量規(guī)中徑D2T，D2Z作為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)取D2最小原則設(shè)計(jì)絲底梳刀，用于其它精度等級(jí)時(shí)，可按下式求出D′作為工藝數(shù)據(jù)，即可保證絲底溝槽寬度b要求。由圖2可得

(7)

4.3 Φ1和l1取值

式中

(8)

因此有

(9)

式中，D′，D2，b值如果按T、Z環(huán)規(guī)共用方案設(shè)計(jì)，則用Z環(huán)規(guī)的數(shù)據(jù)代入。

在車(chē)絲底溝槽時(shí)，環(huán)規(guī)中徑尚留有余量，為防止第—切削齒負(fù)荷過(guò)大，可將上式計(jì)算結(jié)果加上一個(gè)螺距p，則

(10)

4.4 L值及絲底梳刀直徑D

表1 D和D″的取值

4.5 螺紋中徑倒錐度Δ1

當(dāng)p=1時(shí)，取0.4～0.5mm/100mm；當(dāng)p>1時(shí)，取0.3～0.4mm/100mm。螺距精度要求與螺紋量規(guī)取相同值。

4.6 刀齒牙型半角ε刀及其修正計(jì)算

為了保證絲底溝槽兩側(cè)牙型半角的對(duì)稱及寬度b的要求，對(duì)刀齒牙型半角進(jìn)行修正是有益的。

(1)按常用內(nèi)螺紋成型車(chē)刀設(shè)計(jì)法求ε刀

由圖5可知，O1為工件中心，O2為刀具中心，O2高于O1，導(dǎo)致ε刀>ε。

由式(8)求出h，有

(11)

(12)

(13)

(14)

B=htanε

(15)

(16)

式中，h為刀具的有效切削深度(見(jiàn)圖2)；R為環(huán)規(guī)螺紋公稱直徑的一半；r為絲底梳刀刀頭半徑。

上述公式的推導(dǎo)未計(jì)入環(huán)規(guī)螺紋升角的影響，刀齒為環(huán)形，且ε刀左=ε刀右。本文討論的絲底梳刀切削齒由螺紋形成，其螺紋升角大于環(huán)規(guī)螺紋升角。可以引入修正量Pb(見(jiàn)圖6)，該修正量適用于刀具與工件螺紋升角相同的條件下對(duì)刀齒牙型半角進(jìn)行修正計(jì)算[3]。因λ刀>λ工，本文引入一個(gè)新的修正量PW。

圖5

(2)λ刀>λ工時(shí)的修正計(jì)算

圖6為圖5中F向的投影，是通過(guò)O點(diǎn)(見(jiàn)圖5)刀齒軸截面的垂直方向投影(即刀齒軸截面內(nèi)牙形)。

圖6

參照?qǐng)D5和圖6可得

(17)

(18)

(19)

對(duì)于左環(huán)規(guī)梳刀，將兩式中加、減號(hào)進(jìn)行換位。需要注意，對(duì)于刀齒來(lái)說(shuō)，刀頭在左，刀柄在右(見(jiàn)圖3)。

(3)與梳刀螺紋中徑倒錐度有關(guān)的修正量

絲底梳刀的螺紋中徑倒錐度比普通絲錐大得多，故不可忽視其修正計(jì)算。修正公式推導(dǎo)參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]，本文對(duì)公式略加變換得

(20)

式中，取Φ1而不是取Φ2是因?yàn)榻z底溝槽寬度b由切削錐部分l1加工形成。

綜合上述各項(xiàng)推導(dǎo)出絲底梳刀軸截面內(nèi)牙型半角的算式為

右螺紋梳刀

(21)

(22)

左螺紋梳刀

(23)

(24)

5 應(yīng)用實(shí)例

設(shè)計(jì)大于M30～70，p=2的右螺紋環(huán)規(guī)(T、Z共用)絲底疏刀。由表查得D=26，頸部直徑為φ18，長(zhǎng)度40，柄部為3號(hào)莫氏椎體；取后角α=9°，則裝刀高度a=13×sin9°=2.03，考慮讓刀量為0.2，有a=2.2～2.3；當(dāng)前角γ=8°時(shí)，則s=13×sin17°=3.8。

(2)求ε和n值

當(dāng)Φ1=6°，由式(9)求得l1=7，L=16。

由式(8)求得h=0.52，將h=0.52，R=21，r=13，a=9°，Y=8°，ε=16°代入式(11)～式(15)，求得h′=0.525242，H=0.501348，B=0.149108。

6 結(jié)語(yǔ)

本文與精密內(nèi)螺紋成形車(chē)刀的設(shè)計(jì)[3]，將兩種刀具完美組合，以獲得精確的熱處理前牙型，從而減少研磨余量。

通過(guò)設(shè)計(jì)為M24以上、螺距1～2的環(huán)規(guī)制造中絲底加工提供了優(yōu)質(zhì)高效的刀具。本設(shè)計(jì)突破了多年來(lái)一直困擾制造者的難題，既適用于多規(guī)格單件生產(chǎn)，也適用于大批量生產(chǎn)。由于刀具螺紋倒錐度較大，在磨螺紋時(shí)，尾座偏移較大會(huì)降低定位準(zhǔn)確性，建議制造專(zhuān)用錐度靠模。