螺旋加工准启准停的方法及应用

■国营第236厂（重庆 402264）姚 健 王 嵘 彭小明

1.试制过程中加工方法简述

在某产品零件（见图1）试制期间，零件螺旋加工是用C6132卧式车床来完成。由于某产品零件有一条无头无尾的螺旋，螺距大（7 mm）、螺旋槽宽且深，并为盲孔内螺纹，刀具旋背长，加工难度大。加工螺旋时，分粗、精加工。粗车刀具刃口窄，分两道把余量除去，精车保证加工尺寸。存在的主要问题是操作者加工时，精神紧张、易疲劳，且劳动强度大，稍不注意就易碰刀，加工质量难于保证。

图1中B点为螺旋起点，在41°和19.2 mm 上测量，尺寸为

2.零件螺旋加工方法的确定

为解决产品螺旋加工能满足批量生产、降低工人劳动强度、确保加工质量、提高工作效率而提出如下解决方法：

图1 零件简图

（1）数控加工，降低工人劳动强度，确保加工质量。

（2）改粗、精两道加工为一次加工，提高工作效率，来满足批生产要求。

3.普通数控车床遇到的问题

数控机床是数字控制机床的简称，亦称NC机床。它具有适应强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点，综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果。

数控车床的运动系统（见图2）：由刀架的纵向（Z向）和横向（X向）运动组成，分别采用两台伺服电动机驱动，经滚珠丝杠到滑板和刀架，不需要挂轮、杠杆等传动部件，传动链短精度高。多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元（伺服电动机）来驱动主轴，它可按控制指令作无级变速，主轴之间无需再用多级齿轮副来进行变速，故数控车床的结构大为简化，其精度和刚度大大提高，能自动完成内外圆柱面、圆锥面、圆弧面、端面和螺纹等的切削加工。

数控车床加工螺纹是靠主轴伺服电动机驱动，通过同步带轮以及同步带1∶1地传到脉冲编码器。当主轴旋转时，脉冲编码器便发出检

图2 普通数控车床的运动系统

测脉冲信号给数控系统，使主轴电动机的旋转与刀架的切削进给保持同步关系，即实现加工螺纹时主轴转1转，刀架向

Z

向移动1个工件导程的运动关系。

在数控机床上车螺纹时，无论是G33（螺纹切削）、G76（螺纹切削复合循环），还是G92（螺纹切削循环）都是沿螺距方向的Z向进给与机床主轴的旋转保持严格的速度比关系。但是，在数控机床上车螺纹，由于有车螺纹前进给机构的加速或车螺纹后进给机构的减速切削过程，为此要有引入距离δ1和超越距离δ2。如图3所示，δ1与δ2的数值与机床拖动系统的动态特性有关，与螺纹的螺距和螺纹的精度有关。一般δ1为2～5 mm，对大螺距和高精度的螺纹取大值；δ2一般取为δ1的1/4左右。即：在数控机床上车螺纹时，螺纹头和螺纹尾是一个变螺距的区间，无严格的、固定的、规定螺距，故不适应于该螺旋的加工。

4.螺旋加工的工艺分析

该产品如果采用盲孔内加工，切屑无法排除，易造成卡刀和切屑划伤工件内表面，且不利于观察，容易撞刀，存在使操作者在加工过程中，精神紧张、易疲劳、劳动强度大等问题，加工质量也难于保证。

若开口加工，解决了排屑和观察问题。但操作者的紧张劳动、劳动强度大和单边切削问题没有得到解决，所以必须用数控来解决上述问题。这就提出了一个数控设备的改造问题。

5.数控设备的改造

前述数控车床不能加工该螺旋，是因为该螺旋短、要求高，且在一个狭小的空间内加工，没有足够让位空间，让数控车床的进给机构进行加速或减速的过程。所以，我们必须找一个数控系统来满足这类螺旋的加工。

用铣床数控加工系统（见图4）来满足这类螺旋的加工。铣床数控加工系统由3个伺服电动机驱动，分别控制X、Y和Z三轴。假如我们把控制Y轴的伺服电动机放在车床主轴上，用来控制主轴的旋转（用单位脉冲的转角来控制主轴的转角），实现主轴旋转与刀架进给的同步关系来满足螺旋加工要求。它为什么能实现这种同步关系，是因为它们都是采用的同一种插补关系，能够同时准确动作。它就没有在数控机床上车螺纹前进给机构的加速或车螺纹后进给机构的减速切削过程，能够轻易实现螺纹加工前的准进和螺纹加工后的准退。所以，我们用数控铣床系统来改造卧式圆车实现这一要求。

6.数控编程

图3 切削螺纹示意图

图4 铣削系统数控改造车床的传动系统

经济型数控加工方法解决了操作者劳动强度大、易疲劳的问题，把简单的、重复的、易疲劳的操作由数控来保证，确保了加工的一致性。由于加工螺旋时，螺旋槽宽而深，需要车几十刀才能加工完成，而每次进给只能是0.03～0.06 mm（在半径方向）。每次进给都有一次进退刀的过程，这样就要求机床滚珠丝杠精度高、间隙小，外加刀具旋臂长、接触宽、刚性差及让刀严重，加工出来的尺寸以实际编程尺寸差距较大。根据该螺旋的结构特点，为克服上述困难可以采用如下加工程序编程：

该程序解决了两个问题：

（1）每次循环在半径方向无退刀，这样就消除了X方向上的间隙误差，对机床滚珠丝杠无特殊精度要求的问题，使加工尺寸以实际编程尺寸相一致。

（2）X轴无进给循环消除了因系统刚性不足而造成的让刀现象，也为加工尺寸与实际编程尺寸相一致奠定了基础。

7.满足批量生产刀具的优化设计

在零件试制期间，零件螺旋加工是用整体成形车刀来完成。由于某产品零件螺旋距零件端面远，刀具旋臂长、接触宽、刚性差、让刀、碰刀和断刀等现象严重，直接影响刀具寿命、刀具成本和批量生产。刀具的质量影响着经济型数控确定的零件螺旋加工方法的实施。

对刀具的优化设计提出如下要求：①提高刀具寿命解决刀杆断裂、刃口崩塌现象。②降低刀具成本解决刀具的重复使用。

采取优化设计的刀具结构简图如图5所示。方案如下：

（1）采用分体式刀具：把刀杆与刀片分开，降低刀具的制造成本。

（2）刀杆采用9SiCr材料，局部退火，热处理硬度为63～66HRC，使刀杆既有强度又有韧性。

图5 专用刀具示意图

（3）合理选择刀片材料W18Cr4V及热处理，硬度为61～64HRC，防止刃口崩塌，可复磨和重复使用。

8.热处理对螺旋起点尺寸的影响

由于热处理后零件螺旋有微量变形，为了满足产品尺寸要求，通过对热处理后零件螺旋变形进行了反复摸索，决定对零件车螺旋工艺螺旋起点尺寸作如下调整，把40mm 调整为mm来满足产品的需要。

9.结语

通过对卧式车床的经济型数控改造——确定的准启准停螺旋加工方案的实施论证，解决了该产品加工中的技术难题。该产品通过几十万件生产，也证实了其可行性——能保证产品质量，能满足批量生产的要求，极大程度地减轻操作者劳动强度，刀具的使用寿命得到了提高，降低了刀具成本，已达到预期的目的，且在其他产品上得到了广泛的应用。

[1]王爱玲.现代数控编程技术及应用[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2]周晓宏.数控车床操作和编程培训教程[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]梁炳文.机械加工工艺与窍门精选[M].北京：中国石化出版社，2003.