雙頭深矩形螺旋槽切削加工優化

■ 太重（天津）濱海重型機械有限公司 （天津 300450） 張宏娟

料室內襯是我單位生產的炭素擠壓機的關鍵零件之一，材質ZG35CrMo，熱處理硬度200～260HBW。圖1為41MN炭素擠壓機內襯結構尺寸及三維示意圖，從圖中可知，在不足90mm壁厚（見圖1b）的內襯外圓上設計有長2 400mm，螺距200mm，截面尺寸為50mm×25mm×R16mm雙頭深矩形螺旋槽（見圖1a），其作用是實現料室的煤油循環加熱功能。

目前國內關于如此大型套筒類零件加工大螺距、深矩形截面螺旋槽的技術及經驗很少，我單位對該螺旋槽的加工尚處于探索階段，無成熟工藝可以借鑒，因此料室內襯的切槽工藝研究成為該系列擠壓機生產制造的關鍵技術。

1. 螺旋槽加工初探

因該螺旋槽牙型較深，寬度較大，且為200mm的大螺距，因此切削余量和切削抗力均較大，加工困難。最初使用8mm寬的單一車刀對整個螺旋槽進行仿形加工，進給量設定的很小，內襯切槽耗時高達120h。雖然通過此方法極大地擴展了車刀及數控車床的功能，但加工效率極低，且螺旋槽的表面質量差，難以滿足生產需要。后期我們引進了單一成形刀，循環加工螺旋槽，編程簡單，數控操作性強，但由于圓弧刀360°切削刃，刀具與工件接觸面積大，易產生振動、崩刀，導致切削用量小，切削方式受限，也難以在此次螺旋槽加工中推廣。經過反復試驗，我們克服了在數控車床上采用多把刀準確定位在同一螺旋槽的困難，在數控車床上加工深矩形螺旋槽的技術攻關獲得成功，現以臥式炭素擠壓機內襯為例說明螺旋槽的加工方法。

2. 試驗過程

（1）裝夾及工序安排 因該螺旋槽牙型截面尺寸大，接近工件壁厚的1/3，為避免切削力過大而產生振動，內襯兩端配剛性悶頭，采用卡盤與尾座雙頂尖的裝夾方式 ，增加整個工藝系統的剛性。同時考慮到工件裝配精度高且容易變形，螺旋槽車削工序安排在半精加工和精加工之間。

（2）螺旋槽切削進刀方式 螺紋切削的進刀方式，往往與螺紋牙型、螺距及加工機床密切相關。常用的切削方式有徑向進刀（見圖2a）、側向進刀（見圖2b）和交替進刀（見圖2c），為減小加工中的切削力，臥式車床加工大螺距的梯形螺紋時， 也可采用車直槽法（見圖2d）、車階梯槽法（見圖2e）和分層切削法（見圖2f）進行加工。

針對螺旋槽截面尺寸大、螺距大的特點，切槽采用分層分刀切削的方式，槽深方向分成若干層，每層Z向再分為若干次進刀。由于大部分時間只有一個切削刃進行切削，可有效地控制切除余量，同時保證表面質量，提升刀具的使用壽命。

圖1 臥式炭素擠壓機內襯結構及三維示意

（3）刀具的選擇及對刀方式 為提高切削效率，我們突破原單一刀具加工螺旋槽的思路，采用兩把以上車刀實現螺旋槽的粗、精加工分開。如圖3所示，采用刃長25mm的方形涂層刀片（SNMM250924-TP FP4725），45°主偏角進行粗車，去除大部分加工余量。φ32mm的圓弧車刀（RCMX3209M0RH KC9220）精車，保證螺旋槽根部圓弧質量。

