高效數(shù)控車削蝸桿的加工方法

中航工業(yè)成都凱天電子股份有限公司精密機(jī)械加工廠 (四川 610091)楊顯君 陳德蘭 魏思遠(yuǎn)

對(duì)于蝸桿的加工，因螺距大，牙型深，加工余量大，再因其牙型特點(diǎn)，車削時(shí)刀刃與工件接觸面大，容易發(fā)生振動(dòng)，加工途中極易因工件與刀具間切屑的擠壓造成刃具損壞，產(chǎn)生“扎刀”現(xiàn)象，造成蝸桿報(bào)廢，而且加工時(shí)間周期長(zhǎng)。本文結(jié)合具體的生產(chǎn)實(shí)際，從刀具、車削方法和切削參數(shù)等方面對(duì)現(xiàn)有的加工進(jìn)行改進(jìn)，改善了刀具受力情況，提高了加工質(zhì)量和切削效率。因數(shù)控程序簡(jiǎn)單，操作性強(qiáng)，為此類零件的加工提供了一定的借鑒、參考。

一、蝸桿的特性及參數(shù)的計(jì)算

1.蝸桿的特性

常用的蝸桿有米制(齒形角為40°)和英寸制(齒形角為29°)兩種。我國(guó)大多數(shù)采用米制蝸桿，而最常用的是阿基米德蝸桿(即軸向直輪廓蝸桿)，它的齒面為阿基米德螺旋面，端面是阿基米德螺旋線，如圖1 所示。軸向齒廓 (A—A截面)是直線，而法面(N—N 截面)的齒形則為曲線，如圖2 所示。

圖1 阿基米德蝸桿端面形狀

圖2 阿基米德蝸桿軸向截面和法向截面形狀

2.蝸桿的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

根據(jù)生產(chǎn)的要求，所要加工的蝸桿為米制蝸桿，模數(shù)mx=3，齒形角為40°，材料為45 鋼，具體參數(shù)如表1 所示。蝸桿的結(jié)構(gòu)和尺寸要求如圖3 所示。

表1 蝸桿參數(shù)

(續(xù))

如圖3 所示，該蝸桿的尺寸精度和形位公差要求高，加工難度大，為了保證其精度要求，應(yīng)盡量采用高精度的設(shè)備。另外，公司產(chǎn)品以多品種小批量為主，采用專用銑削機(jī)床投入成本高，如果使用臥式車床加工，對(duì)人員的要求很高，而且加工成本很高，效率太低，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。因公司的機(jī)床設(shè)備多樣化，數(shù)控加工機(jī)床占生產(chǎn)設(shè)備70%左右，所以決定本次加工蝸桿采用高精度的數(shù)控車床HARDINgE (Quest 8/51)，該數(shù)控車床為斜床身，12 位刀塔，定位精度0.008mm，重復(fù)定位精度0.005mm，F(xiàn)anuc series 21i-T 操作系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速3 500r/min，最低加工轉(zhuǎn)速50r/min，最大加工直徑400mm。

圖3 蝸桿結(jié)構(gòu)圖

二、傳統(tǒng)數(shù)控車削加工蝸桿

1.刀具的選擇

由于所加工的蝸桿全齒高6.6mm，即切削深度為6.6mm，螺距為大螺距9.425mm，加工時(shí)背吃刀量很大。因此所產(chǎn)生的切屑很不容易排出螺旋槽，加工時(shí)的切削力也很大，在加工的過(guò)程中極易產(chǎn)生扎刀現(xiàn)象。

為了減小切削力，順利排出切屑，盡量避免扎刀、崩刀，刀具材料要求韌性好、強(qiáng)度高、容易刃磨，傳統(tǒng)上選用高速鋼材料(見圖4)。高速鋼的紅硬性比較低，耐磨性較差，不適合較高的切削速度。為了得到較好的加工精度和表面粗糙度，高速鋼的刀具在加工時(shí)使用的切削速度和主軸的轉(zhuǎn)速就比較低。

