剖析车削螺纹时开合螺母、刀具的受力情况

2022.11.01

郭建军

摘要：在各种机械产品中，带有螺纹的零件应用很广泛。用车床加工螺纹，是目前常用的螺纹加工方法之一。在车削螺纹时，常需要对车床进行调整，以防止车削过程中出现各种问题，造成废品。但是在加工时有些现象往往与传动中的零、部件的受力情况有关。掌握好车螺纹时的受力情况，对机床调整和解决一些常见现象会有所帮助的。

关键词：车削加工螺纹; 开合螺母、刀具; 工件等受力分析

中图分类号：TG75? ?文献标识码：A ? ?文章编号：1006-3315（2020）5-095-001

在车削加工螺纹时，常遇到一些问题。例如在车削背走刀方向（反进给方向）牙侧时，车刀和溜板箱容易向前（进给方向）窜动，影响加工质量;用直进法车削螺纹时，容易产生的扎刀现象造成废品等，这些原因是与刀具、机床传动部件的具体受力情况有关。掌握好在不同加工方法下的受力情况，这对机床的调整以及加工时刀具角度的选择是有很大帮助的，特别是为保证质量，减少基本时间创造条件。

在车削螺纹时，工件与丝杠之间是按一定的传动比（即工件转一转，车刀移动一个螺距或导程）通过多级齿轮组成的传动链联接。当开合螺母与丝杠啮合后，开合螺母就通过溜板箱、刀架带动车刀轴向进给车削，见图1螺纹车削加工时的三种情况下简单示意图。

用机床加工螺纹时，工件的受力来源于刀具作用下的切削力，因此仅分析刀具和机床中开合螺母的受力情况。

一、开合螺母的受力分析

在车削螺纹时，螺纹车刀的轴向进给是由溜板箱纵向移动实现的，而溜板箱的调整主要是使床鞍及中、小滑板松程度适中，但在移动部件之间都是通过丝杠与丝母相互传动的，所以床鞍与小滑板的受力情况基本相同。由于床鞍在开合螺母带动下移动，而长丝杠的受力也来源于开合螺母，故机床方面只分析开合螺母的受力。

丝杠在自身旋转的同时要带动开合螺母沿轴线移动，由于丝杠与开合螺母之间啮合存在一定的间隙，在进给车削时只可能单个牙型面接触。现以车削右旋螺纹为例（见下图1所示），分析开合螺母的受力情况：在进给过程中，只有左侧面相互接触，因此作用在开合螺母上的力为垂直于左侧面的牙型上的传动力F。这个传动力F又可以分解成平行轴线的分力Fx和垂直于轴线的分力气Fy。分力Fx使开合螺母移动，从而使溜板箱移动。分力Fy会使开合螺母抬起，所以在调整开合螺母的松紧程度时不宜过松，必要时在开合螺母的手柄上挂一重物。

二、螺纹车刀的受力情况

车削螺纹的方法很多，如直进法、左右切削法、斜进法等。采用不同的加工方法，刀具的受力情况是不同的，但是精车螺纹时，一般采用的是左右切削法（单面切削）和直进法。具体分析如下：

1.车削右侧面时受力分析（见图1位置中1车削右侧面示意图）

在车削右侧面时，刀具受到垂直于右侧面的切削力F1和主运动速度方向的主切削力Fz（图中未标）。而切削力F1又可以分解成平行轴线的进给抗力F1x和垂直轴线的切深抗力F1y两个分力。进给抗力F1x的作用是车削右面牙侧的切削层，它的方向与开合螺母的Fx相反。根据力的性质，它的大小也应相等，也就是说，当切削力F1的进给抗力F1x增大时，开合螺母受到的传动力F的分力Fx也随之增大。在刀具及传动件刚性、强度许可的情况下，是可以加大切削层厚度的，且具有一定的平稳性，更容易保证表面质量。切深抗力F1y是影响工件弯曲的一个主要因素，从刀具角度方面来讲，影响最大的有前角、主偏角、刃仰角和刀尖圆弧等，而这些往往受螺纹牙型的限制，一般是从增加切削刃的锋利程度着手，如在不增加刀具纵向前角的情况下加大右侧刃前角。主切削力Fz是刀具受力中最大的一个分力，它是设计机床传动件、刀杆、刀片强度以及夹具设计、选择切削用量的主要依据，但是在制作刀杆、刀片及夹具时应以受力程度最大时计算，如下图中位置3所示的直进法车削螺纹时的情况。

2.车削左侧面时受力情况（见图1位置中2车削左侧面示意图）

在车削左侧牙型时，刀具受力情况与车削右侧牙型时的受力基本相同，只是刀具受到的垂直左侧牙型的切削力F2分力中的進给抗力F2x的方向，与开合螺母的传动力F的分力Fx方向相同，当进给抗力F2x大于传动分力Fx时，容易引起向右窜动，影响传动的平稳性，所以在车削时不应使F2x超过Fx的值。但此时开合螺母Fx的大小应等于传动时所带动溜板箱产生的摩擦力的大小。要想增加切削分力F2x的最大允许值，就只能在溜板箱移动时，增大它的摩擦力。

3.双面车削时的受力情况（见图1位置中3双面车削示意图）

在车刀采用直进法车削时，螺纹的两牙侧会同时切削，甚至牙槽底面也在车削。两侧切削刃受力与前面分析的左、右切削刃分别切削时的情况相同，但是此时两侧切削刃受到的切削力中的轴向分力（进给抗力）可以互相抵消，所以刀具只承受垂直于轴线的切深抗力Fy和主运动速度方向的主切削力Fz。由于车刀参加切削的刃较长，承受的Fy和Fz也就较大。因此，在刀具强度不高的情况下，容易折断刀头部分;并在主切削力Fz的作用下容易引起扎力现象，降低加工质量。