圖3 方形涂層刀片

對于數控車床，要使幾把刀準確定位在同一螺旋槽中進行加工比較困難，要保證粗、精加工車刀的準確定位，在加工及對刀過程中要堅持以下幾個原則。

1）切削螺旋槽前，先完成進、退刀環形槽的加工。一方面方便數控編碼器控制螺旋加工的起刀點，另一方面該環形槽可作為粗、精加工對刀的共同基準。

2）選用45°主偏角車刀進行粗加工，以該車刀的切削刃，即刀尖，為刀位點進行Z軸對刀，以工件外圓（螺紋大徑）進行X軸對刀。

3）精加工選擇圓弧車刀，以圓弧車刀圓心為刀位點進行Z軸對刀，以刀尖為刀位點進行X軸對刀。

4）尖形車刀與螺紋車刀所用刀桿的尺寸一致，保證換刀裝夾后，刀具切削刃高度盡可能一致，減少對刀難度。

（4）宏程序及具體切削過程 切槽前，采用普通車刀在工件表面刻出螺旋線，深度以0.05mm為宜（見圖4a），考慮粗、精加工刀具的切換，此次車削步驟安排如下：第一頭螺紋（SF=0）粗車→第二頭螺紋（SF=180）粗車→第一頭螺紋精車（見圖4b）→第二頭螺紋精車（見圖4c）。 經反復調整參數，車床轉速10r/min，粗加工每層直徑方向上進刀10mm/r，精加工直徑方向上進刀0.8～1mm/r，加工過程較穩定。

現有數控車床為西門子系統，螺旋退刀槽中心設置為Z0，工件外徑為X0，先選用2號車刀粗加工，為方便編程計算，斜進刀單側切削為主，部分宏程序如下。

圖4 螺紋切削過程控制

G90 G95 G54 M03 S10 F1

R1=19

SS：G0 Z=R1

X-10

G33 Z-2400 K200 SF=0

G04F1（為減弱機床慣性影響，暫停1s）

G0X20

Z0

R1=R1-1

REPEAT SS P=38

M05

M30

依次取R1=14，X=－20；R1=9，X=－30；R1=4，X=－40；R1=4，X=－48，并計算相應的循環次數（28，18，8，1），更改程序后完成粗車，具體如圖5所示切削簡化模型。實際操作過程中為縮短切槽輔助時間，也可打斷循環，單次手動編程完成切槽加工。

再選用φ32mm圓弧車刀，先左右交替進刀，隨著螺旋槽加深，增加直進刀，且每層分刀次數根據需要增加，部分宏程序如下。

G90 G95 G54 M03 S10 F1

R1=0

SS: G0Z8

X=－R1

G33 Z-2400 K200 SF=0

G04F1（為減弱機床慣性影響，暫停1s）

G0X20

Z0

G0Z-8

X=-R1

圖5 切削簡化模型

G33 Z-2400 K200 SF=0

G04F1（為減弱機床慣性影響，暫停1s）

G0X20

Z0

R1=R1+0.8

REPEAT SS P=20

M05

M30

實際操作時，為縮短退刀輔助工時，精加工階段多單次手動修改程序，完成螺旋槽的切削，循環編程需根據切削量計算循環次數。

3. 注意事項

1）數控車床加工螺紋時，由于機床伺服系統響應滯后，會出現螺紋切入（切出）距離不同于螺距的現象，分層多刀切削螺紋時，為保證螺紋不亂扣，要求車床主軸轉速不變。

2）在對刀的過程中，接近工件X軸和Z軸時，手搖脈沖發生器進給量選擇0.001mm擋位。

3）圓弧刀切削時，深矩形槽底部直段通過Z軸方向分多次進刀完成，深矩形槽兩側直段分別通過X軸方向多次進刀完成。

4. 結語

通過反復工藝試驗，優化了螺旋槽的加工方案。粗加工時，采用45°主偏角機夾車刀，配方形硬質合金涂層刀片，主切削刃和副切削刃交替吃刀，加工效率高，且編程計算簡便，可操作性強。精加工采用圓弧成形刀片，根部圓弧成形好，經過工藝改進，較單一切削刀具加工效率提高約4倍，較單一圓弧成形刀加工效率提高約1.5倍，極大地提高了螺旋槽的加工效率。