一种螺旋槽的加工方法

孔文刚，叶秋琴

（苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）

一种螺旋槽的加工方法

孔文刚，叶秋琴

（苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）

提出一种独特、先进、经济的螺旋槽加工方法，利用C630普通车床进行局部改造，由车变铣，改造成专门加工螺旋槽的铣削设备，并对方案设计、理论计算进行了介绍。

螺旋槽；主传动系统；铣削头；分度装置；功率；扭矩

螺旋槽的加工是一项难度较大的工艺，常用加工方法有车削和铣削。车削适合加工螺距或导程较小的螺纹。当加工螺距4 mm以上的螺纹时，刀具相对工件的直线运动速度较快，加工难度较高；即螺距越大，加工难度越大，加工效率越低。铣削则适合于加工螺距或导程较大的螺纹。通常，在普通铣床上用万能分度头通过交换齿轮的方式，可使铣床纵向工作台带动分度头旋转来实现螺旋切削，其切削实际进给速度要大于纵向进给速度；即螺距或导程越小，实际进给速度越快，加工难度越大。

某零件材料为Q235-A，其最大加工直径为340 mm，最大加工长度为1400 mm，导程为1000 mm，槽宽8 mm，槽深3 mm，槽数30个，最大升角为45°，分左旋和右旋（图1）。

图1 零件图

由于零件螺距较大，如采用车削加工，则刀具相对工件的直线运动速度过快，易出现断刀现象，加工难度大，且安全得不到保证。鉴于此，决定采用铣削加工。由于零件直径较大、长度较长，起先将零件放在龙门铣上加工，采用的铣刀为直径8 mm的立铣刀。但由于立铣刀较细，刚性极差，当工件转速高时，立铣刀极易断裂，铣削速度无法提高，导致加工周期较长；且该方法仅能加工有限的几种固定导程（左旋）的零件，如需加工右旋零件，机床结构需作较大改动。

1 加工方案的确定

若仅利用现有设备加工该零件，则无法达到满意的效果，而制造专用设备的一次性投入又较大。因此，本文利用旋风铣削在螺纹加工中的良好运用，对零件螺旋槽进行铣削加工。旋风铣削即在普通车床上配套高速铣削螺纹装置，用装于高速旋转刀盘上的硬质合金成形刀，从工件上铣削出螺纹的加工方法。旋风铣削可实现干切削、重载切削、难加工材料和超高速切削，其消耗动力小，加工效率高。

经分析可知，螺旋槽铣削运动是铣刀旋转、工件旋转、铣刀顺着工件轴线方向运动等多种运动的合成。其中，工件旋转与铣刀轴向运动应根据工件螺旋槽导程进行联动。因此，本文运用范成法加工原理，采用三面刃铣刀高速旋风铣削，将C630普通车床局部改造成专门加工螺旋槽的铣削设备。利用C630车床的床身、主轴箱及其内部的各齿轮传动系统、中托板、尾座等装置，加上自行设计的大降速比主传动机构、铣削头及分度头装置，再适当增加一些辅助装置，并利用三面刃铣刀的强力旋风切削进行加工。改造后的机床结构示意图见图2。

图2 螺旋槽铣削机床结构示意图

电磁调速电机1通过联轴节带动绞盘机减速箱14，再通过一个链轮带动机床进给箱入轴上的双联链轮2，然后分两路，一路由双联链轮2直接带动进给箱内齿轮，通过其内部齿轮带动丝杆，形成铣刀的轴向进给运动；另一路由双联链轮2带动主轴箱链轮3，再经过主轴箱内部齿轮传动，带动主轴运转，形成工件的旋转运动。这样，工件的旋转和铣刀的轴向运动就形成了联动，两运动的相互配合形成了具有不同导程的螺旋运动。该方案取消了原有车床采用电机直接带动主轴箱带轮，通过主轴箱内齿轮再带动进给箱内齿轮，从而带动丝杆运转的结构。考虑到本次铣削的减速比极大，如采用原方法，则扭矩必然过大。铣刀的旋转运动由专门设计的铣削头装置来完成。根据工件所需加工槽的数量，还设计了专门的分度装置。

