變螺距多頭螺紋鏈加工技術

劉林 何小虎 王尊義

摘 要：大導程多頭復合螺紋鏈產品通常采用銑削加工，在加工過程中受銑削特性的制約，易出現加工毛刺大、產品變形量不容易控制的缺點。本文通過對傳統銑削加工中大導程多頭復合螺紋鏈產品結構分析，根據結構特點優化為車削加工。通過對數控車床螺紋加工原理的擴展，對特殊產品進行特殊分析，從材料特性、專用刀具、切削參數等方面入手，成功解決了大導程多頭復合螺紋鏈薄壁產品在銑削加工過程中出現的問題，加工效率有了成倍提升。不僅拓寬了該類零件的加工思路，也為同類產品積累了可靠的加工經驗。

關鍵詞：多頭變螺距螺紋;車削加工;錐形螺紋

1引言

隨著航天事業的不斷發展，航天新型號產品的科研生產任務不斷增加，伴隨著航天產品的型譜化，航天產品呈現出結構類似，規格差異的特點。針對航天產品這種求同存異的特點，對某一類結構產品的加工技術提升，可以引用到整個系列產品的加工，對系列產品的加工質量效率都有顯著提升。

本文針對大導程多頭復合螺紋鏈薄壁產品的結構特點，由銑削加工優化為車削加工，解決了產品毛刺大，產品變形量大的加工問題。從材料特性、專用刀具、切削參數、宏程序等方面入手，積累了大導程多頭復合螺紋鏈薄壁產品的加工經驗。

2產品特點及加工方案

2.1產品零件特點

該零件共9條螺旋槽，每條螺旋槽深3mm，槽寬為4mm，筋寬為2.14mm，槽底壁厚只有2mm，產品材料為GH4169。產品外徑公差0.03mm，內孔公差為0.05mm，是典型的復合螺紋鏈薄壁類零件。該零件的形狀如圖（1）所示：

2.2傳統銑削加工方法與特點

該類型零件的加工，傳統的加工方法是在四軸加工中心上，用直徑略小于槽寬的銑刀、利用工裝裝夾采用端面壓緊，采用雙側銑削的方式先將第一條槽的深度3mm加工到尺寸，再進行下一條槽的加工，依次加工完成。

在銑削加工過程中，因銑加工是斷續切削，加工過程中產生的震動與抗力較大，導致產品變形嚴重。由于零件是薄壁件且精度要求高，公差只有0.03mm，極易出現產品變形超差。銑削加工過程中因銑削特性導致復合螺紋的筋頂會出現翻邊毛刺，鉗工去除毛刺的工作量較大，對鉗工的操作技能要求較高，稍有不慎就會導致產品超差甚至報廢。另外，該零件的材料為GH4169 ，GH4169 材料在650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的首位，硬度高、強度大、導熱性差在機械加工中易產生加工硬化。受零件結構限制，立式銑刀直徑不能大于4mm，銑削過程中的刀具磨損與消耗量極大，從而影響到加工成本。

2.3加工技術優化

針對銑削加工的加工周期較長，牽涉的工種工步較多，影響到產品的效率與質量，采用車加工可對加工技術進行優化，對比如下表1：

3車削原理分析

在不帶C軸功能的數控車床上加工多頭螺旋線，要實現螺旋線在圓周方向上的分度，必須通過改變螺旋線加工的循環起始點Z點的坐標（螺紋的起始加工位置）來實現分度，每此起始點Z點的坐標沿Z軸偏移一個螺距來實現分度，也就是變化螺紋的起始位置，終點坐標不變，來完成零件的分度加工。普通數控車床一般都不具備C軸功能，加工復合螺紋鏈時不具有自動分度功能。要實現螺旋線在圓周方向上的分度，需通過對產品回轉直徑和螺旋升角（導程角）進行計算，通過改變螺紋加工的循環起始點Z點的坐標來實現分度，若要獲得Z點坐標（即螺距），需將螺紋線的外表面展開為一個三角形。D為螺旋線最大直徑，c、b長度為導程，θ為導程角，n為螺旋線線數（該零件為1）。根據公式：