圖4 加工蝸桿的高速鋼刀具

2.數(shù)控車削加工進(jìn)刀方法

常用的加工指令有G32、G92 和G76 3 種。

G32 為單行程螺紋插補(bǔ)指令，它適用于小螺距，更多應(yīng)用于徑向進(jìn)刀方式。G32 加工一次螺旋線時(shí)，需要4 個(gè)步驟才能完成，加工一個(gè)螺紋進(jìn)刀次數(shù)和所要編制的進(jìn)刀步驟的程序一致。因此編程人員程序量大，機(jī)床加工時(shí)間長(zhǎng)。

G92 螺紋切削單一固定循環(huán)指令，其含義與G32相同。G92 加工時(shí)成為一個(gè)循環(huán)，與G32 相比只需要啟動(dòng)一次就可以完成G32 的4 個(gè)步驟。但是G92編程時(shí)，每次都需要輸入進(jìn)刀尺寸，程序編制時(shí)需要手工進(jìn)行分層，編制程序相對(duì)繁瑣，加工時(shí)間長(zhǎng)。

G76 螺紋切削復(fù)合固定循環(huán)，采用斜進(jìn)刀方式，適用于大螺距螺紋的加工，而且程序自動(dòng)進(jìn)行切削深度調(diào)節(jié)，吃刀深度遞減，不但能很好地保證產(chǎn)品的質(zhì)量，而且能大大縮短機(jī)械加工的生產(chǎn)周期。

G76 指令格式:

m:車加工的次數(shù)，取值范圍1～99 次。

r:進(jìn)刀時(shí)(45°)的倒角量，z 向距離，取值范圍為導(dǎo)程的倍數(shù)。單位為0.1 導(dǎo)程，用兩位數(shù)表示，即0.5 導(dǎo)程表示為0.5。

Δdmin:最小吃刀深度。

d:精加工余量。

a:螺紋牙型角，即刀尖角。有6 種牙型角角度:0°，29°，30°，55°，60°，80°，該值由兩位數(shù)表示。例60°表示成60。

當(dāng)精加工2 次，倒角量為1 倍導(dǎo)程的普通螺紋表示方法:P021060。

X_ Z_ :終點(diǎn)坐標(biāo)值。

I:螺紋半徑差，同G92、G32。

K:牙型高度。

Δd:第一刀精加工深度，不帶小數(shù)點(diǎn)。

F:導(dǎo)程。

循環(huán)中各指令中m，r，a 中的0 不能省略。

由于G76 指令加工的牙型角只提供了6 種，沒(méi)有40°的牙型角可供選擇，傳統(tǒng)方法是選擇40°刀尖角的高速鋼刀具，刀頭寬1.6mm;切削參數(shù)S=80，最大吃刀深度0.1mm，最小吃刀深度0.03mm;選用G76 提供的30°牙型角加工。程序如下:

加工狀態(tài)如圖5 所示，刀具三個(gè)切削刃同時(shí)參加切削，切削力非常大，易產(chǎn)生扎刀，零件易報(bào)廢;切屑從三個(gè)刀刃口的方向相互擠壓刀刃排出，切削熱不能及時(shí)帶走，刀具嚴(yán)重磨損;刀具材料紅硬性差，刀具角度變化大，粗加工完后必需換刀才能進(jìn)行精加工;機(jī)床主軸系統(tǒng)受力變形較大，機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)受力大易損壞。

圖5 30°方式車削蝸桿切削過(guò)程圖

加工的結(jié)果:刀具易磨損，如圖6 所示，一把刀具最多只能加工一件零件就要對(duì)刀具進(jìn)行刃磨、調(diào)整，刀具壽命短，操作者勞動(dòng)強(qiáng)度非常大;采用低速切削，零件加工時(shí)間長(zhǎng)、單件加工時(shí)間超過(guò)1h，生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，合格率只有30%，甚至更低;切削力非常大，對(duì)機(jī)床工藝系統(tǒng)的剛性要求非常高。

為了適應(yīng)生產(chǎn)的需要，必須對(duì)加工方法進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，才能完成生產(chǎn)加工任務(wù)。綜合以上分析，刀具材料和車削加工方式的創(chuàng)新是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。筆者經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，并結(jié)合長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，概括出了高效的數(shù)控車削蝸桿的加工方法。

