大功率機(jī)型推土機(jī)后橋箱內(nèi)螺紋加工工藝改進(jìn)

賀玉嶺，田伍臣，雷寧寧，崔克誠

山推工程機(jī)械股份有限公司 山東濟(jì)寧 272073

賀玉嶺

1 序言

工程機(jī)械行業(yè)是裝備工業(yè)的重要組成部分，近年來工程機(jī)械市場需求逐漸向大功率大噸位趨勢轉(zhuǎn)化，隨著國內(nèi)外鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，對(duì)于大功率大噸位工程機(jī)械產(chǎn)品的需求大幅提升。推土機(jī)是一種工程車輛，前方裝有大型金屬推土刀，使用時(shí)放下推土刀，向前鏟削并推送泥、沙及石塊等，推土刀位置和角度可調(diào)。推土機(jī)能單獨(dú)完成挖土、運(yùn)土和卸土工作，具有操作靈活、轉(zhuǎn)動(dòng)方便、所需工作面小及行駛速度快等特點(diǎn)。我公司研制的SD90大功率推土機(jī)（后橋箱見圖1）是我國工程機(jī)械高端制造的典型代表，是目前國內(nèi)最大功率、最高效率、最智能化的推土機(jī)產(chǎn)品之一，該款產(chǎn)品性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖1 SD90后橋箱簡圖

我公司生產(chǎn)的SD32機(jī)型以上推土機(jī)，如SD60、SD90等，是大功率機(jī)型推土機(jī)。推土機(jī)后橋箱是焊接結(jié)構(gòu)件，它承擔(dān)著將變速箱輸出的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為中央傳動(dòng)裝置動(dòng)力和終傳動(dòng)裝置動(dòng)力的任務(wù)，是整個(gè)推土機(jī)動(dòng)力的核心。大功率推土機(jī)后橋箱螺紋孔幾乎全部為M27以上螺紋，以SD90后橋箱為例，法蘭面上有38×M30×3mm螺紋、44×M33×3mm螺紋。大功率機(jī)型橋箱由于特殊工況原因，螺紋孔需要很高的聯(lián)接強(qiáng)度，具有加工精度要求高的特點(diǎn)，這就給內(nèi)螺紋加工帶來很大困難?，F(xiàn)有大直徑內(nèi)螺紋加工工藝難以滿足工件加工質(zhì)量要求，必須探索更好的加工工藝，降低加工成本、提高生產(chǎn)效率。本研究提出一種高效、合理的內(nèi)螺紋加工工藝。

2 工藝改進(jìn)背景

2.1 現(xiàn)場生產(chǎn)狀況

我公司螺紋加工設(shè)備主要為搖臂鉆床和攻螺紋機(jī)。搖臂鉆床是一種孔加工設(shè)備，可以用來鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋及修刮端面等多種形式的加工，操作方便、靈活，適用范圍廣，特別適用于單件或批量生產(chǎn)帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機(jī)械加工車間常見的機(jī)床[1]。在我公司，搖臂鉆床承擔(dān)所有螺紋底孔的加工及M24mm以上螺紋的加工。攻螺紋機(jī)就是用絲錐加工內(nèi)螺紋的一種機(jī)床，它是應(yīng)用最廣泛的一種內(nèi)螺紋加工機(jī)床，特點(diǎn)是輕便、靈活、高效。攻螺紋機(jī)主要承擔(dān)M24mm以下螺紋的加工。

螺紋加工前需先鉆出底孔，然后才能利用絲錐加工螺紋，所以螺紋的整個(gè)加工過程中用到的刀具包括鉆頭、絲錐。我公司現(xiàn)在所用鉆頭材料為高速鋼，鉆頭的刃磨質(zhì)量直接關(guān)系到鉆孔質(zhì)量和鉆削效率，是影響鉆頭使用性能的重要因素，特別是頂角的刃磨。根據(jù)GB/T 17984—2010中規(guī)定，麻花鉆頂角角度為118°±3°。在刃磨好的鉆頭中，隨機(jī)抽取φ27mm和φ30mm鉆頭，利用帕萊克對(duì)刀儀進(jìn)行頂角的測量，測量結(jié)果顯示，頂角均大于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。用所測量的麻花鉆進(jìn)行鉆孔加工，孔徑均超差，對(duì)SD60后橋箱螺紋精度進(jìn)行抽檢（見表1），SD60后橋箱螺紋孔均為搖臂鉆床加工，抽檢2臺(tái)SD60后橋箱共124個(gè)M30×3mm螺紋孔和40個(gè)M36×3mm螺紋孔，用通止規(guī)進(jìn)行檢測，共有61個(gè)螺紋孔不合格，螺紋孔合格率為62.8%，螺紋孔合格率較低。

