大導(dǎo)程螺母車(chē)削裝置的設(shè)計(jì)

馬曉軍 王曉剛 閆克泉 陳海玲

(山東普利森集團(tuán)有限公司，山東德州 253076)

多年來(lái)，大導(dǎo)程螺紋加工一直是機(jī)械加工領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，尤其是大導(dǎo)程內(nèi)螺紋的加工。文獻(xiàn)［1－3］報(bào)道了螺紋加工常用的工藝方法;20世紀(jì)80年代末，北京機(jī)床研究所展開(kāi)過(guò)大導(dǎo)程滾珠絲杠副“七五”攻關(guān)項(xiàng)目的研究［4］;文獻(xiàn)［5］報(bào)道了螺旋升角大于9°的大導(dǎo)程滾珠螺母內(nèi)滾道的成型方法，以滾珠螺母32 mm×6 mm，長(zhǎng)度L=50 mm為例確定了加工工藝;文獻(xiàn)［6］報(bào)道了大導(dǎo)程滾珠螺母磨削工藝，以通孔直徑53 mm的螺母為例確定工藝參數(shù);文獻(xiàn)［7］報(bào)道了高速硬體旋風(fēng)銑削在滾珠螺母滾道加工中的應(yīng)用，加工的螺母長(zhǎng)度達(dá)200 mm。這些加工方法有效解決了較小規(guī)格的螺母內(nèi)螺紋的成型工藝，但對(duì)于較大規(guī)格的螺母內(nèi)螺紋成型具有一定的難度。文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)了一種大螺距螺紋加工專(zhuān)用機(jī)床，可加工梯形外螺紋規(guī)格Tr300×12－1 000 mm;文獻(xiàn)［9］報(bào)道了用于加工管徑φ200～550 mm的多頭、變螺距精密螺紋專(zhuān)用數(shù)控車(chē)床，用于加工外螺紋;文獻(xiàn)［10］在數(shù)控立車(chē)上加工了Tr400×160(P40)mm左旋內(nèi)螺紋。目前，關(guān)于更大規(guī)格內(nèi)螺紋成型方法沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。

某廠提供的大導(dǎo)程螺母，螺紋中徑 φ680～860 mm，長(zhǎng)度1 500～1 700 mm，導(dǎo)程464～600 mm。螺紋結(jié)構(gòu)尺寸大，加工過(guò)程中的切削力非常大。加工螺母時(shí)，刀桿伸入螺母預(yù)成型的孔內(nèi)，刀桿懸伸長(zhǎng)，靜剛度不容易保證，尤其是刀桿受到的彎矩非常大，造成撓曲變形大，影響加工精度，同時(shí)刀具振動(dòng)被懸伸的刀桿放大，刀桿懸伸越長(zhǎng)，同樣條件下，振動(dòng)越劇烈，進(jìn)一步影響加工精度，加工出來(lái)的螺紋表面振紋明顯，螺距誤差大，表面粗糙度值大。減小切削量可以改善切削質(zhì)量，但此方法效率低下，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。尤其當(dāng)?shù)稐U懸伸超過(guò)一定量時(shí)，即使很小的切削力也能造成較大的振動(dòng)。為了克服此缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種加工精度高、效率高的大導(dǎo)程螺母車(chē)削裝置。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體布局

本裝置安裝在數(shù)控臥式車(chē)床上，如圖1。螺母一端由四爪單動(dòng)卡盤(pán)裝夾，另一端由開(kāi)式中心架支撐。大導(dǎo)程螺母車(chē)削裝置一端固定在車(chē)床刀架端面，另一端伸入螺母預(yù)成型的孔內(nèi)車(chē)削螺紋。螺紋加工過(guò)程中，螺母隨車(chē)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)削裝置隨刀架X向與Z向的移動(dòng)而進(jìn)刀與退刀，直至螺母車(chē)削完成。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大導(dǎo)程螺母車(chē)削裝置結(jié)構(gòu)如圖2。

刀座為凸形結(jié)構(gòu)，前端用螺釘固定在車(chē)床刀架端面，后端加工有敞開(kāi)式的方孔，用于刀桿的裝配。刀桿截面為方形，長(zhǎng)度由加工螺母長(zhǎng)度規(guī)格而定。刀桿上加工有5個(gè)鍵槽，可針對(duì)加工不同長(zhǎng)度的螺母5級(jí)伸縮分級(jí)定位，控制刀桿的最佳懸伸量。刀桿前端裝有刀夾與車(chē)刀。導(dǎo)向套為圓柱形，如圖3所示。外表面加工有四個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的導(dǎo)向槽，導(dǎo)向塊鑲在導(dǎo)向槽內(nèi)，與螺母內(nèi)徑形成間隙配合。導(dǎo)向塊由淬火鋼加工而成，耐磨損，壽命長(zhǎng)，可更換。導(dǎo)向套內(nèi)部的支撐筋上加工有U形槽。U形槽前端側(cè)壁上加工有進(jìn)刀口。導(dǎo)向套兩側(cè)開(kāi)有排屑口。壓蓋上加工有突起鍵，刀桿與刀座對(duì)應(yīng)部位加工有鍵槽。突起鍵壓入對(duì)應(yīng)鍵槽后，壓蓋可將刀桿固定于刀座內(nèi)。

