一種螺旋槽的加工方法

孔文剛，葉秋琴

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

一種螺旋槽的加工方法

孔文剛，葉秋琴

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

提出一種獨特、先進、經(jīng)濟的螺旋槽加工方法，利用C630普通車床進行局部改造，由車變銑，改造成專門加工螺旋槽的銑削設(shè)備，并對方案設(shè)計、理論計算進行了介紹。

螺旋槽；主傳動系統(tǒng)；銑削頭；分度裝置；功率；扭矩

螺旋槽的加工是一項難度較大的工藝，常用加工方法有車削和銑削。車削適合加工螺距或?qū)С梯^小的螺紋。當加工螺距4 mm以上的螺紋時，刀具相對工件的直線運動速度較快，加工難度較高；即螺距越大，加工難度越大，加工效率越低。銑削則適合于加工螺距或?qū)С梯^大的螺紋。通常，在普通銑床上用萬能分度頭通過交換齒輪的方式，可使銑床縱向工作臺帶動分度頭旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)螺旋切削，其切削實際進給速度要大于縱向進給速度；即螺距或?qū)С淘叫?，實際進給速度越快，加工難度越大。

某零件材料為Q235-A，其最大加工直徑為340 mm，最大加工長度為1400 mm，導(dǎo)程為1000 mm，槽寬8 mm，槽深3 mm，槽數(shù)30個，最大升角為45°，分左旋和右旋（圖1）。

圖1 零件圖

由于零件螺距較大，如采用車削加工，則刀具相對工件的直線運動速度過快，易出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象，加工難度大，且安全得不到保證。鑒于此，決定采用銑削加工。由于零件直徑較大、長度較長，起先將零件放在龍門銑上加工，采用的銑刀為直徑8 mm的立銑刀。但由于立銑刀較細，剛性極差，當工件轉(zhuǎn)速高時，立銑刀極易斷裂，銑削速度無法提高，導(dǎo)致加工周期較長；且該方法僅能加工有限的幾種固定導(dǎo)程（左旋）的零件，如需加工右旋零件，機床結(jié)構(gòu)需作較大改動。

1 加工方案的確定

若僅利用現(xiàn)有設(shè)備加工該零件，則無法達到滿意的效果，而制造專用設(shè)備的一次性投入又較大。因此，本文利用旋風銑削在螺紋加工中的良好運用，對零件螺旋槽進行銑削加工。旋風銑削即在普通車床上配套高速銑削螺紋裝置，用裝于高速旋轉(zhuǎn)刀盤上的硬質(zhì)合金成形刀，從工件上銑削出螺紋的加工方法。旋風銑削可實現(xiàn)干切削、重載切削、難加工材料和超高速切削，其消耗動力小，加工效率高。

經(jīng)分析可知，螺旋槽銑削運動是銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀順著工件軸線方向運動等多種運動的合成。其中，工件旋轉(zhuǎn)與銑刀軸向運動應(yīng)根據(jù)工件螺旋槽導(dǎo)程進行聯(lián)動。因此，本文運用范成法加工原理，采用三面刃銑刀高速旋風銑削，將C630普通車床局部改造成專門加工螺旋槽的銑削設(shè)備。利用C630車床的床身、主軸箱及其內(nèi)部的各齒輪傳動系統(tǒng)、中托板、尾座等裝置，加上自行設(shè)計的大降速比主傳動機構(gòu)、銑削頭及分度頭裝置，再適當增加一些輔助裝置，并利用三面刃銑刀的強力旋風切削進行加工。改造后的機床結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 螺旋槽銑削機床結(jié)構(gòu)示意圖

電磁調(diào)速電機1通過聯(lián)軸節(jié)帶動絞盤機減速箱14，再通過一個鏈輪帶動機床進給箱入軸上的雙聯(lián)鏈輪2，然后分兩路，一路由雙聯(lián)鏈輪2直接帶動進給箱內(nèi)齒輪，通過其內(nèi)部齒輪帶動絲桿，形成銑刀的軸向進給運動；另一路由雙聯(lián)鏈輪2帶動主軸箱鏈輪3，再經(jīng)過主軸箱內(nèi)部齒輪傳動，帶動主軸運轉(zhuǎn)，形成工件的旋轉(zhuǎn)運動。這樣，工件的旋轉(zhuǎn)和銑刀的軸向運動就形成了聯(lián)動，兩運動的相互配合形成了具有不同導(dǎo)程的螺旋運動。該方案取消了原有車床采用電機直接帶動主軸箱帶輪，通過主軸箱內(nèi)齒輪再帶動進給箱內(nèi)齒輪，從而帶動絲桿運轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)?？紤]到本次銑削的減速比極大，如采用原方法，則扭矩必然過大。銑刀的旋轉(zhuǎn)運動由專門設(shè)計的銑削頭裝置來完成。根據(jù)工件所需加工槽的數(shù)量，還設(shè)計了專門的分度裝置。

2 設(shè)計方案及工作過程

2.1 主傳動系統(tǒng)

