雙頭深矩形螺旋槽切削加工優(yōu)化

■ 太重（天津）濱海重型機械有限公司 （天津 300450） 張宏娟

料室內(nèi)襯是我單位生產(chǎn)的炭素擠壓機的關(guān)鍵零件之一，材質(zhì)ZG35CrMo，熱處理硬度200～260HBW。圖1為41MN炭素擠壓機內(nèi)襯結(jié)構(gòu)尺寸及三維示意圖，從圖中可知，在不足90mm壁厚（見圖1b）的內(nèi)襯外圓上設(shè)計有長2 400mm，螺距200mm，截面尺寸為50mm×25mm×R16mm雙頭深矩形螺旋槽（見圖1a），其作用是實現(xiàn)料室的煤油循環(huán)加熱功能。

目前國內(nèi)關(guān)于如此大型套筒類零件加工大螺距、深矩形截面螺旋槽的技術(shù)及經(jīng)驗很少，我單位對該螺旋槽的加工尚處于探索階段，無成熟工藝可以借鑒，因此料室內(nèi)襯的切槽工藝研究成為該系列擠壓機生產(chǎn)制造的關(guān)鍵技術(shù)。

1. 螺旋槽加工初探

因該螺旋槽牙型較深，寬度較大，且為200mm的大螺距，因此切削余量和切削抗力均較大，加工困難。最初使用8mm寬的單一車刀對整個螺旋槽進行仿形加工，進給量設(shè)定的很小，內(nèi)襯切槽耗時高達120h。雖然通過此方法極大地擴展了車刀及數(shù)控車床的功能，但加工效率極低，且螺旋槽的表面質(zhì)量差，難以滿足生產(chǎn)需要。后期我們引進了單一成形刀，循環(huán)加工螺旋槽，編程簡單，數(shù)控操作性強，但由于圓弧刀360°切削刃，刀具與工件接觸面積大，易產(chǎn)生振動、崩刀，導(dǎo)致切削用量小，切削方式受限，也難以在此次螺旋槽加工中推廣。經(jīng)過反復(fù)試驗，我們克服了在數(shù)控車床上采用多把刀準確定位在同一螺旋槽的困難，在數(shù)控車床上加工深矩形螺旋槽的技術(shù)攻關(guān)獲得成功，現(xiàn)以臥式炭素擠壓機內(nèi)襯為例說明螺旋槽的加工方法。

2. 試驗過程

（1）裝夾及工序安排 因該螺旋槽牙型截面尺寸大，接近工件壁厚的1/3，為避免切削力過大而產(chǎn)生振動，內(nèi)襯兩端配剛性悶頭，采用卡盤與尾座雙頂尖的裝夾方式 ，增加整個工藝系統(tǒng)的剛性。同時考慮到工件裝配精度高且容易變形，螺旋槽車削工序安排在半精加工和精加工之間。

（2）螺旋槽切削進刀方式 螺紋切削的進刀方式，往往與螺紋牙型、螺距及加工機床密切相關(guān)。常用的切削方式有徑向進刀（見圖2a）、側(cè)向進刀（見圖2b）和交替進刀（見圖2c），為減小加工中的切削力，臥式車床加工大螺距的梯形螺紋時， 也可采用車直槽法（見圖2d）、車階梯槽法（見圖2e）和分層切削法（見圖2f）進行加工。

針對螺旋槽截面尺寸大、螺距大的特點，切槽采用分層分刀切削的方式，槽深方向分成若干層，每層Z向再分為若干次進刀。由于大部分時間只有一個切削刃進行切削，可有效地控制切除余量，同時保證表面質(zhì)量，提升刀具的使用壽命。

圖1 臥式炭素擠壓機內(nèi)襯結(jié)構(gòu)及三維示意

（3）刀具的選擇及對刀方式 為提高切削效率，我們突破原單一刀具加工螺旋槽的思路，采用兩把以上車刀實現(xiàn)螺旋槽的粗、精加工分開。如圖3所示，采用刃長25mm的方形涂層刀片（SNMM250924-TP FP4725），45°主偏角進行粗車，去除大部分加工余量。φ32mm的圓弧車刀（RCMX3209M0RH KC9220）精車，保證螺旋槽根部圓弧質(zhì)量。