圖6 加工一件蝸桿磨損后的高速鋼刀具

三、高效數(shù)控車削蝸桿加工

1.刀具的選擇

高效加工蝸桿選用硬質(zhì)合金刀具。硬質(zhì)合金刀具磨損小，一把刀具能加工5 件零件以上，加工5 件零件后的刀具如圖7 所示，因而實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)刀具壽命，縮短加工時(shí)間，降低生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的目的。

圖7 加工5 件零件后的刀具圖

硬質(zhì)合金刀具選擇40°刀尖角，以保證刀尖角與蝸桿的牙型角相同。為了保證牙型正確，前角一般取0°，后角大于螺旋升角2°～3°，刀頭寬0.9mm，刀具表面粗糙度值Ra≤0.4μm。

刀具安裝時(shí)保證刀具兩切削刃對(duì)稱中線與工件的軸線垂直，刀具前刀面與水平面平行，刀具前刀面與工件軸線在同一平面上。選擇刀具兩切削刃對(duì)稱中線與刀頭寬度中點(diǎn)處為對(duì)刀點(diǎn)，以利于在加工中刀具損壞后，進(jìn)行重新?lián)Q刀時(shí)提高重合精度。選用的硬質(zhì)合金刀具如圖8 所示。

圖8 硬質(zhì)合金刀具

2.高效加工方法及分析

由于加工蝸桿的牙型角是40°，但是G76 所能加工的牙型角沒(méi)有40°，這給加工帶來(lái)困難。針對(duì)全刃參與切削的情況，利用G76 能夠車削6 種角度螺紋的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行切削過(guò)程改進(jìn)，使用30°和55°的牙型角通過(guò)兩次斜進(jìn)刀的方式加工出40°的牙型角，第一次切削蝸桿的左側(cè)面，第二次切削蝸桿的右側(cè)面，兩次切削完成牙型的加工。這種方法，不但保證了加工質(zhì)量，而且大大節(jié)省了加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

第一次車削完成蝸桿左側(cè)面:選擇40°刀尖角的硬質(zhì)合金刀具，刀頭寬0.9mm;切削參數(shù)S=400，最大吃刀深度0.2mm，最小吃刀深度0.04mm;選用G76 提供的55°牙型角加工。程序如下:

從上面的程序可以看出，對(duì)轉(zhuǎn)速S400 進(jìn)行了提升，第一刀吃刀深度增加一倍為Q200，P020055 中的55 是車削牙型角為55°的螺紋，陽(yáng)面由車刀牙型角保證，陰面牙型半角20°由G76 中55 參數(shù)保證牙型半角為27.5°，則形成一個(gè)47.5°牙型角的螺紋，如圖9 所示，刀具右側(cè)與螺紋右側(cè)形成7.5°角度差異的空間。刀具由左側(cè)和前面切削刃參與切削，右側(cè)刃面是由刀尖擬合出來(lái)，因此避免了三刃切削造成的嚴(yán)重不足，而且有較大的排屑空間。同時(shí)減小刀頭的寬度，可以作為一條切削刃參與切削。

圖9 55°車削蝸桿圖

第二次車削完成蝸桿右側(cè)面:第一次加工形成的牙型角為47.5°，不滿足40°牙型角的要求，因此進(jìn)行右側(cè)牙形的車削工作。選用G76 提供的30°牙型角加工。程序如下:

如圖10 所示，加工中因?yàn)槭菃稳熊囅?，排屑容易，切削力小，因此增大切削參?shù)，最小吃刀深度增加一倍為Q80，第一刀吃刀深度增加一倍為Q400，P020055 更改為P020030 車削30°牙型角的螺紋，車削55°牙型螺紋與30°牙型螺紋時(shí)，螺紋起始點(diǎn)不發(fā)生變化，螺紋不會(huì)發(fā)生亂扣?，F(xiàn)只需要進(jìn)行余量的調(diào)節(jié)，否則會(huì)出現(xiàn)蝸桿超差現(xiàn)象，完整的蝸桿牙型圖如圖11 所示。

