鋁合金細長絲杠的加工工藝研究

王琨 黃宗寶 武永翠

摘 ?要： 在細長絲杠的車削加工過程中，由于其剛性差，在切削力和切削熱的聯合作用下，極易發生變形，嚴重影響了絲杠的加尺寸精度和表面粗糙度。該文通過對某型號鋁合金絲杠的加工工藝研究，分別采取了改進裝夾方式、選擇合適的刀具材料以及調整和刀具角度等措施，提出了一種新型加工工藝，突破了鋁合金材料細長絲杠的精密加工技術，可有效保證該產品的加工精度和生產效率。

關鍵詞： 鋁合金 ?細長絲杠 ?車削加工 ?工藝研究

中圖分類號：TG146.21 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2020）11（b）-0059-03

Abstract： In the turning process of slender lead screw， due to its poor rigidity， it is easy to deform under the combined action of cutting force and cutting heat， which seriously affects the dimensional accuracy and surface roughness of the lead screw. In this paper， through the research on the processing technology of a certain type of aluminum alloy lead screw， measures such as improving the clamping mode， selecting the appropriate tool material， adjusting and cutting tool angle are adopted， and a new processing technology is proposed， which breaks through the precision processing technology of aluminum alloy material slender lead screw， and can effectively ensure the processing accuracy and production efficiency of the product.

Key Words： Aluminum alloy; Slender lead screw; Turning; Process research

鋁合金制品具有耐腐蝕、比強度高和切削加工性好的特點，在航天領域有著較為廣泛的應用。鋁合金的剛度僅為碳鋼的1/3，而線膨脹系數為18.44× ? ?10-6～24.5×10-6（1/℃）是碳鋼的2倍，因此，鋁合金與碳鋼相比具有剛度差、線膨脹系數高等缺點，不利于精密零件的加工。如果在實際生產中不能根據鋁合金的工藝特性采取合適的工藝方法，將很難保證產品精度。

在研制某型號天線分級驅動機構傳動絲杠時，發現其長徑比為750/20=37.5>25，屬于典型的細長軸類零件[1]，外形尺寸具體見圖1。

經分析具有以下兩個加工技術難點。

（1）尺寸精度755±0.1、Φ18h60-0.011和形位公差直線度0.01的要求均較高。

（2）由于是細長桿，該零件本身剛性差，零件螺紋段長達560 mm，在車螺紋時將受到較大的徑向力，多次切削時易造成工件彎曲的現象，很難達到技術要求。

1 ?引起細長絲杠發生變形因素的分析

1.1 切削力不合理導致零件變形

在車削過程中產生的切削力可以分解為軸向切削力PX、徑向切削力PZ，不同的切削力對車削細長軸時產生彎曲變形的影響是不同的[2]。

由于細長絲杠的剛性差，平行作用于絲杠徑向水平平面的徑向作用力將會把絲杠頂彎，將在軸向方向發生彎曲變形。同時，垂直作用于絲杠徑向水平方向的軸向切削力會對絲杠形成彎矩。對于車削加工普通零件來講，可以忽略對零件精度影響并不大的軸向切削力。而對于剛性差、穩定性也差的細長絲杠，軸向切削力很容易把細長軸壓彎從而產生縱向彎曲變形。

1.2 加工過程產生切削熱的影響

車削加工產生的切削熱，會引起工件熱伸長[3]。而在車削過程中，常常對零件采用卡盤和尾部頂尖配合的裝卡方式，這兩者的間距是固定不變的。由此將使得加工過程中絲杠受熱引起的伸長將受到卡盤和頂尖的限制而無法釋放，最終導致絲杠發生彎曲變形。

由以上兩點可以看出，通過合理地控制切削力和有效緩解切削熱變形將有利于提高細長絲杠的加工精度。

2 ?提高細長絲杠加工精度的具體措施

2.1 選擇合適的裝夾方式

在傳統的車削細長軸時通常采用兩種裝卡方式：一夾一頂或兩端頂緊。第二種方式的優點是定位準確，同軸度容易得到保證，而在細長軸的加工過程中，剛性差將使細長軸彎曲變形較大，精度不易保證。因此，加工細長軸時通常采用第一種裝卡方式[4]。

此處選用一夾一頂的裝夾方式，在頂尖處采用銅制滾動件組成的活動空心頂尖，該空心頂尖由銅制帶螺母的彈簧夾頭加一組滾動軸承構成，可以隨著細長絲杠受熱后伸長而沿著軸向運動，通過此方法可以有效減少絲杠由于受熱引起的變形量。

