高硬度旋壓機輪軸的螺紋銑削加工

■ 湖北三江航天江北機械工程有限公司 （湖北孝感 432000） 周榮軍 毛華章 劉偉峰 劉志清

隨著航空航天、石油化工及冶金等工業的蓬勃發展，淬硬鋼得到廣泛應用。由于淬硬鋼的硬度高，加工時所需切削力大，切削脆性大，使刀具產生崩刃，破損嚴重。我公司某型旋壓機輪軸軸肩處均布6處M20螺釘，由于該軸本身材料硬度高，加工螺紋孔位置狹小，給加工帶來了難題。本文從裝夾方案、刀具選用、切削參數以及銑削加工程序等方面對高硬度材料螺紋銑削加工進行闡述。

1. 零件分析

我公司某型旋壓機輪軸采用42CrMo材料，熱處理調質硬度250～280HBW，輪軸表面采用高頻淬火，硬度55～60HRC，淬火厚度為2.0～2.5mm，在使用過程中該軸肩處均布6處M20螺釘。由于長期受剪切力而斷裂，需在該軸肩處錯位重新加工6個M20-7H螺紋孔。由于該軸身經過淬火后硬度高且加工螺紋孔位置狹小，在加工時要選用合適的刀柄以避免發生干涉。該產品的主要加工難點是在淬硬鋼材料上進行鉆削、銑削和螺紋銑削，結合淬硬鋼的特點正確選用刀具，給定合理的銑削速度和進給量。

2. 銑削高硬度鋼螺紋銑刀的選用原則

（1）螺紋銑刀的分析 在銑削過程中，刀具切削部分在很大切削力和很高的切削溫度下工作，有時還要受到強烈的沖擊力，因此刀具材料必須具備高硬度和耐磨性、高強度和韌性及高耐熱性。

1）高硬度和耐磨性。刀具要從工件上切除多余的金屬，其硬度必須大于工件材料的硬度。一般常溫硬度應超過60HRC。硬質合金的硬度可達89～95HRC。耐磨性與硬度有密切關系，硬度越高，均勻分布的細化碳化物越多，則耐磨性越好。

2）高強度和韌性。在切削過程中，刀具承受很大的壓力，同時還受到沖擊，產生振動，為了不產生崩刃或折斷，刀具材料必須具有足夠的強度和韌性。

3）高耐熱性。耐熱性是指在高溫下刀具材料保持上述性能的能力，可用紅硬性表示。高溫下硬度越高則紅硬性越好，硬質合金的紅硬性達到約900℃。

結合以上刀具的特點，在加工60HRC以上的高硬度鋼時，優先選用整體硬質合金銑刀。

硬質合金中高熔點、高硬度碳化物含量高，因此硬質合金常溫硬度很高，達到78～82HRC，熱熔性好，可達800～1 000℃，切削速度比高速鋼提高4～7倍。硬質合金缺點是脆性大，抗彎強度和沖擊韌度不強。抗彎強度只有高速鋼的1/3～1/2，沖擊韌度只有高速鋼的1/35～1/4。硬質合金主要有鎢鈷類、鎢鈦鈷類、鎢鈦鉭（鈮）鈷類、碳化鈦基類及超細晶粒硬質合金等。

（2）螺紋銑刀的種類及加工原理 在螺紋銑削加工中，三軸聯動數控機床和螺紋銑削刀具是必備的要素，螺紋銑削刀具主要分為兩種：一種是單齒型螺紋銑刀；另外一種是密齒型螺紋銑刀（見圖1），單齒型螺紋銑刀與螺紋車刀類似，在加工時刀具沿徑向旋轉一周，同時軸向下降一個螺距即可完成一個螺距的螺紋銑加工，該類刀具相較于密齒型螺紋銑刀，由于單刃銑，銑削力小，同一種刀片可以銑削不同螺距的螺紋，但是效率較低。

密齒型螺紋銑刀類似于螺紋絲錐，但是刀具上無螺紋升程。加工時沿螺旋線加工一周即可完成整個螺紋，加工切削平穩，加工效率高，銑削力較大，制造成本高。

圖1 密齒型螺紋銑刀

3. 旋壓機輪軸螺紋孔的加工方法

（1）旋壓機輪軸材料特性分析 旋壓機輪軸材料經過表面淬火后硬度達到60HRC，軸肩處6個M20-7H螺紋孔均勻分布。淬火鋼的硬度達到50～60HRC時，其強度可達2 100～2 600MPa，按照被加工材料加工性分級規定，淬火鋼的硬度和強度均為9a級，其硬度高、強度高且塑性低，抗拉強度達到了2 500MPa，要從高硬度和高強度的工件上切除材料，其單位切削力可達4 500MPa，在銑削時切削刃易崩碎，磨損嚴重。