圖3 方形涂層刀片

對于數(shù)控車床，要使幾把刀準確定位在同一螺旋槽中進行加工比較困難，要保證粗、精加工車刀的準確定位，在加工及對刀過程中要堅持以下幾個原則。

1）切削螺旋槽前，先完成進、退刀環(huán)形槽的加工。一方面方便數(shù)控編碼器控制螺旋加工的起刀點，另一方面該環(huán)形槽可作為粗、精加工對刀的共同基準。

2）選用45°主偏角車刀進行粗加工，以該車刀的切削刃，即刀尖，為刀位點進行Z軸對刀，以工件外圓（螺紋大徑）進行X軸對刀。

3）精加工選擇圓弧車刀，以圓弧車刀圓心為刀位點進行Z軸對刀，以刀尖為刀位點進行X軸對刀。

4）尖形車刀與螺紋車刀所用刀桿的尺寸一致，保證換刀裝夾后，刀具切削刃高度盡可能一致，減少對刀難度。

（4）宏程序及具體切削過程 切槽前，采用普通車刀在工件表面刻出螺旋線，深度以0.05mm為宜（見圖4a），考慮粗、精加工刀具的切換，此次車削步驟安排如下：第一頭螺紋（SF=0）粗車→第二頭螺紋（SF=180）粗車→第一頭螺紋精車（見圖4b）→第二頭螺紋精車（見圖4c）。 經(jīng)反復(fù)調(diào)整參數(shù)，車床轉(zhuǎn)速10r/min，粗加工每層直徑方向上進刀10mm/r，精加工直徑方向上進刀0.8～1mm/r，加工過程較穩(wěn)定。

現(xiàn)有數(shù)控車床為西門子系統(tǒng)，螺旋退刀槽中心設(shè)置為Z0，工件外徑為X0，先選用2號車刀粗加工，為方便編程計算，斜進刀單側(cè)切削為主，部分宏程序如下。

圖4 螺紋切削過程控制

G90 G95 G54 M03 S10 F1

R1=19

SS：G0 Z=R1

X-10

G33 Z-2400 K200 SF=0

G04F1（為減弱機床慣性影響，暫停1s）

G0X20

Z0

R1=R1-1

REPEAT SS P=38

M05

M30

依次取R1=14，X=－20；R1=9，X=－30；R1=4，X=－40；R1=4，X=－48，并計算相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)（28，18，8，1），更改程序后完成粗車，具體如圖5所示切削簡化模型。實際操作過程中為縮短切槽輔助時間，也可打斷循環(huán)，單次手動編程完成切槽加工。

再選用φ32mm圓弧車刀，先左右交替進刀，隨著螺旋槽加深，增加直進刀，且每層分刀次數(shù)根據(jù)需要增加，部分宏程序如下。

G90 G95 G54 M03 S10 F1

R1=0

SS: G0Z8

X=－R1

G33 Z-2400 K200 SF=0

G04F1（為減弱機床慣性影響，暫停1s）

G0X20

Z0

G0Z-8

X=-R1

圖5 切削簡化模型

G33 Z-2400 K200 SF=0

G04F1（為減弱機床慣性影響，暫停1s）

G0X20

Z0

R1=R1+0.8

REPEAT SS P=20

M05

M30

實際操作時，為縮短退刀輔助工時，精加工階段多單次手動修改程序，完成螺旋槽的切削，循環(huán)編程需根據(jù)切削量計算循環(huán)次數(shù)。

3. 注意事項

1）數(shù)控車床加工螺紋時，由于機床伺服系統(tǒng)響應(yīng)滯后，會出現(xiàn)螺紋切入（切出）距離不同于螺距的現(xiàn)象，分層多刀切削螺紋時，為保證螺紋不亂扣，要求車床主軸轉(zhuǎn)速不變。

2）在對刀的過程中，接近工件X軸和Z軸時，手搖脈沖發(fā)生器進給量選擇0.001mm擋位。

3）圓弧刀切削時，深矩形槽底部直段通過Z軸方向分多次進刀完成，深矩形槽兩側(cè)直段分別通過X軸方向多次進刀完成。

4. 結(jié)語

通過反復(fù)工藝試驗，優(yōu)化了螺旋槽的加工方案。粗加工時，采用45°主偏角機夾車刀，配方形硬質(zhì)合金涂層刀片，主切削刃和副切削刃交替吃刀，加工效率高，且編程計算簡便，可操作性強。精加工采用圓弧成形刀片，根部圓弧成形好，經(jīng)過工藝改進，較單一切削刀具加工效率提高約4倍，較單一圓弧成形刀加工效率提高約1.5倍，極大地提高了螺旋槽的加工效率。