车削螺纹螺距误差的分析与质量控制[1]

! ! ! !
!"#$%&"’"()
测! ! 量
! ! ! ! ! ! !
车削螺纹螺距误差的 分析与质量控制
徐州工业职业技术学院! （ 江苏! ""##$% ） ! 罗太景
螺纹按用途分为紧固螺纹、传动螺纹及读数螺纹； 按螺纹的轴向截面形状分为三角螺纹、梯形螺纹和方形 螺纹；螺纹按加工方法分为车削、铣削、攻螺纹、套螺 纹、磨削、研磨及滚压螺纹。根据螺纹的工作条件或用 途不同，对螺纹的技术要求也有所不同。对紧固螺纹及 无传动精度要求的传动螺纹，一般只对中径进行综合检 验。对有传动精度要求的传动螺纹和读数螺纹，除了对 中径进行检验外，还要对螺距及牙型进行单项检验。为 了保证传动精度，对于螺纹的表面粗糙度及材料的硬度 也有较高的要求。下面着重对车削螺纹中单项参数螺距 误差的原因进行分析。由车削螺纹原理可知，车削螺纹 时，必须使工件与刀具保持严格的相对运动关系，即工 件每转一转，刀具要相对于工件轴线移动一个螺距的距 离。若加工出的螺纹完全准确，则螺旋线展开之后为一 斜线，如图 # 所示，! 为螺旋升角，* 为理论螺旋线， + 为螺纹中径，, 为螺距，( 为螺纹圈数。
*******************************************
丝杠两端的轴承也发生摩擦热，而使机床丝杠的温度升 高，但工件的温升比机床丝杠的温升要高得多，于是它 们的实际膨胀量就有差异。加工时，机床丝杠热变形 小，切出的工件螺距的误差小；但加工完毕，工件冷却 后要缩短，螺距变小，这样就产生了螺距误差，误差随 工件长度增大而增大。根据线膨胀公式： !* + !*!) 式中! !*— — —线膨胀的伸长量，** — —线膨胀 系 数，钢 的 系 数 ! + ##" , - #) !— （# / 0 ） *— — —工件长度，** — —温度差， 0 !)— 若工件长度 #*，温度差是 #0 ，则引起的螺距累积 误差将是 ##" , "*，而 ( 级精度丝杠在 #* 长度上，螺距 累积误差的允差是 #’ "*。 由此可见，控制机床丝杠和被加工丝杠之间的温度 差，是保证精密丝杠加工精度的一个重要因素。为了减 少热变形的影响，精密丝杠螺纹的加工工序应在恒温室 （温度控制在 $)0 1 #0 ） 进行，加工时尽量减少机床、 工件各部分温度差。将工件在恒温室内放置几小时，待 与室温一致后方可加工；开始加工前，开动机床，使其
.(
空转一定时间，使机床主轴及丝杠等零件达到热平衡状 态，以免在加工过程中机床零部件的温度逐步升高；选 用较低的切削用量，并使用切削液。此外，如果精车为 最后工序，则在精车最后一次走刀前最好停一段时间， 让工件冷却，这是减少热变形的关键。
!" 结语
总之，螺纹的精密车削，通常在精密螺纹车床上用 单刀车削。对于不淬硬丝杠螺纹的最后加工，为了保证 螺纹各参数（ 牙型、螺距、中径） 及表面粗糙度能达到 较高的精度，必须满足精密车削螺纹的以下条件：机床 具有较短的传动链、高精度的传动系统（ 主轴、交换齿 轮和丝杠等） ，还需装有螺距校准装置。工件须预加工 并进行去应力处理；支持面应经光整加工（ 如预先研磨 顶尖孔等） ；若采用轧制棒料应选用平直的部分。刀具 应仔细研磨，具有正确的廓形及锋利的刀刃并正确的安 装。具有良好的润滑与冷却；控制切削力及温度和振动 的影响。控制车削螺纹的螺距误差要综合考虑，找出其 中影响大的误差，加以改进。
# !" ! " " # 年 第 $% 期 ! ! !" " # $ % & ’ & ( )" $ * "" $ ’
冷加工
! ! ! !
!"#$%&"’"()
测! ! 量
! ! ! ! ! ! !