（2）工藝方案的確定 由于該旋壓機輪軸長度達到1 200mm，加工位置位于軸肩處，所以采用臥式鏜銑床加工。采用海天精工（HTM-160H/D）數控臥式鏜銑加工中心，FANUC-18i系統，主軸功率37.5kW，行程2 500mm×2 000mm×1 500mm，主軸最高轉速2 500r/min，最高進給速度6 000mm/min。主軸刀柄選擇BT50-ER20-125型號（軸頸到螺紋孔的位置只有單邊25mm），待加工軸采用V形鐵定位，壓板壓緊的方式如圖2所示。

圖2 壓板壓緊方式

（3）加工內容 ①鉆底孔至φ10.6mm，深度28mm。采用φ10.6mm硬質合金鉆頭（瓦爾特），轉速n＝800r/min，進給量f＝0.05mm/r。②擴孔至φ17.6mm，深度25mm。采用φ10mm硬質合金銑刀（韓國YG，型號GFC89100），轉速n＝800r/min，f＝0.02mm/r，銑削方式為層切、順銑。③銑6個M20-7H均布螺紋，深度24mm。采用φ14mm螺紋銑刀（輝瑞整體硬質合金螺紋銑刀，銑刀型號D14×2.5-70），轉速n＝1 600r/min，f＝0.04mm/r，銑削方式為自上而下，分層逆銑。

（4）螺紋銑刀的選擇 按照以下幾個步驟進行選擇。

1）采用整體式硬質合金螺紋銑刀，該刀具上無螺紋升程，加工中的螺旋升程靠機床運動實現，刀具剛性好，特別是帶螺旋槽的整體式硬質合金圓柱螺紋銑刀，在加工高硬度材料時可有效降低切削負荷，提高加工效率。

2）采用圓弧切入切出法，刀具切入、切出平衡，不留任何痕跡、不產生振動。全齒加工非常硬的材料時，當切入接近全牙型時，由于刀具與工件的接觸面積大，極易產生振動。要注意的是，為避免切入接近全牙時的振動，進給量應盡量降低到螺旋插補進給量的1/3。刀具切入時采用圓弧軌跡，通常為1/2或者1/4圓弧進行切入切出，同時Z軸方向也相應行進1/2或者1/4，以保證螺紋形狀。

3）采用梳齒整體硬質合金銑刀在銑削大螺距螺紋時，為避免因銑削力過大而造成銑刀崩刃或者產品發生共振，在路線上采用單齒型螺紋銑刀的銑削方式，第一排切削刃銑削，后面的切削刃還可以去除殘余余量，達到修光效果，加工完成后零件如圖3所示。

（5）螺紋銑削程序 應用的數控系統為FANUC-18i，程序如下。

圖3 加工完成后的零件

O0061；程序名

N10 G90G0G80G69G40G54G49；系統初始化，選定G54工件坐標系

N15 M3S1600；主軸正轉，轉速1 600r/min

N20 Z150 M08；刀具移動至初始高度，切削液開

N25 #20＝30；平面旋轉初始角度

N30 WHILE[#20LT360]DO1；如果#20＜360，循環繼續執行下面程序

N35 G68X0Y0R#20；平面坐標系旋轉

N40 GOX90Y0；刀具移動到孔位坐標點

N45 Z5；刀具移動到工件表面上方

N50 #1＝10；螺紋大徑的半徑值

N55 #2＝6.96；刀具半徑值

N60 #3＝2.5；螺距

N65 #6＝[#1-#2]；螺紋大徑半徑值與刀具半徑值的差

N70 #4＝#6/2；螺紋大徑半徑值與刀具半徑值的差的一半

N75 #10＝0；Z軸切入初始坐標

N80 G1G90Z#3F200；刀具移動至起始點上一個螺距的位置

N85 G1G91Y-#6F100；Y軸相對移動螺紋大徑半徑值與刀具半徑的差

N90 WHILE[#10LE25]DO2；如果#10≤25執行下面的程序段

N95 G90G02J#6Z-#10F240；銑削一個螺距

N100 #10＝#10+#3；當前Z值增加一個螺距值

N105 END2；循環程序結束，返回起始段N90

N110 G02G91X-#4Y#4R#4Z-[#3/4]F50；1/4螺距切出

N115 G1X#4Y#4；移動到孔位中心點

N120 G0G90Z200；退至安全高度

N125 #20＝#20+60；旋轉角度增加60°

N130 END1；循環程序結束，返回起始段N30

N135 G0Z300M09；退至起始高度，切削液關

N140 M05M30；主軸停止，程序結束

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4. 結語

通過對高硬度鋼的特點及加工難點的分析，針對典型零件在特定加工設備上采用正確的定位方法以保證零件在加工過程中的牢固性，在螺紋銑削加工時選用正確的硬質合金刀具材料、刀具結構，選用梳齒型螺紋銑刀，在加工時執行單齒螺紋軌跡，同時選用合適的切削參數，保證在螺紋銑削時產品的剛性、刀具的有效切削時間，加工后螺紋可以滿足工藝要求。