螺纹及其加工
出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《钣金技术手册》第187页（6124字）
(一)螺纹的种类及要素
1．螺纹的分类
螺纹可作为紧固、连接、传动及止推承重之用。若按用途的不同，其结构形式和技术要求也各不相同，通常分为两大类。
(1)连接螺纹：连接螺纹用于零件间的固定连接，如螺栓和螺钉的螺纹等。作为紧固螺纹的基本要求是可旋入性和连接的可靠性，其结构多为三角形普通螺纹(图3－26a)。
图3－26 螺纹载面形状
a．三角形螺纹 b．方牙形螺纹 c．梯形螺纹
(2)传动螺纹：传动螺纹用于传递动力和运动，如机床丝杆螺纹等。作为传动螺纹的基本要求是传动精度，即传动准确、可靠、螺牙接触良好及耐磨等。止推螺纹的基本要求是载荷的承受能力，其二者螺纹的结构多为方牙形和梯形螺纹(图3－26b、c)。
2．螺纹的几何要素
螺纹的基本几何要素如图3－27a所示，为了获得外螺纹和内螺纹正确的配合，螺纹必须具备五个基本几何要素。
图3－27 螺纹的要素
a．几何要素 b．升角与螺旋角
(1)大径(d或D)和小径(d1或D1)：大径为外螺纹的牙顶直径或内螺纹的牙底直径，小径为外螺纹的牙底直径或内螺纹的牙顶直径。其中小写字母表示外螺纹，大写字母表示内螺纹(以下均同)。
(2)中径(d2或D2)：轴向剖面内，牙厚等于牙间距的圆柱直径，即一个假想的圆柱直径，该圆柱的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相等的地方称为中径。
(3)螺距(P)：螺纹相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离称为螺距P。公制螺纹的螺距以毫米(mm)表示；英制螺纹则以每英寸若干牙表示，即螺距P=25．4／n(mm)，n为工件每英寸长度内的螺纹牙数；模数螺纹(蜗杆)的螺距以P=nm(mm)表示，m为蜗杆模数。
(4)牙型半角α／2与牙型角α：牙型半角α／2是指螺纹牙型的一条侧边与螺纹轴线的垂直线间的夹角，普通三角形螺纹的α／2=30°；螺纹牙型的相邻两牙侧间的夹角称为牙型角α，普通三角形螺纹α=60°，英制螺纹α=55°，梯形螺纹α=30°，模数螺纹α=40°。
(5)螺纹升角(ψ)与螺旋角(β)：如图3－27b所示，在中径圆柱上螺旋线的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角，即为螺纹升角ψ，在中径圆柱上螺旋线的切线与通过切点的母线之间所夹的锐角，即为螺旋角β。
相配合的内、外螺纹，除旋向、线数需要一致外，配合质量主要取决于牙型角α、螺距P和中径D2(d2)三个基本要素的精度。当螺距和牙形半角存在误差时，可通过改变外螺纹和内螺纹中径的方法，保证外、内螺纹的旋合性。
因此，在普通螺纹公差标准中，对螺纹三要素只规定了中径的公差，用它可限制实际的中径、螺距及牙形半角三个要素的综合误差。GB197－81规定内螺纹中径D2的公差等级分为4、5、6、7、8级，外螺纹中径d2的公差等级分为3、4、5、6、7、8、9级，数字越小则精度越高。
(二)螺纹紧固件标记
1．螺纹的标记
螺纹的完整标记由螺纹代号、螺纹公差带代号和旋合长度代号组成。
(1)外螺纹的标记示例：
(2)细牙内螺纹的标示例：
2．螺纹紧固件的标记
螺纹紧固件是运用一对内、外螺纹的连接作用连接和紧固一些零件和部件。常用的螺纹紧固件有螺钉、螺栓、螺柱和螺母等，其结构、尺寸均已标准化，可根据表3－6中各紧固件的形状和规定标记，在相应的标准中查出有关尺寸。