由于該螺旋槽的螺距較大，受其導(dǎo)程及刀具切削金屬的極限所限，要求電機到工件旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速從1450 r/min到0.06 r/min，降速比達24 167，這就要求從電磁調(diào)速電機到車床主軸之間采用多級降速，并充分挖掘每一級的最大降速比，以達到總體設(shè)計要求。同時，工件回轉(zhuǎn)與銑刀軸向進給需聯(lián)動作業(yè)，根據(jù)工件導(dǎo)程降速比只能為85.59，故須利用主軸箱及進給箱內(nèi)各部分齒輪進行大量計算，以獲取聯(lián)動的速比。

以圖1所示的零件為例，銑削時，首先采用電磁調(diào)速電機將電機出軸速度由1450 r/min降至200 r/min，隨后帶動絞盤機減速箱（手柄置于正向慢速檔）兩級減速至15.0198 r/min，減速比=(33/15)×(46/ 19)×(45/18)=13.316。再通過一個鏈輪帶動雙聯(lián)鏈輪三級減速至7.242 r/min，減速比=56/27=2.074。然后分兩路，一路通過雙聯(lián)鏈輪使絲桿進一步減速至5.01 r/min（絲桿螺距為12.7 mm），減速比=(65/61)× (49/37)×(36/44)×(42/32)×(40/42)×(64/32)×(32/64)= 1.443；另一路由雙聯(lián)鏈輪帶動主軸箱鏈輪減速到3.76 r/min，減速比=52/27=1.926。再經(jīng)過主軸箱內(nèi)部齒輪傳動降速至0.06 r/min，減速比=(39/51)×(52/20) ×(80/20)×(80/20)×(72/37)=61.9。經(jīng)過幾級減速后，基本滿足了硬質(zhì)合金銑刀銑削余量及加工效率的要求。減速比示意圖見圖3。

圖3 減速比示意圖

采用如上聯(lián)動，利用車床主軸箱及進給箱內(nèi)部的各齒輪傳動，還能組合出2160種不同的導(dǎo)程供選擇。導(dǎo)程范圍從1.9～1729.9 mm，導(dǎo)程的變換只需根據(jù)導(dǎo)程表中導(dǎo)程所對應(yīng)的變換手柄即可。

2.2 銑削頭

銑削頭由銑刀5、銑刀主軸6、銑刀電機8、基座9組成（圖2）。銑刀主軸固定在基座（焊接件）上，并根據(jù)螺旋角及銑削方向調(diào)整，使銑刀主軸與水平方向形成一定角度。為保證盡可能大的剛性，銑刀主軸的前端伸出量應(yīng)盡量縮短。主軸前端采用左、右旋螺紋，以適應(yīng)零件的正反旋切?？紤]到加工件左右旋向的變化，已事先在基座上預(yù)留螺孔，用時可將主軸直接旋轉(zhuǎn)90°至反向?；寐菟ü潭ㄔ谲嚧驳闹型邪逶都艿奈恢蒙?。在基座靠近操作者一側(cè)放置銑刀電機。

基座焊接件采用框架式結(jié)構(gòu)，以增加其剛性。同時，為了調(diào)整角度時安全方便，又在焊接件中間用一根軸將電機座板與銑刀主軸相連，使電機座板與主軸能圍繞該軸旋轉(zhuǎn)，操作安全方便。為了更好地提高銑削頭的剛度及抗振性，對其結(jié)構(gòu)采取了多種辦法，以避免振動的產(chǎn)生。同時，通過控制銑刀的轉(zhuǎn)速來繞過共振區(qū)。

銑刀旋轉(zhuǎn)運動根據(jù)硬質(zhì)合金刀具切削參數(shù)及走刀速度選擇。電機選用YCTZ132-4B型號，其功率為1.5 kW，扭矩為9.7 N·m。銑刀采用硬質(zhì)合金三面刃成形銑刀，其直徑為80 mm，寬度8 mm，齒數(shù)為8齒。皮帶選用A型帶，帶速為4.47 m/s左右，帶輪直徑為240/90 mm，皮帶上加裝了張緊輪。

為適應(yīng)今后加工范圍的需要，還可采用改動皮

帶輪直徑及變頻器來調(diào)整電動機出軸轉(zhuǎn)速。

2.3 分度裝置

分度裝置由車床的三爪自定心卡盤10和自制的主軸連接盤12、分度板4、銷板11組成（圖2）。在主軸連接盤與三爪卡盤之間加裝分度板及銷板，兩板間用連接軸相連。銷板與連接軸用軸承支撐，保證銷板靈活轉(zhuǎn)動。在銷板上采用手柄定位銷定位，分度板上的銷孔根據(jù)零件槽數(shù)選定。每銑好一條槽后，定位銷換一個孔，工件則轉(zhuǎn)過一定角度。