表1 SD60后橋箱螺紋孔抽檢表

2.2 工藝改進(jìn)目的

為了提高大功率推土機(jī)后橋箱螺紋的加工質(zhì)量及加工效率，同時(shí)為了實(shí)施公司智能制造的計(jì)劃，改進(jìn)工藝，充分利用加工中心高效、高精度的特點(diǎn)，替代原搖臂鉆床進(jìn)行螺紋加工。

3 改進(jìn)措施

3.1 用加工中心攻螺紋

為提高螺紋孔合格率，試?yán)眉庸ぶ行母咝А⒏呔鹊奶匦?，替代原搖臂鉆床進(jìn)行攻螺紋加工，利用U鉆代替原高速鋼鉆頭。試驗(yàn)設(shè)備為昆明道斯機(jī)床有限公司生產(chǎn)的落地式銑鏜加工中心，型號(hào)為WRD130Q，試驗(yàn)工件為SD90后橋箱。利用U鉆鉆孔后，采用M30×3mm螺旋絲錐進(jìn)行攻螺紋，試驗(yàn)過程中由于加工螺紋直徑大、螺距大，加工時(shí)需要的切削力大，而機(jī)床功率不夠大，攻螺紋過程中無法轉(zhuǎn)動(dòng)絲錐，造成絲錐在工件內(nèi)卡死，試驗(yàn)無法繼續(xù)。因此，采用絲錐加工大直徑內(nèi)螺紋在我公司現(xiàn)有條件下無法實(shí)現(xiàn)。

3.2 用加工中心銑削螺紋

銑削螺紋是目前加工中心常用的加工螺紋的方法，優(yōu)點(diǎn)在于加工零件的螺紋質(zhì)量穩(wěn)定，零件尺寸易于控制。銑削螺紋所用的機(jī)床需要具備三軸以上的聯(lián)動(dòng)功能，因?yàn)殂娤髀菁y是通過螺紋插補(bǔ)功能實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上就是使用成形螺紋銑刀沿螺旋插補(bǔ)軌跡進(jìn)行銑削加工的過程[2]。機(jī)床運(yùn)行數(shù)控程序G03/G02X軸和Y軸圓弧插補(bǔ)一圈時(shí)，Z軸同步移動(dòng)一個(gè)螺距的量[3]。在螺紋銑削過程中圓周運(yùn)動(dòng)形成螺紋直徑，而同步的直線運(yùn)動(dòng)形成螺距[4]。

用螺紋銑刀銑削螺紋時(shí)，刀具的進(jìn)入方式一般有直線切入法和圓弧切入法兩種。直線切入法容易損傷刀具，且影響螺紋的表面質(zhì)量。圓弧切入法如圖2所示，D1為工件螺紋大徑，D2為螺紋刀具直徑。

圖2 圓弧切入法

刀具路徑如下。1→2：刀具快速定位；2→3：刀具切入（沿圓弧進(jìn)給），同時(shí)沿Z軸插補(bǔ)；3→4：整圓切削，刀具插補(bǔ)一周，同時(shí)軸向移動(dòng)距離為一個(gè)螺距。

圓弧切入法較直線切入法可以有效地減小沖擊，刀具切入、切出平穩(wěn)，且在螺紋加工表面不會(huì)留下明顯的刀痕，有利于保護(hù)刀具和螺紋表面，因此在加工精密螺紋時(shí)一般使用該方法[5]。在圓弧切入切出的同時(shí)，采用圖3所示的徑向遞減進(jìn)刀方式（D1＞D2＞D3＞D4），根據(jù)螺紋的牙型，通過刀補(bǔ)使得吃刀量逐漸減小，即實(shí)現(xiàn)了粗加工—半精加工—精加工。