4刀具選擇與裝夾

4.1對刀問題與解決方法

在螺旋線車削過程中，經常會因螺紋刀具磨損，崩刀而需重新裝刀對刀，裝刀對刀的好壞直接影響車削螺紋的精度，特別是螺紋的修復車削，需二次裝夾二次對刀，制約了數控車床加工螺紋的加工效率，螺紋加工精度要求較高，例如梯形螺紋的兩側面進行精加工，需先粗加工后換精車刀進行精加工，不能很好地解決加工過程中的裝刀對刀問題。如修復已拆下的工件，這時確定加工起點位置才能進行修復加工工作，如何確定加工起點與一轉信號位置，首先可用試驗棒進行表面深為0.05～0.1mm的螺紋車削（所有參數與需加工螺紋參數相同），Z值為距螺紋起點右端面整數螺紋導程距離值，表面刻出螺旋線，確定螺紋車削起點，并在卡盤圓表面相應位置刻線標記（即使刻線和試驗棒上螺旋起點同一軸向剖面內）。目的是使信號位置被記錄下來，卸下試驗棒，裝夾上要車削或修復的螺紋工件，對刀時先將刀具轉到加工位置，再將車刀移至卡盤刻線部位，轉動卡盤，使刻線對準車刀主切削刃，

然后主軸不轉動，移動刀尖至任意一個完整螺紋槽內，記下對應Z向絕對坐標，最后計算車刀Z向定位起點坐標，根據計算結果修改程序中起點Z向坐標。公式為

n為當前刀具所在螺紋槽到螺紋起點的螺紋槽的個數，t為螺距。

新加工起點Z向為2。

車削螺紋過程中裝刀和對刀至關重要，特別是二次車削（修復）螺紋，要在已有螺紋溝槽基礎上進行螺紋車削，其關鍵就是要實現加工時保證主軸零位信號位置與工件上已有螺紋螺旋線的起點相一致。

4.2刀具的選擇與使用

刀具裝夾時應保證刀具中心軸線在螺旋線的法向上，這需要保證2點：一是保證切削刃在零件外圓的最高點，一是保證刀具偏角與螺旋升角θ值一致。前者可以通過調整刀具的中心高來實現，后者則需要調整刀具的偏角來實現。調整刀具偏角有兩種方式，一是刀刃與刀桿本身偏角θ;一是刀刃與刀桿平行，加工中調整刀桿偏角。由于GH4169材料難切削的特點，需要盡量保證刀具的剛性，而刀刃與刀桿偏角的方式存在兩個明顯的弊端：刀具剛性難以保證和偏角θ難以保證。因此刀具只能選擇刀刃與刀桿平行，加工中調整刀桿偏角的方式。

確定刀具形式后，應選取較小的刀具后角，以防止刀具折斷;選取適中的刀具前角，緊要保證切削刃足夠鋒利，同時不會出現蹦刃現象。因此刀具左側后角取3°～5°，右側后角取3°～5°，前角取15°～20°，在保證刀具角度的前提下盡量保證刀具的厚度，以增強刀具的剛性。

5切削參數

螺紋加工時采用螺紋分層車削，且粗精車分開加工，車削過程中徑向進刀深度為每次0.1mm，粗加工時進刀時先由螺旋槽中間車一刀，9條槽車完，再向右平移（槽寬-刀寬）/2，再左平移（槽寬-刀寬）/2，一層車削完成后再向徑向進刀，直至加工至槽深尺寸。螺紋的大徑加工時留0.2mm精加工余量，加內孔也預留0.2mm精加工余量，螺紋鏈加工完成后再進行內外形的精加工 ，通過檢測產品的精度能保證在0.005mm以內，且車后螺紋毛刺較小不需要進行專業鉗工工序。螺紋加工過程中，主軸轉速對加工質量和效率影響最大。轉速高低會影響刀具壽命、加工效率、螺紋兩側表面粗糙度、產品變形量。在加工程序不變的情況下通過實驗對比（表2）得出主軸轉速應為60r/min效果最好。

6小結

利用宏程序對復合螺紋鏈進行車削加工，解決了大導程多頭復合螺紋鏈薄壁產品在銑削過程中出現的工序復雜、精度難以保證、加工效率低下的問題。通過對GH4169材料復合螺紋鏈產品的加工技術優化，掌握了該材料、該類產品最佳的刀具選擇、切削參數以及宏程序編制方法。為同類產品的加工積累了寶貴的經驗。

參考文獻

[1]周維泉，螺紋的數控車銑加工，機械工業出版社，2017

[2]時代傳播，螺紋加工，機械工業出版社，2010