2 设计方案及工作过程

2.1 主传动系统

由于该螺旋槽的螺距较大，受其导程及刀具切削金属的极限所限，要求电机到工件旋转的转速从1450 r/min到0.06 r/min，降速比达24 167，这就要求从电磁调速电机到车床主轴之间采用多级降速，并充分挖掘每一级的最大降速比，以达到总体设计要求。同时，工件回转与铣刀轴向进给需联动作业，根据工件导程降速比只能为85.59，故须利用主轴箱及进给箱内各部分齿轮进行大量计算，以获取联动的速比。

以图1所示的零件为例，铣削时，首先采用电磁调速电机将电机出轴速度由1450 r/min降至200 r/min，随后带动绞盘机减速箱（手柄置于正向慢速档）两级减速至15.0198 r/min，减速比=(33/15)×(46/ 19)×(45/18)=13.316。再通过一个链轮带动双联链轮三级减速至7.242 r/min，减速比=56/27=2.074。然后分两路，一路通过双联链轮使丝杆进一步减速至5.01 r/min（丝杆螺距为12.7 mm），减速比=(65/61)× (49/37)×(36/44)×(42/32)×(40/42)×(64/32)×(32/64)= 1.443；另一路由双联链轮带动主轴箱链轮减速到3.76 r/min，减速比=52/27=1.926。再经过主轴箱内部齿轮传动降速至0.06 r/min，减速比=(39/51)×(52/20) ×(80/20)×(80/20)×(72/37)=61.9。经过几级减速后，基本满足了硬质合金铣刀铣削余量及加工效率的要求。减速比示意图见图3。

图3 减速比示意图

采用如上联动，利用车床主轴箱及进给箱内部的各齿轮传动，还能组合出2160种不同的导程供选择。导程范围从1.9～1729.9 mm，导程的变换只需根据导程表中导程所对应的变换手柄即可。

2.2 铣削头

铣削头由铣刀5、铣刀主轴6、铣刀电机8、基座9组成（图2）。铣刀主轴固定在基座（焊接件）上，并根据螺旋角及铣削方向调整，使铣刀主轴与水平方向形成一定角度。为保证尽可能大的刚性，铣刀主轴的前端伸出量应尽量缩短。主轴前端采用左、右旋螺纹，以适应零件的正反旋切。考虑到加工件左右旋向的变化，已事先在基座上预留螺孔，用时可将主轴直接旋转90°至反向。基座用螺栓固定在车床的中托板原刀架的位置上。在基座靠近操作者一侧放置铣刀电机。

基座焊接件采用框架式结构，以增加其刚性。同时，为了调整角度时安全方便，又在焊接件中间用一根轴将电机座板与铣刀主轴相连，使电机座板与主轴能围绕该轴旋转，操作安全方便。为了更好地提高铣削头的刚度及抗振性，对其结构采取了多种办法，以避免振动的产生。同时，通过控制铣刀的转速来绕过共振区。

铣刀旋转运动根据硬质合金刀具切削参数及走刀速度选择。电机选用YCTZ132-4B型号，其功率为1.5 kW，扭矩为9.7 N·m。铣刀采用硬质合金三面刃成形铣刀，其直径为80 mm，宽度8 mm，齿数为8齿。皮带选用A型带，带速为4.47 m/s左右，带轮直径为240/90 mm，皮带上加装了张紧轮。

为适应今后加工范围的需要，还可采用改动皮

带轮直径及变频器来调整电动机出轴转速。

2.3 分度装置

分度装置由车床的三爪自定心卡盘10和自制的主轴连接盘12、分度板4、销板11组成（图2）。在主轴连接盘与三爪卡盘之间加装分度板及销板，两板间用连接轴相连。销板与连接轴用轴承支撑，保证销板灵活转动。在销板上采用手柄定位销定位，分度板上的销孔根据零件槽数选定。每铣好一条槽后，定位销换一个孔，工件则转过一定角度。

2.4 工作过程

首先，将工件两端分别装上一个连接轴，前端用三爪卡盘夹住连接轴外圆，后端用尾座顶住另一连接轴中心孔；将拖板移至零件后端，根据螺旋槽升角确定铣刀主轴与水平面的角度；根据导程选择工件与铣刀轴向进给联动的速比，进而确定工件转速；根据槽数选定分度板上的销孔。然后，启动设备进行加工，加工完一条槽后，拖板回退至起始处，调整销板，使定位销在分度板上换一个孔位，工件转过一定角度后，再加工下一条槽。按上述顺序循环，直至加工完所有槽。