圖3 徑向遞減進(jìn)刀方式

分別購買了圖4所示瓦格斯（Vargus）螺紋銑刀及CPT螺紋梳刀進(jìn)行螺紋加工試驗(yàn)。首先利用單齒Vargus螺紋銑刀對(duì)圓鋼試件進(jìn)行銑削試驗(yàn)，如圖5所示，試件材質(zhì)為Q235，試驗(yàn)用設(shè)備為落地式銑鏜加工中心，型號(hào)為WRD130Q，試驗(yàn)參數(shù)為f=0.1mm/r，n=1800r/min。為便于排屑，采用圓弧切入法由內(nèi)向外銑削螺紋孔，加工M30×3mm螺紋，加工完成后利用螺紋塞規(guī)測試（見圖6），經(jīng)測試所試驗(yàn)螺紋孔合格，螺紋銑削加工效果如圖7所示。

圖4 螺紋銑削刀具

圖5 螺紋銑削試驗(yàn)

圖6 螺紋塞規(guī)測試

圖7 螺紋銑削加工效果

試件試驗(yàn)合格后，對(duì)大功率機(jī)型后橋箱加工產(chǎn)品進(jìn)行工藝試驗(yàn)如圖8所示，試驗(yàn)對(duì)象為SD90后橋箱，材質(zhì)為板材焊合件，試驗(yàn)用設(shè)備為落地式銑鏜加工中心，型號(hào)為WRD130Q，切削方式為從內(nèi)向外，試驗(yàn)參數(shù)為f=0.15mm/r，n=1800r/min，加工螺紋尺寸為M30×3mm，孔深60mm，單孔銑削所需加工時(shí)間13min，效率為4.6mm/min。利用螺紋塞規(guī)測量32×M30×3mm螺紋孔，合格率為100%，且螺紋孔表面質(zhì)量良好，無切屑、毛刺，如圖9所示。

圖8 單齒銑刀螺紋銑削加工工藝試驗(yàn)

圖9 單齒銑刀螺紋銑削效果

利用CPT螺紋梳刀對(duì)SD90后橋箱進(jìn)行螺紋工藝試驗(yàn)，如圖10所示，試驗(yàn)參數(shù)為f=0.2mm/r，n=1500r/min，加工螺紋尺寸為M30×3mm，孔深60mm，加工時(shí)間9.33min，效率為6.43mm/min。加工效率比單齒銑刀高，但是當(dāng)螺紋銑刀切入接近全牙型時(shí)，由于刀具與工件接觸面積大，試驗(yàn)過程中刀具振動(dòng)嚴(yán)重，無法保證螺紋的表面質(zhì)量及螺紋精度，所以對(duì)于大功率機(jī)型后橋箱的螺紋加工，我公司只能采用單齒螺紋銑刀進(jìn)行螺紋加工。

圖10 CPT螺紋梳刀銑削試驗(yàn)

經(jīng)過試驗(yàn)跟蹤，螺紋銑削加工效率較低，以SD90后橋箱為例，單個(gè)螺紋孔平均銑削時(shí)間11.6min，法蘭面上82個(gè)螺紋孔的銑削時(shí)間約為15.9h。

3.3 用加工中心進(jìn)行螺紋鏜削

鏜削是指將工件預(yù)制孔擴(kuò)大到需求的孔徑，并使其具備一定的孔形和精度的加工過程[6]。

螺紋鏜削的原理是仿照螺紋車削原理，螺紋車削（見圖11）是工件旋轉(zhuǎn)一周，車刀沿工件軸線移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，切削刃的運(yùn)動(dòng)軌跡就形成了工件的螺紋加工過程，在車床上車削螺紋時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)，刀具做軸向進(jìn)給。在加工中心上加工螺紋，如果以旋轉(zhuǎn)的刀具為參考，工件相對(duì)來說也是旋轉(zhuǎn)的，這樣我們就可以把內(nèi)螺紋車刀桿應(yīng)用到微調(diào)精密鏜頭上，刀桿旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)在軸向上移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，切削刃的運(yùn)動(dòng)軌跡就形成了工件的螺紋加工過程，通過調(diào)節(jié)車刀的回轉(zhuǎn)直徑，就可以分多刀在加工中心上完成內(nèi)螺紋的加工，加工方式如鏜削加工，所以我們稱之為螺紋鏜削，原理如圖12所示。

圖11 內(nèi)螺紋車削原理

圖12 螺紋鏜削原理

由于螺紋刀片切削刃相對(duì)較脆，無法通過一次走刀完成螺紋的切削，總吃刀量必須分多次走刀來完成，這幾次走刀應(yīng)采用相似的切削力（同等的切削面積），如圖13所示。

