起重機梯圓螺紋軸的車削加工

■徐州重型機械有限公司 （江蘇徐州 221000） 孟 維 黃 龍 馬黎麗

某超大噸位起重機的超起部位采用標準梯圓螺紋軸聯(lián)接，主要用于起重機超起和副臂處的聯(lián)接，梯形螺紋規(guī)格為TY140×16。該種聯(lián)接方式具有強度高、承載力大及不易斷裂等優(yōu)點，但受其結構形式限制，該工件不易裝夾，螺紋加工難度大，導致該件加工周期長，生產難度大，廢品率高。因此需要對此工件加工方式進行研究，制定合理的加工方法，以提升產品質量，縮短生產周期，保證產品正常生產。

1. 工件技術要求及加工難點

（1）工件技術要求 工件的結構形式如圖1所示，軸外形尺寸為φ 2 6 0 m m×6 6 3 m m，質量8 7.8 1 k g，螺紋規(guī)格為TY140×16，螺紋具體形式如圖2所示。

（2）加工工藝分析 該軸主要采用普通車床加工，具體工藝路線為：下料→銑端面打中心孔→粗車→粗銑→熱處理（調質）→精銑→精車→車螺紋→探傷→鍍鉻→檢驗入庫。由于毛坯直徑為260mm，而熱處理層只有35mm，所以粗銑之后再進行調質處理，粗銑之后夾持剛性變差，導致車削振動；若采用數(shù)控車床加工螺紋，宏程序空刀次數(shù)多，初步測算加工時間為12h/件，加工時間較長，且目前數(shù)控車床只配備液壓自定心卡盤，無法夾持其扁尾部分。

圖1 工件結構

圖2 梯圓螺紋牙型

（3）加工難點 ①工件為異形件，無法裝夾，需更改夾爪結構形式。②工件剛性差，需要增強工件裝夾剛性和優(yōu)化切削參數(shù)。③無專用加工刀具，需自行設計制造非標刀具。

2. 解決辦法

針對以上難題，解決辦法有以下幾點。

1）通過制定焊接連接或采用單動卡盤找正裝夾方式，解決異形件無法裝夾的問題。

2）通過調整切削參數(shù)，增加支撐剛性，減少外圓、螺紋車削時的振動。

3）通過自制左、右側粗車刀，牙底圓弧成形刀、牙頂圓弧成形刀，解決螺紋無法加工的難題。

3. 解決方案

（1）裝夾方案 根據(jù)起重機梯圓螺紋軸的特點，粗加工熱處理后，若在圓弧段焊接圓柱，采用一夾一頂?shù)姆桨福ㄒ妶D3），車出工藝臺階，調頭裝夾，待車削完成后，清除工藝臺階和焊縫。

圖3 焊接后裝夾示意

經過初步驗證，將類似工件拼焊后，使用刻磨機等手動工具清理焊縫，用時約40min，時間長，且容易破壞工件表面。

考慮到過渡圓弧的長度，用單動卡盤裝夾（見圖4），需要增加夾爪長度50mm，通過在普通軟爪上焊接過渡爪的方式，制作加長夾爪，夾持扁尾處后，再加工起重機梯圓螺紋軸外圓。

圖4 單動卡盤裝夾示意

（2）機床調整和振源規(guī)避 車削中減小振動，需要調整機床主軸滾動軸承間隙、中小滑板配合間隙，并降低主軸轉速，避開振源頻率，增加車削系統(tǒng)剛性。

（3）梯圓螺紋車削及刀具設計 這部分按照下面幾個步驟進行。

1）一夾一頂一支撐?？紤]到螺紋車削時切削刃與工件接觸面較大，可在此處使用中心架支撐（見圖5），達到剛性支撐的目的。

圖5 一夾一頂一支撐示意

2）選擇螺紋開粗刀與加工路線規(guī)劃?？紤]到切削效率，可采用4mm外圓槽刀進行螺紋開粗，受其螺旋升角影響，刀具后角易與工件干涉，所以需要選擇大后角的外圓槽刀，并且要在原有刀具的基礎上進行簡易改制，即在砂輪機上磨掉圖6所示部分，盡可能避免與工件發(fā)生干涉。

圖6 打磨示意

加工前，需要將螺紋牙底圓弧切點通過繪圖軟件標出安全距離0.17m m，即直徑方向為0.2mm，并計算出槽刀開粗的最大切削深度。已知螺紋大徑實際尺寸A為139.9mm，螺紋牙高h為8.9mm，頂點距離槽切削刃的距離h1為0.82mm，使用4mm槽刀所加工最大切削深度h2為8.08mm，進刀底徑尺寸為131.82mm。計算過程如下：最大切削深度h2＝螺紋牙高h－頂點h1＝8.9－0.82＝8.08（mm）。進刀底徑尺寸＝螺紋大徑實際尺寸A－切削深度h2＝139.9－8.08＝131.82（mm）。

開粗時，主軸轉速宜選為100～125r/min，防止主軸速度過高，未及時退刀造成刀具和工件發(fā)生碰撞。加工時，采用正反車直進法，由大至小、循序漸進切除相應余量，切入5mm以上時，要及時觀察刀具排屑情況。

切削液以水溶液為主，可以及時帶走大量切削熱，減小刀具磨損。

3）左、右側粗車刀具設計與進刀路線規(guī)劃。梯圓螺紋牙型兩側的車削刀具優(yōu)先選擇高速鋼，考慮到刀具前角γo影響切削力、切削溫度和效率，增大前角可以減小切削力，所以在保證車刀強度的前提下，盡量增大前角，一般取γo＝5°～8°。