上下顶尖同轴的调整方法
哈尔滨量具刃具集团有限责任公司! （ 黑龙江! "#$$%$ ） ! 刘庆胜! 薛贵侠
!" 螺距误差四种表现形式（见图 $ ）
（ # ） 局部误差 ! 如图 $% 所示。误差出现没有一定 的规律，相互之间没有显著的联系，因此产生的原因也 很难确定，如工件材料性能不均匀；主轴不规则的轴向 窜动；刀具移动不稳定，外界振动等偶然因素影响的结 果。
图 $! 螺距误差四种表现形式
（ $ ） 周期误差! 如图 $& 所示，误差按某种周期有 规律的变化。产生原因主要是车床的传动链有误差，如
在主轴圆盘上，使指示表的测头与心轴上端外圆面垂直 接触，连续转动主轴，取指示表示值的最大变化量。在 上顶尖、下顶尖零件自身精度和立柱导轨的运动精度均 符合要求的条件下，上下顶尖同轴的调整方法如下（ 由 于不同种类的测量仪器对具体的参数和精度指标要求不 同，本文中给出的具体数值仅供参考） 。
$& 调整下顶尖
若对螺距逐个测量，则所得的值应完全相等。但由 于各种因素的影响，使实际加工出的螺纹产生螺距误 差。影响螺旋面加工精度的因素除工件的回转运动精 度、刀具的进给运动精度以及它们之间准确的位置关系 外，还有成形运动之间的准确速度关系。而影响成形运 动之间准确速度关系的主要因素有：机床传动链中各个 传动元件的制造误差、装配误差以及使用磨损程度。还 应指出的是：各个传动元件的转角误差将通过传动比反 映到末端，即被车削加工的工件上，由于各个元件在传 动链中的位置不同，其影响程度也不同。
! ! 上下顶尖装置（ 如图 # 所示） 是齿轮量仪中的常见 结构 形 式，主 要 用 于 被 测 齿轮的 定 位 安 装，并 通 过 带动器带动被测齿轮与 主 轴同步转动，实 现 测 量 过 程中 的 回 转 运 动。 因 此， 必须保证上下顶尖轴线 的 连线与主轴的回转轴线 重
图! #
&" 被测齿轮! ’" 下顶尖! (" 主轴
（ 收稿日期：$))2)%)2 ）
冷加工
! " " # 年 第 $% 期 # !" ! ! !" " # $ % & ’ & ( )" $ * "" $ ’
松开下顶尖与主轴的固定螺钉，将装有扭簧比较仪 的磁力表座固定在仪座上，使扭簧比较仪的测头与下顶 ，转动主轴，轻轻敲打 尖上端锥面垂直接触（ 见图 $ ） 下顶尖的底座，在主轴转动一周内使扭簧比较仪的示值 最大变化量不大于 )" ))#’**，拧紧下顶尖的固定螺钉。
合精 度— — —上 下 顶 尖 同 轴 #" 仪座! $" 立柱! %" 上顶尖 度，否则将影 响 仪 器 的 测 量精度。上下顶尖同轴度的检测是在上下顶尖间分别 安装长、短两种心轴，将装有指示表的磁力表座固定
于工件轴心与机床主轴轴心线不重合时，机床主轴是均 匀旋转的，而工件旋转是不均匀的，这样就引起螺距周 期性误差。误差的大小不但与顶尖偏差有关，还与所用 卡盘和卡头的结构有关。 ’主轴径向圆跳动和轴向窜动。主 轴 的 径 向 圆 跳 动，周期地改变工件与刀具之间的径向相互位置，引起 周期性的螺距误差。工件螺距最大误差在靠近主轴端； 而尾顶尖处最小。主轴轴向窜动量直接引起工件螺距误 差，其值等于主轴轴向窜动量。精密螺纹车床可像磨床 那样，用不旋转的顶尖，以消除这些误差。精密螺纹车 床主轴的轴向窜动应控制在 $" $$%&& 以内，主轴的径向 跳动量应控制在靠主轴端部为 $" $$(&& 以内，用心棒插 入主轴锥孔，在离主轴端部 ($$&& 处的心棒上测量为 $" $$)&&。 （ % ） 机床传动系统的调整误差! 机床主轴与丝杠之 间传动系统（ 传动链） 中交换齿轮的速比有时只能采用 近似值，这会引起累积性螺距误差。此外从主轴到丝杠 之间传动链中齿轮的制造误差或安装误差，都将引起传 动速比的周期变化，使丝杠转速不均匀，从而引起工件 的螺距产生周期性的误差。为保证被加工工件的螺距精 度，可采取以下措施： !缩短传动链。主轴经交换齿轮 直接带动丝杠，以减少传动链中齿轮传动引起的误差环 节。"