表3－6 常用螺纹紧固件的标记示例(mm)
(三)螺纹加工方法及应用
螺纹的加工方法很多，有车削螺纹、铣削螺纹、磨削螺纹和攻螺纹与套螺纹等。其中攻螺纹与套螺纹多用于直径在16mm以下的内外螺纹加工，加工后的中径公差等级可达8～6级，Ra可达6．3～1．6μm。攻螺纹应用广泛，特别是小直径的内螺纹几乎是唯一有效的加工方法。
1．螺纹加工方法的选择
选择螺纹的加工方法时，要考虑诸多因素，其中主要是工件形状、螺纹牙型、螺纹尺寸及精度、工件材料和热处理，以及生产类型等。表3－7列出了常用的螺纹加工方法及特点，可以作为选择螺纹加工方法的依据和参考。
表3－7 螺纹常用的加工方法
2．攻螺纹的工具
(1)丝锥结构：丝锥结构如图3－28a所示，其材料为合金工具，经热处理淬硬，由工作部分和柄部构成，工作部分包括切削部分和校准部分。
图3－28 丝锥结构及辅具
a．丝锥外形及工作面角度 b．车床攻螺纹辅助工具
切削部分呈圆锥形，有锋利的切削刃，起定位和主切削作用，并使各齿分担切削负荷。校准部分起导向、校准和修光作用。柄部末端有方榫，用以安装铰杠并传递扭矩。
丝锥上开有3～4条纵向沟槽，以形成刀刃和利于排屑。标准丝锥刀刃的前角γ=8°～10°，后角α=6°～12°，校准部分的后角α=0°。
(2)机用丝锥：丝锥分为机用丝锥和手用丝锥两种，每种又分粗牙和细牙两类，以满足加工不同的内螺纹。机用丝锥(图3－28b)是装在钻床、车床或镗床上运用的，一般为两支一套，也有单支的。切削部分的后角一般为10°～12°，校准部分的后角有很小的角度，丝锥的螺纹预先磨好。
攻通孔螺纹时，一般都是用切削部分长的头锥一次攻出；攻盲孔螺纹时，则必须用二锥再攻一次，以增加螺纹有效部分的长度，但其一锥的切削部分长度应选择合适。
(3)手用丝锥：钣金工主要使用手用丝锥，并为减轻攻丝时切削力、提高丝锥的耐用度，一般用几支丝锥分担完成。
通常M6～24mm的丝锥每套两支，M6mm以下和M24mm以上的丝锥则每套三支，即头锥、二锥和三锥，内螺纹依次由三个丝锥逐步攻出。细牙丝锥不论粗细均为两支一套。两支一套的丝锥(图3－29a)，头锥斜角为17°，切刃约占6个牙，可完成总切削量的75%；二锥斜角为20°，切刃约占2个牙，可完成总切削量的25%。
图3－29 丝锥组成及工件状态
a．两支一套 b．三支一套
三支一套的丝锥，头锥斜角为4°，切刃有5～7个牙；二锥斜角为10°，切刃占3～4个牙；三锥斜角为20°，切刃占1～2个牙。三支丝锥的切削分配量为60%、30%、10%(图3－29b)。分担切削可使丝锥磨损均匀、使用寿命长且操作较省力。
(4)铰杠：铰杠是扳转丝锥的工具，如图3－30所示，常用的是可调节式铰杠，转动右边手柄或调节螺钉(图3－30b)，即可调节方孔大小，以便夹持各种不同尺寸的丝锥。
图3－30 各种形式的铰杠
a．固定式 b．可调节式样 c．活动丁字式 d．固定丁字式
铰杠的规格要与丝锥大小相适应(表3－8)，小丝锥不宜用大铰杠，否则丝锥容易折断。
表3－8 各种形式的铰杠
3．攻螺纹方法
攻螺纹是用丝锥在孔内切削内螺纹的操作方法。
(1)螺纹底孔直径的确定：由于丝锥工作时除了切削金属以外，还有对金属材料产生挤压作用，使材料扩张，因此钻孔孔径应稍大于螺纹的内径，钻孔用的钻头可按经验公式计算选取，即
1)螺纹螺距P≤1．5mm时，钻头直径d2≈螺纹直径d－螺距P。
