大螺旋升角螺旋槽的數(shù)控車削

河北太行機(jī)械工業(yè)有限公司 (石家莊 050000) 李利敏

近期，我公司加工了一批零件，其外圓表面帶有大螺距螺旋槽，且螺旋槽截面形狀為帶R0.5 mm圓弧角的直角三角形，加工難度較大。在接到試制圖樣并初步分析后，我們首先想到的是用四軸加工中心和成形銑刀銑削該大升角螺旋槽，這種工藝方案需要定制或自制帶圓弧角的90°成形銑刀，再利用四軸機(jī)床的A、X兩軸聯(lián)動(dòng)來加工大升角螺旋槽。由于試制進(jìn)度較緊，考慮到生產(chǎn)效率和后期批量生產(chǎn)的因素，我們否定了原四軸銑加工方案，最終確定采用數(shù)控車床車削工藝來加工該槽以提高生產(chǎn)效率。

1.零件分析

如圖1所示，零件外圓為 φ25 mm，螺距 P=40 mm，螺旋槽形狀為 90°三角形，圓弧角為R0.5 mm。直觀來看，零件具有兩個(gè)特點(diǎn):①螺旋升角大，普通的槽刀裝夾方式車槽時(shí)，槽刀的軸向切削力很大，一般車削加工很難保證槽的尺寸精度和表面粗糙度。②螺旋槽形狀特殊，不能使用通用槽刀進(jìn)行直接加工，針對(duì)尖角處的R0.5 mm圓弧，需要專門制作成形刀具，以保證槽形精度要求。

圖 1

針對(duì)零件的以上兩個(gè)特點(diǎn)，我們制定了專門的車削工藝方案。

2.工藝分析

(1)螺旋升角計(jì)算:我們?nèi)∫粋€(gè)螺距長(zhǎng)度的螺旋線展開圖 (見圖2)，即可得到螺旋升角與工件直徑及螺距之間的相關(guān)計(jì)算公式。

由三角函數(shù)關(guān)系式

tanθ=P/πD

圖 2

可以計(jì)算出螺旋升角

θ =arctan(P/πD)

式中，θ為螺旋升角，P為螺距，D為直徑，把P=40 mm，D=25 mm代入上述關(guān)系式

θ=arctan(40/π ×25)

得 θ=27°

即零件的螺旋升角為27°。由于升角太大，若采用普通槽車削方式，刀尖右側(cè)切削刃會(huì)與進(jìn)給方向產(chǎn)生較大的切削抗力，這樣容易出現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重、崩刃現(xiàn)象，而且加工尺寸精度和表面粗糙度很差。因此，車削該螺旋槽時(shí)必須選擇正確的刀具及刀具裝夾方式。

(2)刀具選擇:車削螺旋槽的原理與車削螺紋的原理相似，為保證車削正確的螺旋槽形狀，必須選擇與螺旋槽形狀相吻合的成形車刀。①車刀材料的選擇:車削大升角螺旋槽時(shí)，車刀的材料合理與否，對(duì)其加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很大的影響。車削螺旋系列工件時(shí)通常采用的車刀材料有高速鋼和硬質(zhì)合金兩類。其中，高速鋼車刀具有韌性好、刀尖不易崩裂，車出的表面粗糙度值較小，但高速鋼的耐熱溫度較低，適合低速車削;而硬質(zhì)合金車刀韌性差，車削時(shí)經(jīng)不起沖擊，適合高速車削。加工大升角螺旋槽是一種低轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給的車削 (車刀做高速恒定運(yùn)動(dòng))，符合低速車削條件。因此，高速鋼材料可作為車削大升角螺旋槽的車刀。②成形車刀幾何角度的選擇:車削螺旋槽的刀具幾何角度如圖3所示。為使切削順利和提高表面質(zhì)量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，徑向前角 γp一般取4°～6°。

由于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響，車削時(shí)車刀左側(cè)切削刃的工作后角變小，右側(cè)切削刃的工作后角變大。車刀兩側(cè)的切削抗力不均勻，容易造成車刀崩刃和切削精度降低。但是，由于螺旋升角太大 (27°)和形狀為90°的原因，車刀的左右兩側(cè)工作后角不易過大或過小，則可使得 αor=αol。工作后角一般取值3°～5°。

