高硬度旋壓機(jī)輪軸的螺紋銑削加工

■ 湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司 （湖北孝感 432000） 周榮軍 毛華章 劉偉峰 劉志清

隨著航空航天、石油化工及冶金等工業(yè)的蓬勃發(fā)展，淬硬鋼得到廣泛應(yīng)用。由于淬硬鋼的硬度高，加工時(shí)所需切削力大，切削脆性大，使刀具產(chǎn)生崩刃，破損嚴(yán)重。我公司某型旋壓機(jī)輪軸軸肩處均布6處M20螺釘，由于該軸本身材料硬度高，加工螺紋孔位置狹小，給加工帶來(lái)了難題。本文從裝夾方案、刀具選用、切削參數(shù)以及銑削加工程序等方面對(duì)高硬度材料螺紋銑削加工進(jìn)行闡述。

1. 零件分析

我公司某型旋壓機(jī)輪軸采用42CrMo材料，熱處理調(diào)質(zhì)硬度250～280HBW，輪軸表面采用高頻淬火，硬度55～60HRC，淬火厚度為2.0～2.5mm，在使用過(guò)程中該軸肩處均布6處M20螺釘。由于長(zhǎng)期受剪切力而斷裂，需在該軸肩處錯(cuò)位重新加工6個(gè)M20-7H螺紋孔。由于該軸身經(jīng)過(guò)淬火后硬度高且加工螺紋孔位置狹小，在加工時(shí)要選用合適的刀柄以避免發(fā)生干涉。該產(chǎn)品的主要加工難點(diǎn)是在淬硬鋼材料上進(jìn)行鉆削、銑削和螺紋銑削，結(jié)合淬硬鋼的特點(diǎn)正確選用刀具，給定合理的銑削速度和進(jìn)給量。

2. 銑削高硬度鋼螺紋銑刀的選用原則

（1）螺紋銑刀的分析 在銑削過(guò)程中，刀具切削部分在很大切削力和很高的切削溫度下工作，有時(shí)還要受到強(qiáng)烈的沖擊力，因此刀具材料必須具備高硬度和耐磨性、高強(qiáng)度和韌性及高耐熱性。

1）高硬度和耐磨性。刀具要從工件上切除多余的金屬，其硬度必須大于工件材料的硬度。一般常溫硬度應(yīng)超過(guò)60HRC。硬質(zhì)合金的硬度可達(dá)89～95HRC。耐磨性與硬度有密切關(guān)系，硬度越高，均勻分布的細(xì)化碳化物越多，則耐磨性越好。

2）高強(qiáng)度和韌性。在切削過(guò)程中，刀具承受很大的壓力，同時(shí)還受到?jīng)_擊，產(chǎn)生振動(dòng)，為了不產(chǎn)生崩刃或折斷，刀具材料必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性。

3）高耐熱性。耐熱性是指在高溫下刀具材料保持上述性能的能力，可用紅硬性表示。高溫下硬度越高則紅硬性越好，硬質(zhì)合金的紅硬性達(dá)到約900℃。

結(jié)合以上刀具的特點(diǎn)，在加工60HRC以上的高硬度鋼時(shí)，優(yōu)先選用整體硬質(zhì)合金銑刀。

硬質(zhì)合金中高熔點(diǎn)、高硬度碳化物含量高，因此硬質(zhì)合金常溫硬度很高，達(dá)到78～82HRC，熱熔性好，可達(dá)800～1 000℃，切削速度比高速鋼提高4～7倍。硬質(zhì)合金缺點(diǎn)是脆性大，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度不強(qiáng)。抗彎強(qiáng)度只有高速鋼的1/3～1/2，沖擊韌度只有高速鋼的1/35～1/4。硬質(zhì)合金主要有鎢鈷類、鎢鈦鈷類、鎢鈦鉭（鈮）鈷類、碳化鈦基類及超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等。