2)螺纹螺距P＞1．5mm时，钻头直径d2≈d－(1．04～1．08)P。
部分普通螺纹攻丝前钻孔用的钻头直径如表3－9所示。
表3－9 钻基本螺纹底孔的钻头直径(mm)
钻不通螺纹孔时，由于丝锥不能切到底，所以钻孔深度要大于螺纹长度，其大小可按下式计算：
孔的深度=要求的螺纹长度+0．7d(d为螺纹外径)
(2)攻螺纹步骤及要领(图3－31a)：首先选用相应的钻头钻底孔，并对孔口倒角。正确装夹工件于合理位置，使螺孔中心线置于水平或垂直位置，使丝锥中心线与底孔中心重合，并用直角尺在互相垂直的两个方向检查(图3－31b)。
图3－31 攻螺纹方法及工具
a．攻螺纹步骤 b．检查丝锥位置 c．光制螺母 d．导向板 e．导向套
头锥起削时要保证位置精度，当对丝锥刃稍加力后，应顺时针均衡平稳地转动铰杠，且每旋转1／2～1圈时就应反转1／2圈，使切屑碎断后排出；当切入1～2圈时，从互相垂直的两个方向用肉眼观察或用直角尺检查。
为了便于正确起削，可在丝锥上旋入光制螺母、配置导向板(图3－31c、d)，或将丝锥插入导向套(图3－31e)内进行起削。
二锥及三锥按顺序攻削，先用手将丝锥旋入后，再用铰杠攻，以防未对准原螺纹而造成乱扣。并选择与钻孔时相同的切削油经常润滑，以减小切削阻力、减少螺纹表面粗糙度。
4．套螺纹的工具
用板牙在圆杆、管子外径上切削出外螺纹的一种加工方法。
(1)圆板牙及板牙架：板牙有固定和开缝可调两种，图3－32a所示为开缝式板牙，材料为碳素工具钢或高速钢，结构由切削部分、定径部分和排屑孔组成。
图3－32 板牙及板牙架
a．开缝式板牙 b．板牙架
圆板牙两端有40°～50°的锥角形成切削部分，其前角γ一般为15°～25°，后角α为7°～9°。定径部分起修光作用，其前角为4°～6°，后角为0°。其圆周上有一条深槽和几个对称的锥坑，用以定位和紧固板牙，并微调板牙螺纹孔的大小。
板牙架用以安装板牙，并带动板牙旋转进行套螺纹(图3－32b)，板牙架四周有固定和调整螺钉。为了减少板牙架的数目，在一定的螺纹直径范围内，板牙的外径相等。板牙架的选择，由圆板牙的大小而定。
(2)螺纹切头：单件小批生产时利用板牙加工，而大批量生产时常用螺纹切头加工。图3－33是带圆形梳刀的螺纹切头，四个圆形梳刀在轴向按顺序错开1／4螺距，以使刀齿均位于螺旋线上。
图3－33 圆形梳刀外螺纹切头
a．结构图 b．梳切分布图
加工螺纹时，螺纹切头安装在车床尾座上，调整好圆形梳刀的径向位置，开动机床，工件旋转，螺纹切头逐渐切入工件即可加工出外螺纹。切削终了时，松开螺纹切头上的手柄，梳刀自动张开，螺纹切头即可快速退出。在成批生产的回转形件上应用较广泛。
5．套螺纹方法
(1)套螺纹前圆杆直径的确定：套螺纹与攻螺纹一样，工件材料也要受到挤压而凸出，使切削阻力增大，若圆杆直径选择不当，则板牙不仅容易损坏，还会影响螺纹质量，所以圆杆直径应比螺纹外径小0．2～0．4mm，也可以由经验公式计算，即
圆杆直径dg=螺纹直径d－0．13P
普通螺纹用板牙套丝时的圆杆直径如表3－10所示。
表3－10 板牙套丝前工件的直径(mm)
(2)套螺纹要点：套丝前圆杆端头要倒角(图3－34a)，角度为15°～20°。装夹工件时，将圆杆夹在台虎钳的软钳口内，夹正紧固。套丝时，将板牙端面与圆杆垂直，开始转动板牙架时要稍加压力，当板牙已旋入圆杆后不再用力，只要均匀旋转即可；为了断屑，常需要倒转板牙架(图3－34b)。套丝中加切削油，以提高工件质量和延长板牙使用寿命。
图3－34 套螺纹方法
a．圆杆倒角 b．套扣操作