(3)刀具裝夾:裝夾車刀時(shí)有軸向裝夾和法向裝夾兩種方法。①車刀的軸向安裝:當(dāng)軸向安裝車刀車削時(shí)，車刀刀尖的位置調(diào)整對(duì)準(zhǔn)工件軸線，刀尖角對(duì)分線與工件軸線垂直，工件每旋轉(zhuǎn)一周，車刀進(jìn)給一個(gè)螺距。車削大升角螺旋槽時(shí)，左側(cè)刀刃切削抗力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右側(cè)刀刃的切削抗力，造成了左側(cè)刀刃磨損嚴(yán)重，而且加工出的螺旋槽面精度不夠，形狀不符合加工要求。因此，車削大升角螺旋槽時(shí)不適合采用軸向安裝車刀。②車刀的法向安裝:法向安裝車刀時(shí)，車刀刀尖的位置調(diào)整對(duì)準(zhǔn)工件軸線，刀尖角對(duì)分線與螺旋槽的中心線垂直，如圖4所示。

法向安裝成形車刀可以使得兩側(cè)刃的工作前γa=γr，同時(shí)兩側(cè)刃的工作后角αa=αr，切削條件一致。車螺旋槽時(shí)兩側(cè)刃產(chǎn)生的抗力比較均勻，車削順利。φ為螺旋升角。

經(jīng)過對(duì)比，我們擬采用法向安裝成形車刀進(jìn)行該大升角螺旋槽的加工。

3.工藝實(shí)施及驗(yàn)證

(1)自制成形刀頭:試制期間，我們選用白鋼條 (即高速鋼)來做刀頭部分，利用線切割機(jī)床把刀頭部分切成與螺旋槽相吻合一致的形狀，然后手工磨出刀尖的前角、后角及其他刀面的刃角。

(2)刀桿的改制:根據(jù)計(jì)算得知加工零件的螺旋升角為27°，專用車刀刀桿在普通的車刀刀桿基礎(chǔ)上把裝刀頭部位的上下平面改成與水平面的角度為一個(gè)螺旋升角，即27°。

(3)刀頭與刀桿的組裝:如圖5所示，刀頭與刀桿的相對(duì)位置在車削螺旋槽時(shí)必須使得刀尖的角對(duì)分線與螺旋中心線一致。刀頭與刀桿用螺釘緊固，這樣便于更換刀頭部分。

(4)螺旋槽的車削試制:我們?cè)诩庸ぢ菪蹠r(shí)，經(jīng)過粗加工→半精加工→精加工三次車削完成該槽的加工。粗加工時(shí)分多層車削，這樣可以避免引起工件振動(dòng)和崩刃，造成加工面的表面粗糙度較差、精度不高，有時(shí)因吃刀量大引起產(chǎn)品變形等問題。加工時(shí)可以用小于槽寬的切槽刀去除大量，然后再用成形車刀半精加工、精加工完成，這樣既能保證螺旋槽的精度和表面粗糙度，又限制了軸在加工過程中的變形。

4.結(jié)語(yǔ)

數(shù)控車削技術(shù)不僅解決了螺旋升角大的難題，同時(shí)解決了螺旋系列產(chǎn)品批量大、加工精度高等特點(diǎn)難題。通過舉一反三，我們還可以把車削90°三角形帶圓弧螺旋槽的方法推廣應(yīng)用到各種角度大升角螺旋槽的加工中，比如梯形、三角形等。并且還可根據(jù)相關(guān)資料，設(shè)計(jì)制造出角度可調(diào)的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)刀桿 (見圖6)。在使用中刀頭刀桿可相對(duì)刀桿體轉(zhuǎn)動(dòng)一螺旋升角，然后用緊固螺釘鎖緊。這種刀桿調(diào)節(jié)方便，而且刀桿有彈性，能消除振動(dòng)，提高工件的加工精度和降低表面粗糙度值，還可延長(zhǎng)刀具壽命。適合加工各種螺旋升角的刀具裝夾。

目前，大升角螺旋槽數(shù)控車削加工方法在實(shí)踐中已成功應(yīng)用，并進(jìn)行了大批量的生產(chǎn)。生產(chǎn)效率大幅提高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。