快退时，减速箱手柄置于反向快速档，并将电磁调速电机的速度调至最高，则速度可提高数倍，大大缩短了退程时间，从而减少辅助时间。

3 主电动机功率和扭矩验算

完成方案设计并确定各传动件的主要尺寸后，就可计算所需主电动机的功率和扭矩，从而验证主电动机是否满足使用要求。根据经验可知，铣削所需功率最大，故以铣削功率确定主电动机功率PE：

式中：Pm为铣削功率，kW；P0为空载功率，kW；η为总效率，等于各传动副机械效率的乘积，分析可得整个传动共有10级，本机床η=0.65。

3.1 铣削功率计算

根据受力分析，铣削力应为以下3种分力的合力：① 切向铣削分力Fz，作用在铣刀圆周的切线方向上，也称圆周力，是消耗切削功率的主切削力；②径向铣削分力Fy，沿铣刀半径方向作用，会造成刀杆弯曲变形，但不消耗功率；③轴向铣削分力F0，作用在铣刀轴向方向上。

切削功率主要受切向铣削分力的影响，把切向铣削分力作为主切削力进行分析计算，则铣削的切削功率Pm为：

式中：Fz为主切削力，N；V为铣刀的最大铣削速度，m/min。

Fz的大小取决于所选的切削参数，本机床的切削参数为：每齿最大进给量αf=0.2 mm，齿数Z=8，铣削宽度αe=3 mm，铣削深度αp=8 mm，铣削力系数（碳钢）CFZ=68.3，工件材料的屈服强度 σb=0.460 GPa，不同材料的铣削力修正系数KFZ=（σb/0.736）0.3= 0.87，铣刀直径d0=80 mm，铣刀最大转速n=356 r/ min，则：

切向铣削分力 Fz=g·CFZ·αe0.86·αf0.72·d0-0.86·Z· αP0.95·KFZ=627 N；

最大铣削速度V=π·d0·n/60000=89.4 m/min。因此，根据式（2）可得：Pm=0.93 kW。

3.2 空载功率的确定

空载功率P0是指消耗于空转时的功率损失，其表达式为：

式中：da为主传动中除主轴外所有传动轴的平均轴径，mm；∑nj为主轴转速为n0时，主传动中除主轴外所有传动轴的转速之和，r/min；dm为主轴前后轴径平均值，mm；c为系数，对于两滚动轴承支撑的主轴，取值8.5；k为润滑油粘度修正系数，采用20号机油时，取值0.9。

将相关参数代入式（3）可得：P0=0.59 kW。

将Pm、P0及η代入式（1）可得：PE=2.02 kW。现选用的电机功率为3 kW，远大于2.02 kW。

3.3 主电动机扭矩的验算

由于本加工条件为恒扭矩情况，则：

式中：T为电机扭矩，N·m；T工为工作扭矩，N·m；η为总传动效率，取值0.65。

工作扭矩由以下三部分组成：①机床的启动力矩和工作力矩A（根据机床说明书取A=5～8 N·m；②铣削力的轴向分力B；③其余各部分的扭矩C。因此，T工=A+B+C，其中，与机床的启动力矩和工作力矩A相比，B、C可忽略不计。

根据式（4）可得：T＞T工/η=8/0.65=12.3 N·m。现选用的电机扭矩为19.2 N·m＞12.3 N·m。因此，本电动机在功率和扭矩两方面都满足使用要求。

4 结语

改造后的设备加工出的产品完全满足图纸要求，铣削效率比普通铣削提高了3倍。由于采用了三面刃铣刀，其多个刀刃同时参与切削，具有较好的刚性及耐用度，不仅提高了刀具的使用寿命，还降低了生产成本。利用旧设备进行改造，操作者对操作较顺手，使劳动强度得到降低。

TG54

A

1009－279X（2014）02－0063-03

2013-10-29

孔文刚，男，1971生，工程师。