小孔径布锥管螺纹气瓶瓶口加工工艺分析及数控加工程序编制

2020-07-07刘辉

装备维修技术 2020年30期

刘辉

摘要：传统的高压气瓶瓶口螺纹通常采用布锥管螺纹，其优点很多：连接方便，密封可靠，可与标准阀体连接，允许多次重复使用。传统的气瓶瓶体通常采用热旋压技术加工而成，其瓶壁很厚，加工锥螺纹时通常夹持圆柱瓶身，使用专用锥形丝锥加工或专用气瓶螺纹数控设备。由于市场需求，中低压气瓶及各种灭火器种类不断增加，瓶口密封形式日趋多样化，瓶体壁厚相对传统气瓶变薄很多，常采用拉伸与焊接工艺制造，重量大大降低。但采用小孔径布锥管螺纹瓶口的中低压气瓶种类较少，并不是该种螺纹优点少，主要是加工该型螺纹受到如下工艺问题的限制：1.新型中低压气瓶瓶体通常采用钢板拉伸而成，瓶口作为单独零件与瓶体上、下封头焊接而成为整个气瓶瓶体，瓶体壁厚较薄，若夹持其瓶体加工螺纹，会使其产生一定的变形及损伤;2.若使用丝锥先行加工单独的瓶口配件，因攻丝产生的扭力很大，夹持较小瓶口配件外圆表面攻丝时，瓶口配件容易相对夹具产生窜动造成工件及丝锥损坏;3.采用专用气瓶螺纹加工设备加工瓶口螺纹通常使用专用铣刀，而用该方法加工小孔径锥螺纹时，因铣刀的几何尺寸过小，使刀具制造难度加大，同时小铣刀的低刚性会导致加工效率和质量降低;4.采用普通数控车床加工小孔径锥螺纹瓶口配件（例如PZ19.2），因孔径小（13mm）而螺距大（1.814mm），牙型角垂直于母线而非轴线，没有对应的标准数控车床用内孔螺纹刀杆和刀片，加工过程中排屑困难，加工质量难以控制。本论文主要针对第4种工艺问题进行分析和提出已经实际验证的详细解决方案。

关键词：锥螺纹;加工;分析

一、瓶体制造工艺分析

（一）瓶体上封头与瓶口配件焊接示意图：

（二）瓶体制造工艺过程：

1. 上、下封头制造（包括下料、拉伸、切边、坡口车削等工序）;

2. 瓶口配件制造（包括下料、粗车外形、钻孔、精车内孔及螺纹等工序）;

3. 上封头与瓶口配件焊接;

4. 下封头与上封头焊接;

5. 瓶体强度及密封性检验（水压试验、气密试验等）。

二、瓶口配件制造工艺分析

（一）瓶口配件简图：

（二）瓶口配件制造工艺过程：

1. 下料（φ30×300棒料，20#低碳钢）;

2. 车外圆、止口、钻孔、切断（使用设备：数控车床CAK3665nzi）;

3. 精车螺纹底孔、倒内外角、车PZ19.2内螺纹（使用设备：数控车床CAK3665nzi）。

三、螺纹刀具制造、中心规制造及对刀

（一）刀具制造：

1.刀具材料：优质高速钢W18Cr4V、14×14方形刀条。

2. 刀具刃磨：① 刀尖角54.5°～55°;

② 径向前角3°～5°;

③ 刀具两切削刃的对称中心线与刀杆夹角不是90°，而是86°34′。（见图1）

（二）中心规制造：

1. 中心规型号：55°三角;

2. 磨削中心规一短侧边，使其与二长侧边（即对刀时的工件轴心线）成86°34′夹角。（见图1）

（三）对刀（见图1）

四、PZ19.2内螺纹加工使用固定循环指令G92与使用复合循环指令G76切削效果分析

（一）使用固定螺纹切削循环指令G92加工PZ19.2内螺纹时，由于刀具两切削刃始终同时切削，且受力不均，当切至最后几刀时，极易发生震颤，导致工件加工质量降低及刀具的损坏。两切削刃受力分析圖如下：