為避免雙刃切削，切削力過大會造成拉刀、扎刀現(xiàn)象，將左、右側粗車刀具設計為正反單刃刀，可以有效避免車削時因切削力過大造成拉刀、扎刀問題。

通過測繪，已知牙底圓弧弦長6.84m m，左、右側刀具刀寬為1/2弦長，即3.42mm，實際尺寸略＜3.42m m，先通過數(shù)控線切割將刀具切割成形（見圖7、圖8），再將刀具磨至3.1m m，并注意避讓螺旋升角。為減小刃磨量，可以將刀具頭部墊起5～7mm，再切除多余部位。

粗車右側牙型，采用分兩層車削的工藝，即移動普通車床小滑板并配合直進法，依次遞進將右側殘余切除，便于精加工。

圖7 右側粗車刀具和切削示意

圖8 左側粗車刀具和切削示意

粗車左側牙型，和上述方法一致。

4）梯圓螺紋牙底成形刀的設計和加工路線規(guī)劃。梯圓螺紋牙底成形刀如圖9所示，需要先制作角度檢測樣板，便于刀具刃磨后的檢測，需要保證切削刃處的圓弧與圖樣標注的圓弧一致，前角采用γo＝0°，使用線切割切削切削刃。

圖9 牙底成形刀和切削示意

該刀具對刀時，可以先將刀具貼近螺紋牙底，使用肉眼觀測，配合機床小滑板將刀具移至中心位置，然后將刀具退出。加工時，采用直進法，可以逐次進給，反復操作將牙底圓弧余量切除。

5）設計牙頂圓弧成形刀和加工路線規(guī)劃。牙頂圓弧成形刀如圖10所示，需要進行樣板制作。該刀具的圓弧要與牙頂圓弧一致，退刀槽為16mm，需要注意刀桿的整體寬度不能超過16mm，刀具過寬不利于安全退刀。切割成形的牙頂圓弧成形刀在刃磨前要先修整砂輪，保持砂輪無跳動；刃磨時，大拇指壓住前刀面，以手腕為中心上下移動，利用砂輪直角將刃口刃磨至與樣板一致。

圖10 牙頂成形刀具

考慮到還有圓弧弧頂直線部分，可以預先將螺紋軸的大徑車削至140mm，利用機床小滑板將刀具移至牙頂中間位置，按下機床開合螺母，再采用直進法將牙頂圓弧連同弧頂直線加工至設計要求。

4. 梯圓螺紋軸加工試制

通過對其加工工藝進行細致分析，制定加工方案，在試制中，有針對性地根據(jù)上述方案進行控制，以保證起重機梯圓螺紋軸試制的順利進行。

（1）臺階加工 先進行φ150m m處余量檢測，實測φ153m m，余量3m m。按粗、半精及精加工先后順序分3 刀進行，粗加工切削參數(shù)為ap＝0.5mm，f＝0.35mm/r，v＝150～165m/m i n；精加工切削參數(shù)為ap＝0.25mm，f＝0.18mm/r，v＝125～135m/min，精車走兩刀便于控制尺寸，且表面質量也比較理想。

（2）產品裝夾調試 在螺紋加工前，將中心架移至φ150mm處，校正后，在架口處滴入潤滑油，增加潤滑度，各支撐要用力適中，防止工件抱死。可以先進行空車試驗，確認無誤后再進行端面車削和倒角加工，并修正中心孔。

（3）梯圓螺紋加工 使用槽刀開粗時，切削參數(shù)為ap＝0.2mm，f＝16mm/r，v＝100～125m/min，逐漸遞減切削深度至安全尺寸。

梯圓螺紋的牙型兩側車削三要素為：ap＝0.3mm，f＝16mm/r，v＝75～87m/min。

牙底圓弧與兩側面的精加工，需要根據(jù)不同工況及時調整切削參數(shù)，防止扎刀、啃刀現(xiàn)象。從以上兩方面考慮，切削速度應控制在一定范圍。切削參數(shù)為ap＝0.05mm，f＝16mm/r，v＝75～85m/min，試切中出現(xiàn)微振，使產品存在較大的質量隱患，也對設備造成較大負擔，通過使用牙型檢測樣板，結合透光法檢測，發(fā)現(xiàn)圓弧底部還有余量。通過對精車切削參數(shù)進行多次調整，綜合分析后，將精加工切削參數(shù)修改為：ap＝0.05mm，f＝16mm/r，v＝32～44m/min，車3刀，加工表面質量較為理想。

螺紋頂部圓弧車削三要素為：ap＝0.3mm，f＝16mm/r，v＝85～95m/min，切削深度由大到小遞減。

（4）梯圓螺紋的檢測 通過樣板比對，使用梯圓螺母進行配合檢測，需要注意檢測時將尾座移至安全距離，工件未經檢測禁止拆下，螺母吊起后，只需手動轉動卡盤，旋入后，進行間隙檢測，合格后取下工件（見圖11）。

圖11 梯圓螺紋配合檢測

5. 結語

起重機梯圓螺紋軸的剛性較差，車削螺紋時，切削受力過大，一般情況下很難保證該軸加工質量。本文通過對起重機梯圓螺紋軸車削加工的研究，采用中心架支撐，增加系統(tǒng)剛性，自制左、右側粗車刀具、梯圓螺紋牙底成形刀及牙頂圓弧成形刀等刀具解決螺紋加工難題。另外，采取合理規(guī)劃切削路線，選擇合理的切削參數(shù)等措施，保證了起重機梯圓螺紋軸的加工質量。