刀桿一端裝入刀座的方孔內(nèi)，形成間隙配合，壓蓋固定，另一端伸入導(dǎo)向套內(nèi)的U形槽。U形槽底面為平面，對(duì)刀桿形成反向支撐。刀桿在U形槽內(nèi)徑向移動(dòng)，車(chē)刀懸伸在進(jìn)刀口外車(chē)螺紋。刀桿前端底部裝有兩個(gè)推塊，導(dǎo)向套U形槽底部夾在兩個(gè)推塊之間，形成間隙配合。兩個(gè)推塊分別推著導(dǎo)向套前進(jìn)與后退，移動(dòng)過(guò)程中，推塊可以防止導(dǎo)向套在水平方向的扭轉(zhuǎn)。導(dǎo)向套U形槽上端裝有氣缸。氣缸的活塞起壓刀作用。刀座下方設(shè)有斜鐵，調(diào)整斜鐵的伸縮量，從而調(diào)整導(dǎo)向套軸線與螺母軸線的同軸度。支架上端設(shè)有機(jī)床常用的調(diào)整墊鐵，可以在垂直方向進(jìn)行高度微調(diào)。

車(chē)削螺紋時(shí)，垂直方向的切削力和刀桿自身的撓度由導(dǎo)向套、螺母及刀座支撐。切削力引起的導(dǎo)向套扭轉(zhuǎn)由刀桿與刀座約束。徑向進(jìn)刀時(shí)，氣缸通氣，活塞下移，壓緊刀桿，防止刀桿徑向變形和振動(dòng)，此時(shí)刀桿為固定梁結(jié)構(gòu);退刀時(shí)，氣缸斷氣，活塞在氣缸內(nèi)部彈簧力的作用下上移復(fù)位，刀桿放松。切削過(guò)程中刀桿各個(gè)方向的自由度均受到約束。切削過(guò)程中的切屑通過(guò)導(dǎo)向套的排屑口，直接進(jìn)入螺紋螺旋線，隨著螺母的旋轉(zhuǎn)排到螺母外側(cè)。進(jìn)刀口位于導(dǎo)向套中部。車(chē)削螺紋時(shí)，導(dǎo)向套先進(jìn)入螺母，車(chē)刀后車(chē)削螺紋。車(chē)到螺母后端時(shí)，車(chē)刀出螺母后，導(dǎo)向套仍然有一段含在螺母內(nèi)。整個(gè)車(chē)削過(guò)程中，導(dǎo)向套始終在導(dǎo)向。這樣布置有效解決了螺紋車(chē)削時(shí)始端與末端短時(shí)讓刀的問(wèn)題。

支架的作用是對(duì)整個(gè)車(chē)削裝置形成輔助支撐。導(dǎo)向套未進(jìn)入螺母內(nèi)孔時(shí)，由于導(dǎo)向套和刀桿自重造成的撓度大于導(dǎo)向套與螺母內(nèi)孔的配合間隙，調(diào)整支架上端的調(diào)整墊鐵，使導(dǎo)向套軸線與螺母軸線等高，可使導(dǎo)向套進(jìn)入螺母內(nèi)孔。車(chē)削過(guò)程中，支架可拆除或移到機(jī)床尾部。機(jī)床停機(jī)時(shí)，將支架支撐在刀桿下方，對(duì)車(chē)削裝置形成反向支撐，避免懸伸造成扭曲變形。

螺紋車(chē)削程序編寫(xiě)時(shí)，應(yīng)對(duì)氣缸動(dòng)作一專(zhuān)用指令。該指令貫穿于螺紋程序的全過(guò)程。螺紋車(chē)削成型后，螺紋內(nèi)孔因與導(dǎo)向塊摩擦致使公差變大和表面粗糙。為此，螺母內(nèi)孔加工時(shí)可留有0.2～0.3 mm的加工量，螺紋成型后可對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行精加工，從而保證內(nèi)孔精度。

2 加工實(shí)例

2.1 加工對(duì)象及所用機(jī)床

螺母:材質(zhì)ZCuZn26Al4Fe3Mn3，螺紋中徑φ680 mm，頭數(shù) 4，螺距116 mm，導(dǎo)程464 mm，長(zhǎng)度 1 500 mm。

機(jī)床:數(shù)控重型臥式車(chē)床CK61200G，承重40 t。

2.2 切削刀具及參數(shù)

刀具材質(zhì):W18Cr4V，刀刃刃型自行磨削;

粗加工參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速2 r/min，切深0.5 mm;

精加工參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速0.5 r/min，切深0.06 mm。

螺母加工完成后，使用某廠自制的螺紋均勻度儀測(cè)量螺距誤差，最大誤差為0.02 mm;使用TIME生產(chǎn)的TR200手持式粗糙度儀測(cè)量螺紋中徑處粗糙度，測(cè)量值為Ra0.8 μm，表面無(wú)振紋。傳統(tǒng)加工方式加工的螺紋，螺距誤差0.15 mm，螺紋中徑處粗糙度為Ra1.6 μm，表面振紋明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

大導(dǎo)程螺母車(chē)削裝置已在某廠成功應(yīng)用。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期維護(hù)成本低。整體結(jié)構(gòu)為敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，具備加工過(guò)程、換刀、對(duì)刀、在線測(cè)量的可觀察性及操作空間，加工螺母精度高，效率高，深受用戶(hù)歡迎。

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