假设完成总切深的第n刀切削切深为△h，螺纹工作高度经计算为1.165mm，右侧刀刃切削面积为Q1=△h×1.165×tg30.9°;左侧刀刃切削面积为Q2=△h×1.165×tg24.1°。对于一般结构钢，主切削力经验公式为FZ=τS×Q×（1.4ξ+k），公式中Q为切削面积。由此得出两侧刀刃主切削力比值为FZ1/FZ2= tg30.9°/tg24.1°=1.337。若设左侧刀刃切削中所受轴向抗力与径向抗力矢量和为FXY2，则右侧刀刃切削中所受轴向抗力与径向抗力矢量和为1.3FXY2。右侧刀刃所受径向抗力Fy1=1.3×FXY2×cos59.07°=0.668FXY2，左侧刀刃所受径向抗力Fy2= FXY2×cos65.93°=0.407 FXY2 。右侧刀刃所受走刀抗力FX1=1.3×FXY2×sin59.07°=1.11 FXY2，方向向左;左侧刀刃所受走刀抗力FX2= FXY2×sin65.93°=0.913 FXY2 ，方向向右。由此得出结论：右侧刀刃所受吃刀抗力Fy及走刀抗力FX均大于左侧刀刃所受相应抗力，因而工件对刀具的轴向合力方向向左，与刀具运行方向相同，易造成刀具的轴向窜动从而引发震颤。（与顺铣易产生震颤的原理相同）

（二）使用复合固定循环指令G76加工PZ19.2螺纹时，粗车过程中始终用左侧一个刀刃进行切削，工件对刀具的轴向力向右，与刀具运行方向相反。该种进刀方式减小了切削阻力，避免了刀具震颤，提高了刀具寿命，为螺纹的精车质量提供了保证。但G76指令设定的锥螺纹牙型角垂直于轴线而非母线，而PZ19.2的螺纹牙型角垂直于母线，这就需要进行相应的计算，得出对应的牙型角值。角度计算示意图如下：

PZ19.2锥螺纹牙尖角为55°，半锥角为3.43°，经计算，若使用G76代码加工PZ19.2螺纹，对应的牙型角应为61.87°。而G76代码只允许使用整数角度，则应首选61°、62°两种：图3所示为使用G76代码加工PZ19.2锥螺纹选用61°牙型角加工螺纹的示意图。假设螺纹刀刃磨角度为53.26°（实际应为54.5°～55°），且安装刀具时让刀具右侧刃与修磨后的中心规呈0.87°/2 = 0.435°夹角（实际应呈0～0.25°夹角），即使加工后的螺纹牙型角为53.26°，则与PZ19.2理想牙型的径向偏差为0.03mm。

图4所示为使用G76代码加工PZ19.2锥螺纹选用62°牙型角加工螺纹的示意图，假设螺纹刀刃磨角度为55.26°（实际应为54.5°～55°），且安装刀具时让刀具右侧刃与修磨后的中心规呈-0.13°夹角（实际应呈0～0.25°夹角），即使加工后的螺纹牙型角为55.26°，则与PZ19.2理想牙型的径向偏差为0.005mm。

综上所述，实际加工螺纹时，刀具刃磨角度为54.5°～55°，按图1所示方法安装刀具及对刀，所用G76代码的R参数（精加工余量）大于0.03mm，即可消除G76代码粗加工的牙型角偏差（牙型角选61°或62°），即精加工后的实际牙型角由刀具决定。

现初步将第一次螺纹切削深度△d定为0.27mm，精车余量定为0.03，对应牙型角选为61°，将△d=0.27代入公式△d×√n = 1.15-0.03=1.12，计算得出n =17.2，圆整取为n = 18将其代入公式△d×√n =1.12 ，精确计算得出△d = 0.264mm。进一步计算螺纹粗车时的最小切削量△dmin ≤（）×0.264 = 0.0315即可，若设定转速为750（转/分），螺距1.814（mm），精车次数定位4次，则总切削长度32×（18+4）=704（mm），螺纹需切削时间约为38秒。现将经过实际验证的加工程序（已完成3000件）公布如下：

……（车内孔锥面及倒角程序段）;

G00 Z150;

T0404;

G00 X13 Z15;

Z2;

G76 P040361 Q315 R0.03;

G76 X15.45 Z-30 R1.915 P1150 Q2640 I14;

……;

各参数取值如下：

1. 精车次数：4;

2. 螺纹退尾长度：0.3×1.814 = 0.54（mm）;

3. 牙型角：61°;