2.2 采用合理的加工方法

（1）粗加工時，用三爪卡盤裝夾零件毛坯，中心架、跟刀架輔助支撐完成外圓及內孔的加工。

（2）在半精加工和精加工時，留工藝夾頭并插入空心頂尖中。

（3）半精加工和精加工時，用跟刀架、中心架輔助完成外圓及螺紋部分的加工，有效保證同軸度和直線度及尺寸公差要求。

2.3 選擇合適的切削參數

切削參數的選擇是否合理，將會影響切削過程中產生切削力的大小和切削熱的多少。將分別從切削三要素進行分析和試驗。

2.3.1 切削深度（背吃刀量）

在車削細長絲杠時，為減少車削產生的切削力和切削熱，應盡量減少切削深度，再根據零件毛坯的工序間留量和熱處理后工件的變形情況合理選擇每次進刀的吃刀深度。因此，將粗加工時進刀的切深設為 ?1 mm、半精加工時進刀的切深設為0.5 mm、精加工時進刀的切深設為0.1～0.2 mm。

2.3.2 進給量

進給量越大產生的切削力越大，同時加工效率也越高。為保證有較高的加工效率，應在保證零件較高尺寸精度和較好表面粗糙度的前提下，盡量選取較大的進給量。在粗加工時，進給量一般選0.15～0.20 m/min、精加工時，進給量一般選0.08～0.10 m/min。

2.3.3 切削速度

通過實際加工試驗，粗加工該絲杠外圓時的最佳轉速為610 r/min、精加工外圓時的最佳轉速為 ? ? ? ? ? ?500 r/min、車內孔的轉速為230 r/min、精加工螺紋部分時最佳轉速為96 r/min。

2.4 改造刀具角度

2.4.1 前角

前角的大小影響著切削力、切削熱和切削效率。增大前角將減小被切削金屬層塑性的變形程度，從而降低切削力。為保證車刀有足夠的強度，在車削細長絲杠的過程中，將粗加工外圓刀具的前角改造為10°～15°，將精加工外圓刀具的前角改造為15°～20°。

2.4.2 主偏角

主偏角的大小影響3個切削分力，在細長絲杠的實際加工過程中發現，增大主偏角時徑向切削力明顯減小，最后將主偏角設為93°～95°。

3.4.3 刃傾角

車削時刀尖強度、3個切削分力和切屑流向受刃傾角的影響，在車削細長絲杠時，采用正刃傾角為0°～+3°，此時切屑將流向待加工面從而保護已加工表面避免受到切屑劃傷。

2.5 跟刀架的使用

由于該絲杠零件的材質是鋁合金，為使絲杠加工時有較好的剛度，在加工過程中應一直使用跟刀架，需要特別指出的是，為減少劃傷及降低表面粗糙度，刀架的支撐卡爪應采用聚四氟乙烯材料。

2.6 中心架的使用

由于該絲杠零件的同軸度和直線度公差要求較高，在進行精加工時需要使零件處于較小的受力狀態。因此，在精加工螺紋時將增加中心架的使用，即用中心架支撐住螺紋根部后再完成螺紋的精加工。為了減少劃傷和降低表面粗糙度，同樣采用聚四氟乙烯棒制作中心架的支撐卡爪。

2.7 冷卻液的選用

考慮到鋁合金的熱膨脹系數較大這個特點，在加工過程中要盡可能通過降低工件的溫度來減小由于切削熱而引起的工件熱應力變形，在加工該工件的內孔和外圓的過程中，始終采用冷卻效果和潤滑效果均較好的乳化液進行冷卻，使工件的溫度始終保持在較低的溫度范圍內。

3 ?結語

該文通過選擇合適的裝卡方式、工藝方法以及選用合理的切削參數，再通過改造刀具及增加跟刀架、中心架的使用，提出一種可以有效保證細長絲杠產品質量的加工方法。經過試驗驗證，通過采取上述工藝措施該型號細長絲杠的尺寸精度及形位公差均滿足設計要求。

參考文獻

[1] 趙勇.細長軸車削的動誤差及工藝分析[J].內燃機與配件，2019（11）：117-118.

[2] 鐘潔萍.細長軸車削加工工藝方法分析研究[J].南方金屬，2017（2）：71-74.

[3] 李帥，王建中，王平.高精度細長軸零件加工方法的實現[J].金屬加工（冷加工），2019（5）：60-61.

[4] 蔣燦，李震.細長軸車削加工工藝[J].現代制造技術與裝備，2018（12）：122，126.

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[6] 張益昆.氮化硅陶瓷球專用研磨液的研究及裝置設計[D].河北工程大學，2020.

[7] 歐陽林婷.Q345R制卷焊容器殘余應力的電磁超聲測量研究[D].浙江大學，2020.