（2）螺紋銑刀的種類及加工原理 在螺紋銑削加工中，三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床和螺紋銑削刀具是必備的要素，螺紋銑削刀具主要分為兩種：一種是單齒型螺紋銑刀；另外一種是密齒型螺紋銑刀（見(jiàn)圖1），單齒型螺紋銑刀與螺紋車刀類似，在加工時(shí)刀具沿徑向旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)軸向下降一個(gè)螺距即可完成一個(gè)螺距的螺紋銑加工，該類刀具相較于密齒型螺紋銑刀，由于單刃銑，銑削力小，同一種刀片可以銑削不同螺距的螺紋，但是效率較低。

密齒型螺紋銑刀類似于螺紋絲錐，但是刀具上無(wú)螺紋升程。加工時(shí)沿螺旋線加工一周即可完成整個(gè)螺紋，加工切削平穩(wěn)，加工效率高，銑削力較大，制造成本高。

圖1 密齒型螺紋銑刀

3. 旋壓機(jī)輪軸螺紋孔的加工方法

（1）旋壓機(jī)輪軸材料特性分析 旋壓機(jī)輪軸材料經(jīng)過(guò)表面淬火后硬度達(dá)到60HRC，軸肩處6個(gè)M20-7H螺紋孔均勻分布。淬火鋼的硬度達(dá)到50～60HRC時(shí)，其強(qiáng)度可達(dá)2 100～2 600MPa，按照被加工材料加工性分級(jí)規(guī)定，淬火鋼的硬度和強(qiáng)度均為9a級(jí)，其硬度高、強(qiáng)度高且塑性低，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了2 500MPa，要從高硬度和高強(qiáng)度的工件上切除材料，其單位切削力可達(dá)4 500MPa，在銑削時(shí)切削刃易崩碎，磨損嚴(yán)重。

（2）工藝方案的確定 由于該旋壓機(jī)輪軸長(zhǎng)度達(dá)到1 200mm，加工位置位于軸肩處，所以采用臥式鏜銑床加工。采用海天精工（HTM-160H/D）數(shù)控臥式鏜銑加工中心，F(xiàn)ANUC-18i系統(tǒng)，主軸功率37.5kW，行程2 500mm×2 000mm×1 500mm，主軸最高轉(zhuǎn)速2 500r/min，最高進(jìn)給速度6 000mm/min。主軸刀柄選擇BT50-ER20-125型號(hào)（軸頸到螺紋孔的位置只有單邊25mm），待加工軸采用V形鐵定位，壓板壓緊的方式如圖2所示。

圖2 壓板壓緊方式

（3）加工內(nèi)容 ①鉆底孔至φ10.6mm，深度28mm。采用φ10.6mm硬質(zhì)合金鉆頭（瓦爾特），轉(zhuǎn)速n＝800r/min，進(jìn)給量f＝0.05mm/r。②擴(kuò)孔至φ17.6mm，深度25mm。采用φ10mm硬質(zhì)合金銑刀（韓國(guó)YG，型號(hào)GFC89100），轉(zhuǎn)速n＝800r/min，f＝0.02mm/r，銑削方式為層切、順銑。③銑6個(gè)M20-7H均布螺紋，深度24mm。采用φ14mm螺紋銑刀（輝瑞整體硬質(zhì)合金螺紋銑刀，銑刀型號(hào)D14×2.5-70），轉(zhuǎn)速n＝1 600r/min，f＝0.04mm/r，銑削方式為自上而下，分層逆銑。

（4）螺紋銑刀的選擇 按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行選擇。

1）采用整體式硬質(zhì)合金螺紋銑刀，該刀具上無(wú)螺紋升程，加工中的螺旋升程靠機(jī)床運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，刀具剛性好，特別是帶螺旋槽的整體式硬質(zhì)合金圓柱螺紋銑刀，在加工高硬度材料時(shí)可有效降低切削負(fù)荷，提高加工效率。