圖10 30°角車削蝸桿圖

用30°的方式可以車出完整的40°牙型角的蝸桿，齒根寬度是 1.934mm，而蝸桿理論齒根寬為2.03mm，小于最終尺寸0.1mm。但尺寸太接近，不方便調(diào)整尺寸進(jìn)入公差，因此車削時(shí)的起刀點(diǎn)應(yīng)該向左移動(dòng)約大于0.2mm (方便加工進(jìn)行的取值)，但應(yīng)該小于1.034mm?，F(xiàn)將刀補(bǔ)向左移動(dòng)0.3mm，車削出零件，如圖12 所示。此時(shí)蝸桿的分度圓已加工出來(lái)，利用齒厚卡尺測(cè)量蝸桿，副尺調(diào)整高度為［3-(理論齒頂直徑-實(shí)際齒頂圓直徑)/2］，主尺測(cè)量出法向尺寸，因?yàn)榉ㄏ螨X厚=軸向齒厚×0.996 5，因此可以視同為法向齒厚=軸向齒厚，測(cè)量出軸向齒厚值X。

圖11 完整的蝸桿牙型圖

圖12 刀具移動(dòng)0.3mm后形成的牙型圖

四、檢查蝸桿

蝸桿的主要測(cè)量參數(shù)有周節(jié)、齒頂圓直徑、分度圓直徑和法向齒厚。其中齒頂圓直徑可用游標(biāo)卡尺和千分尺測(cè)量。周節(jié)主要由機(jī)床傳動(dòng)鏈保證，粗略的測(cè)量可用游標(biāo)卡尺測(cè)量或用光學(xué)投影儀測(cè)量。

分度圓直徑可用三針測(cè)量。其原理和測(cè)量方法與測(cè)量螺紋相同。

三針測(cè)量蝸桿(α=20°)計(jì)算公式:

dD取值1.672Mx。

法向齒厚測(cè)量:蝸桿的齒厚是一個(gè)很重要的參數(shù)，在齒形角正確的情況下，分度圓直徑處的軸向齒厚與齒槽寬相等，但軸向齒厚無(wú)法直接測(cè)量，常通過(guò)對(duì)法向齒厚進(jìn)行測(cè)量來(lái)判斷軸向齒厚是否正確。法向齒厚可用齒輪卡尺進(jìn)行測(cè)量，齒輪卡尺(見圖13)由互相垂直的齒高卡尺1 和齒厚卡尺2 組成。測(cè)量時(shí)，卡腳側(cè)面必須與卡尺側(cè)面平行，也就是卡尺平面與蝸桿軸線相交一個(gè)蝸桿導(dǎo)程角γ，齒高卡尺調(diào)到h1的尺寸(齒頂圓直徑誤差對(duì)齒頂高有影響)，齒厚卡尺所得的讀數(shù)就是法向齒厚的實(shí)際尺寸。

采用高效數(shù)車的方法加工完成的蝸桿如圖14 所示。對(duì)加工后的蝸桿進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖13 齒輪卡尺測(cè)量法向齒厚

圖14 高效數(shù)車加工的蝸桿實(shí)物圖

表2 蝸桿零件的實(shí)際檢測(cè)尺寸(單位:mm)

根據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果可以看出，采用高效方法加工的蝸桿所有尺寸均在公差范圍內(nèi)，達(dá)到了圖樣的技術(shù)要求，本次加工零件10 件，調(diào)試程序報(bào)廢1 件，其余全部合格，合格率90%。中途刃磨刀具一次，單件加工時(shí)間只有20min。

五、結(jié)語(yǔ)

本文介紹的優(yōu)化方法，從刀具的選擇優(yōu)化出發(fā)，利用數(shù)控車床的斜進(jìn)刀方式，采用左、右側(cè)面兩次進(jìn)刀的方式進(jìn)行加工，留出充分的排屑空間，使刀具受力情況大大改善，提高了機(jī)床的穩(wěn)定性和刀具的使用壽命，同時(shí)，使切削參數(shù)得到較大的提升，加工時(shí)間大大縮短，零件質(zhì)量穩(wěn)定;數(shù)控程序簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，刀具易調(diào)整。經(jīng)檢驗(yàn)，加工的蝸桿尺寸均在公差范圍內(nèi)，達(dá)到了技術(shù)要求。實(shí)踐操作驗(yàn)證，改進(jìn)后的加工方案加工質(zhì)量得到提高，加工時(shí)間節(jié)省66%，大大縮短了生產(chǎn)周期。此方法對(duì)同類零件的加工具有指導(dǎo)作用。