2.4 工作過程

首先，將工件兩端分別裝上一個連接軸，前端用三爪卡盤夾住連接軸外圓，后端用尾座頂住另一連接軸中心孔；將拖板移至零件后端，根據(jù)螺旋槽升角確定銑刀主軸與水平面的角度；根據(jù)導(dǎo)程選擇工件與銑刀軸向進給聯(lián)動的速比，進而確定工件轉(zhuǎn)速；根據(jù)槽數(shù)選定分度板上的銷孔。然后，啟動設(shè)備進行加工，加工完一條槽后，拖板回退至起始處，調(diào)整銷板，使定位銷在分度板上換一個孔位，工件轉(zhuǎn)過一定角度后，再加工下一條槽。按上述順序循環(huán)，直至加工完所有槽。

快退時，減速箱手柄置于反向快速檔，并將電磁調(diào)速電機的速度調(diào)至最高，則速度可提高數(shù)倍，大大縮短了退程時間，從而減少輔助時間。

3 主電動機功率和扭矩驗算

完成方案設(shè)計并確定各傳動件的主要尺寸后，就可計算所需主電動機的功率和扭矩，從而驗證主電動機是否滿足使用要求。根據(jù)經(jīng)驗可知，銑削所需功率最大，故以銑削功率確定主電動機功率PE：

式中：Pm為銑削功率，kW；P0為空載功率，kW；η為總效率，等于各傳動副機械效率的乘積，分析可得整個傳動共有10級，本機床η=0.65。

3.1 銑削功率計算

根據(jù)受力分析，銑削力應(yīng)為以下3種分力的合力：① 切向銑削分力Fz，作用在銑刀圓周的切線方向上，也稱圓周力，是消耗切削功率的主切削力；②徑向銑削分力Fy，沿銑刀半徑方向作用，會造成刀桿彎曲變形，但不消耗功率；③軸向銑削分力F0，作用在銑刀軸向方向上。

切削功率主要受切向銑削分力的影響，把切向銑削分力作為主切削力進行分析計算，則銑削的切削功率Pm為：

式中：Fz為主切削力，N；V為銑刀的最大銑削速度，m/min。

Fz的大小取決于所選的切削參數(shù)，本機床的切削參數(shù)為：每齒最大進給量αf=0.2 mm，齒數(shù)Z=8，銑削寬度αe=3 mm，銑削深度αp=8 mm，銑削力系數(shù)（碳鋼）CFZ=68.3，工件材料的屈服強度 σb=0.460 GPa，不同材料的銑削力修正系數(shù)KFZ=（σb/0.736）0.3= 0.87，銑刀直徑d0=80 mm，銑刀最大轉(zhuǎn)速n=356 r/ min，則：

切向銑削分力 Fz=g·CFZ·αe0.86·αf0.72·d0-0.86·Z· αP0.95·KFZ=627 N；

最大銑削速度V=π·d0·n/60000=89.4 m/min。因此，根據(jù)式（2）可得：Pm=0.93 kW。

3.2 空載功率的確定

空載功率P0是指消耗于空轉(zhuǎn)時的功率損失，其表達式為：

式中：da為主傳動中除主軸外所有傳動軸的平均軸徑，mm；∑nj為主軸轉(zhuǎn)速為n0時，主傳動中除主軸外所有傳動軸的轉(zhuǎn)速之和，r/min；dm為主軸前后軸徑平均值，mm；c為系數(shù)，對于兩滾動軸承支撐的主軸，取值8.5；k為潤滑油粘度修正系數(shù)，采用20號機油時，取值0.9。

將相關(guān)參數(shù)代入式（3）可得：P0=0.59 kW。

將Pm、P0及η代入式（1）可得：PE=2.02 kW?，F(xiàn)選用的電機功率為3 kW，遠大于2.02 kW。

3.3 主電動機扭矩的驗算

由于本加工條件為恒扭矩情況，則：

式中：T為電機扭矩，N·m；T工為工作扭矩，N·m；η為總傳動效率，取值0.65。

工作扭矩由以下三部分組成：①機床的啟動力矩和工作力矩A（根據(jù)機床說明書取A=5～8 N·m；②銑削力的軸向分力B；③其余各部分的扭矩C。因此，T工=A+B+C，其中，與機床的啟動力矩和工作力矩A相比，B、C可忽略不計。

根據(jù)式（4）可得：T＞T工/η=8/0.65=12.3 N·m?，F(xiàn)選用的電機扭矩為19.2 N·m＞12.3 N·m。因此，本電動機在功率和扭矩兩方面都滿足使用要求。

4 結(jié)語

改造后的設(shè)備加工出的產(chǎn)品完全滿足圖紙要求，銑削效率比普通銑削提高了3倍。由于采用了三面刃銑刀，其多個刀刃同時參與切削，具有較好的剛性及耐用度，不僅提高了刀具的使用壽命，還降低了生產(chǎn)成本。利用舊設(shè)備進行改造，操作者對操作較順手，使勞動強度得到降低。

TG54

A

1009－279X（2014）02－0063-03

2013-10-29

孔文剛，男，1971生，工程師。