保证交换齿轮传动速比有足够的正确性。 # 提高 传动链中各个传动件的制造精度和装配精度。 $ 采用精 密同步随动系统。 （ ( ） 切削过程中工件的变形 !工件在切削力作用下的变形 ! 在切削力作用下， 工件因变形而产生螺距误差，误差的大小随工件长度及 其刚度而定。在径向切削分力的作用下产生的螺距误差 与机床导轨在水平面内的偏斜所产生的误差相同；在垂 直切削分力的作用下产生的螺距误差与机床导轨在垂直 平面内的倾斜所产生的误差相同，两者的综合误差在中 径测量时体现出来。 "切削过程中工件的热变形 ! 在切削过程中，由于 机床丝杠和工件之间产生温度差，引起热变形而使工件 螺距产生误差。加工时工件的热源来自：切屑变形、刀 具后刀面与工件及刀具前刀面与切屑之间的摩擦、跟刀 架的支承与工件外圆的摩擦等所产生的热，使工件受热 伸长，加工完了冷却后又缩短。机床丝杠同螺母之间，
图 #! 螺纹螺旋线展开示意图
车床丝杠螺距有误差，丝杠的轴向窜动和径向跳动，传 动齿轮有误差等都能引起螺距周期误差。 （ ’ ） 累积误差 ! 如图 $( 所示，误差的大小与长度 成正比并逐渐增加或递减。产生的原因主要有工件的热 变形，车床前后顶尖不同心，交换齿轮传动比不精 确 等。 （ ) ） 综合误差 ! 如图 $* 所示。该项误差是以上 ’ 种误差的总和，一般情况螺纹的误差都是以这种形式出 现。虽然在同一零件上同时存在几种误差，但总是有主 有次，在解决误差问题时，必须找出主要的误差以及引 起的原因，并设法加以解决。
冷加工
! " " # 年 第 $% 期 # !" ! ! !" " # $ % & ’ & ( )" $ * "" $ ’
! ! ! ! ! ! !
测! ! 量
!"#$%&"’"()
! ! ! !
!" 产生螺距误差的主wenku.baidu.com因素
螺距误差的产生，主要是由于机床误差、传动系统 调整不精确及切削过程中的变形等因素所引起的。 （ # ） 机床误差 ! 机床丝杠的螺距误差影响最大。此误差将直接反 映到被加工的工件螺距上去，通常采用校准装置来消除 机床丝杠误差的影响。在实际应用中，除考虑机床本身 丝杠的螺距误差外，温度及其他因素影响对工件螺距产 生累积误差。 " 机床丝杠出现轴向窜动和径向跳动时，就相当于 机床本身的螺距作“ 周期” 的变化，使机床刀架在纵向 移动时也相应地变化，也会引起被加工工件螺距的“ 周 期” 性误差，对高精度机床，丝杠轴向窜动一般要求在 $" $$%&& 以内。 # 从主轴到丝杠的传动系统中，当齿轮有制造误 差、安装偏心等，造成齿轮在旋转过程中产生转角误 差，使丝杠在旋转过程中产生转角误差，从而影响工件 的螺距精度。精密螺纹车床的交换齿轮均要求不低于 ’ 级精度，齿轮与轴的配合间隙尽可能最小，最后传给丝 杠的一对齿轮的速比应尽量小（ 主动轮直径尽量小，而 丝杠上被动齿轮的直径尽可能大） ，以使转角误差缩小。 $ 床身导轨在水平面内偏斜引起螺距的误差，即床 身导轨与工件旋转中心线不平行，会使切削出的螺纹有 锥度，除产生中径误差外，螺距也产生相应的累积误 差。螺距误差沿着被加工螺纹的长度逐渐增大（ 当锥度 方向相反，则螺距误差为递减） 。床身导轨在水平面内 偏斜产生的误差，可以通过移动后顶尖来校准。 % 床身导轨在垂直平面内倾斜引起螺距的误差。车 刀前刀面应当在与工件中心等高的位置上，这样才能车 削出正确的牙型。由于车床床身导轨在垂直平面内倾 斜，加工过程中会改变车刀纵向走刀运动方向，使前刀 面高于或低于工件中心距离，而高于或低于工件中心距 离沿着工件全长各点会逐渐增大，因而除引起牙型误差 外，还产生累积性的螺距误差，所以床身导轨在垂直平 面内倾斜要加以严格控制。 & 机床前后顶尖的不同心。机床前后顶尖在水平面 内的不同心与机床导轨在水平面内的偏斜使工件所产生 的误差相同。而机床两顶尖在垂直平面内不同心所产生 的误差与机床导轨在垂直平面内倾斜相同。此外，还由