2）采用圓弧切入切出法，刀具切入、切出平衡，不留任何痕跡、不產(chǎn)生振動(dòng)。全齒加工非常硬的材料時(shí)，當(dāng)切入接近全牙型時(shí)，由于刀具與工件的接觸面積大，極易產(chǎn)生振動(dòng)。要注意的是，為避免切入接近全牙時(shí)的振動(dòng)，進(jìn)給量應(yīng)盡量降低到螺旋插補(bǔ)進(jìn)給量的1/3。刀具切入時(shí)采用圓弧軌跡，通常為1/2或者1/4圓弧進(jìn)行切入切出，同時(shí)Z軸方向也相應(yīng)行進(jìn)1/2或者1/4，以保證螺紋形狀。

3）采用梳齒整體硬質(zhì)合金銑刀在銑削大螺距螺紋時(shí)，為避免因銑削力過(guò)大而造成銑刀崩刃或者產(chǎn)品發(fā)生共振，在路線上采用單齒型螺紋銑刀的銑削方式，第一排切削刃銑削，后面的切削刃還可以去除殘余余量，達(dá)到修光效果，加工完成后零件如圖3所示。

（5）螺紋銑削程序 應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)為FANUC-18i，程序如下。

圖3 加工完成后的零件

O0061；程序名

N10 G90G0G80G69G40G54G49；系統(tǒng)初始化，選定G54工件坐標(biāo)系

N15 M3S1600；主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1 600r/min

N20 Z150 M08；刀具移動(dòng)至初始高度，切削液開(kāi)

N25 #20＝30；平面旋轉(zhuǎn)初始角度

N30 WHILE[#20LT360]DO1；如果#20＜360，循環(huán)繼續(xù)執(zhí)行下面程序

N35 G68X0Y0R#20；平面坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)

N40 GOX90Y0；刀具移動(dòng)到孔位坐標(biāo)點(diǎn)

N45 Z5；刀具移動(dòng)到工件表面上方

N50 #1＝10；螺紋大徑的半徑值

N55 #2＝6.96；刀具半徑值

N60 #3＝2.5；螺距

N65 #6＝[#1-#2]；螺紋大徑半徑值與刀具半徑值的差

N70 #4＝#6/2；螺紋大徑半徑值與刀具半徑值的差的一半

N75 #10＝0；Z軸切入初始坐標(biāo)

N80 G1G90Z#3F200；刀具移動(dòng)至起始點(diǎn)上一個(gè)螺距的位置

N85 G1G91Y-#6F100；Y軸相對(duì)移動(dòng)螺紋大徑半徑值與刀具半徑的差

N90 WHILE[#10LE25]DO2；如果#10≤25執(zhí)行下面的程序段

N95 G90G02J#6Z-#10F240；銑削一個(gè)螺距

N100 #10＝#10+#3；當(dāng)前Z值增加一個(gè)螺距值

N105 END2；循環(huán)程序結(jié)束，返回起始段N90

N110 G02G91X-#4Y#4R#4Z-[#3/4]F50；1/4螺距切出

N115 G1X#4Y#4；移動(dòng)到孔位中心點(diǎn)

N120 G0G90Z200；退至安全高度

N125 #20＝#20+60；旋轉(zhuǎn)角度增加60°

N130 END1；循環(huán)程序結(jié)束，返回起始段N30

N135 G0Z300M09；退至起始高度，切削液關(guān)

N140 M05M30；主軸停止，程序結(jié)束

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4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高硬度鋼的特點(diǎn)及加工難點(diǎn)的分析，針對(duì)典型零件在特定加工設(shè)備上采用正確的定位方法以保證零件在加工過(guò)程中的牢固性，在螺紋銑削加工時(shí)選用正確的硬質(zhì)合金刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)，選用梳齒型螺紋銑刀，在加工時(shí)執(zhí)行單齒螺紋軌跡，同時(shí)選用合適的切削參數(shù)，保證在螺紋銑削時(shí)產(chǎn)品的剛性、刀具的有效切削時(shí)間，加工后螺紋可以滿足工藝要求。