圖13 螺紋鏜削進(jìn)刀方式

分別購買了德克NBH2804微調(diào)精密鏜刀、山高內(nèi)螺紋車刀桿及車削刀片（見圖14和圖15），并將這些刀具組合后進(jìn)行試驗(yàn)，如圖16所示。試件材質(zhì)為Q235，試驗(yàn)用設(shè)備為寧波海天精工股份有限公司生產(chǎn)的定梁龍門鉆床加工中心，型號(hào)為GLU23×30，試件為Q235鋼板，試驗(yàn)參數(shù)為vf=3mm/min，n=300r/min。進(jìn)刀方式為側(cè)式不等距進(jìn)刀，總吃刀量按照刀具樣本推薦值分12刀完成為M30×3mm螺紋的加工（見表2）。經(jīng)檢測，螺紋表面質(zhì)量良好，加工精度高。

圖14 NBH2084精密鏜頭

圖15 山高螺紋車刀桿及刀片

圖16 螺紋鏜削試驗(yàn)

試件試驗(yàn)合格后，對(duì)大功率機(jī)型后橋箱加工產(chǎn)品進(jìn)行工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為SD90后橋箱，如圖17所示，材質(zhì)為板材焊合件，試驗(yàn)用設(shè)備為落地式銑鏜加工中心，型號(hào)為WRD130Q，切削方式為側(cè)式不等距進(jìn)刀，總吃刀量按照刀具樣本推薦值分12刀（見表2）。試驗(yàn)參數(shù)為f=3mm/r，n=300r/min，加工螺紋大小為M30×3mm，孔深60mm。單孔平均鏜削所需加工時(shí)間0.8min，效率為75mm/min。經(jīng)過計(jì)算，螺紋鏜削加工效率是單齒螺紋銑削加工效率的16.3倍，加工效率相比螺紋銑削大大提高。利用螺紋塞規(guī)測量32×M30×3mm螺紋孔，螺紋的合格率為100%，且螺紋孔表面質(zhì)量良好，無切屑、毛刺，如圖18所示。

表2 ISO公制外螺紋吃刀量推薦 （單位：mm）

圖17 SD90后橋箱螺紋鏜削

圖18 螺紋鏜削效果

4 工藝改進(jìn)效果對(duì)比

采用螺紋鏜削工藝持續(xù)對(duì)SD90后橋箱進(jìn)行加工跟蹤，進(jìn)行5臺(tái)SD90后橋箱加工后抽檢M30和M33螺紋孔，螺紋合格率為100%，螺紋抽檢的情況見表3。單個(gè)螺紋孔鏜削加工時(shí)間為1.1min，法蘭面上82個(gè)螺紋孔的鏜削時(shí)間為90.2min，約為1.5h。相比螺紋銑削加工，單件加工就可節(jié)省14.4h，螺紋孔加工效率大大提升，縮短了加工周期，降低了生產(chǎn)制造成本。

表3 SD90后橋箱螺紋孔抽檢情況

與搖臂鉆攻螺紋及加工中心螺紋銑削進(jìn)行對(duì)比見表4，可以得出如下結(jié)論。

表4 改進(jìn)前后效果對(duì)比

1）螺紋的合格率顯著提升，原來搖臂鉆攻螺紋為62.8%，采用螺紋銑削及螺紋鏜削后提高到

100%。

2）加工中心螺紋鏜削平均單個(gè)螺紋加工時(shí)間為1.1min，相比螺紋銑削加工時(shí)間降低91.58%。

3）加工中心螺紋鏜削生產(chǎn)成本相比螺紋銑削降低91.55%。

因而工藝改進(jìn)效果明顯，可以采用鏜螺紋方法進(jìn)行批量生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

在大功率推土機(jī)后橋箱內(nèi)螺紋的加工中，通過引入螺紋銑刀、螺紋車刀等先進(jìn)螺紋加工刀具，充分發(fā)揮刀具組合新模式，采用傳統(tǒng)鏜刀及螺紋車刀組合成直徑可調(diào)螺紋鏜刀刀具，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的高精度、高效率及數(shù)控化的優(yōu)勢，仿照螺紋車削，在加工中心進(jìn)行螺紋鏜削，通過一系列工藝試驗(yàn)的驗(yàn)證，螺紋鏜削加工效率是螺紋銑削加工效率的16倍，且螺紋鏜削能很好地保證螺紋精度要求，實(shí)現(xiàn)了螺紋鏜削代替攻螺紋和螺紋銑削的加工工藝改進(jìn)。