螺旋加工準啟準停的方法及應(yīng)用

■國營第236廠（重慶 402264）姚 健 王 嶸 彭小明

1.試制過程中加工方法簡述

在某產(chǎn)品零件（見圖1）試制期間，零件螺旋加工是用C6132臥式車床來完成。由于某產(chǎn)品零件有一條無頭無尾的螺旋，螺距大（7 mm）、螺旋槽寬且深，并為盲孔內(nèi)螺紋，刀具旋背長，加工難度大。加工螺旋時，分粗、精加工。粗車刀具刃口窄，分兩道把余量除去，精車保證加工尺寸。存在的主要問題是操作者加工時，精神緊張、易疲勞，且勞動強度大，稍不注意就易碰刀，加工質(zhì)量難于保證。

圖1中B點為螺旋起點，在41°和19.2 mm 上測量，尺寸為

2.零件螺旋加工方法的確定

為解決產(chǎn)品螺旋加工能滿足批量生產(chǎn)、降低工人勞動強度、確保加工質(zhì)量、提高工作效率而提出如下解決方法：

圖1 零件簡圖

（1）數(shù)控加工，降低工人勞動強度，確保加工質(zhì)量。

（2）改粗、精兩道加工為一次加工，提高工作效率，來滿足批生產(chǎn)要求。

3.普通數(shù)控車床遇到的問題

數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，亦稱NC機床。它具有適應(yīng)強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，綜合應(yīng)用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果。

數(shù)控車床的運動系統(tǒng)（見圖2）：由刀架的縱向（Z向）和橫向（X向）運動組成，分別采用兩臺伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠到滑板和刀架，不需要掛輪、杠桿等傳動部件，傳動鏈短精度高。多功能數(shù)控車床是采用直流或交流主軸控制單元（伺服電動機）來驅(qū)動主軸，它可按控制指令作無級變速，主軸之間無需再用多級齒輪副來進行變速，故數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)大為簡化，其精度和剛度大大提高，能自動完成內(nèi)外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面和螺紋等的切削加工。

數(shù)控車床加工螺紋是靠主軸伺服電動機驅(qū)動，通過同步帶輪以及同步帶1∶1地傳到脈沖編碼器。當主軸旋轉(zhuǎn)時，脈沖編碼器便發(fā)出檢

圖2 普通數(shù)控車床的運動系統(tǒng)

測脈沖信號給數(shù)控系統(tǒng)，使主軸電動機的旋轉(zhuǎn)與刀架的切削進給保持同步關(guān)系，即實現(xiàn)加工螺紋時主軸轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，刀架向

Z

向移動1個工件導(dǎo)程的運動關(guān)系。

在數(shù)控機床上車螺紋時，無論是G33（螺紋切削）、G76（螺紋切削復(fù)合循環(huán)），還是G92（螺紋切削循環(huán)）都是沿螺距方向的Z向進給與機床主軸的旋轉(zhuǎn)保持嚴格的速度比關(guān)系。但是，在數(shù)控機床上車螺紋，由于有車螺紋前進給機構(gòu)的加速或車螺紋后進給機構(gòu)的減速切削過程，為此要有引入距離δ1和超越距離δ2。如圖3所示，δ1與δ2的數(shù)值與機床拖動系統(tǒng)的動態(tài)特性有關(guān)，與螺紋的螺距和螺紋的精度有關(guān)。一般δ1為2～5 mm，對大螺距和高精度的螺紋取大值；δ2一般取為δ1的1/4左右。即：在數(shù)控機床上車螺紋時，螺紋頭和螺紋尾是一個變螺距的區(qū)間，無嚴格的、固定的、規(guī)定螺距，故不適應(yīng)于該螺旋的加工。

4.螺旋加工的工藝分析

該產(chǎn)品如果采用盲孔內(nèi)加工，切屑無法排除，易造成卡刀和切屑劃傷工件內(nèi)表面，且不利于觀察，容易撞刀，存在使操作者在加工過程中，精神緊張、易疲勞、勞動強度大等問題，加工質(zhì)量也難于保證。

若開口加工，解決了排屑和觀察問題。但操作者的緊張勞動、勞動強度大和單邊切削問題沒有得到解決，所以必須用數(shù)控來解決上述問題。這就提出了一個數(shù)控設(shè)備的改造問題。

5.數(shù)控設(shè)備的改造

前述數(shù)控車床不能加工該螺旋，是因為該螺旋短、要求高，且在一個狹小的空間內(nèi)加工，沒有足夠讓位空間，讓數(shù)控車床的進給機構(gòu)進行加速或減速的過程。所以，我們必須找一個數(shù)控系統(tǒng)來滿足這類螺旋的加工。

用銑床數(shù)控加工系統(tǒng)（見圖4）來滿足這類螺旋的加工。銑床數(shù)控加工系統(tǒng)由3個伺服電動機驅(qū)動，分別控制X、Y和Z三軸。假如我們把控制Y軸的伺服電動機放在車床主軸上，用來控制主軸的旋轉(zhuǎn)（用單位脈沖的轉(zhuǎn)角來控制主軸的轉(zhuǎn)角），實現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)與刀架進給的同步關(guān)系來滿足螺旋加工要求。它為什么能實現(xiàn)這種同步關(guān)系，是因為它們都是采用的同一種插補關(guān)系，能夠同時準確動作。它就沒有在數(shù)控機床上車螺紋前進給機構(gòu)的加速或車螺紋后進給機構(gòu)的減速切削過程，能夠輕易實現(xiàn)螺紋加工前的準進和螺紋加工后的準退。所以，我們用數(shù)控銑床系統(tǒng)來改造臥式圓車實現(xiàn)這一要求。

6.數(shù)控編程

圖3 切削螺紋示意圖

圖4 銑削系統(tǒng)數(shù)控改造車床的傳動系統(tǒng)

經(jīng)濟型數(shù)控加工方法解決了操作者勞動強度大、易疲勞的問題，把簡單的、重復(fù)的、易疲勞的操作由數(shù)控來保證，確保了加工的一致性。由于加工螺旋時，螺旋槽寬而深，需要車幾十刀才能加工完成，而每次進給只能是0.03～0.06 mm（在半徑方向）。每次進給都有一次進退刀的過程，這樣就要求機床滾珠絲杠精度高、間隙小，外加刀具旋臂長、接觸寬、剛性差及讓刀嚴重，加工出來的尺寸以實際編程尺寸差距較大。根據(jù)該螺旋的結(jié)構(gòu)特點，為克服上述困難可以采用如下加工程序編程：

該程序解決了兩個問題：

（1）每次循環(huán)在半徑方向無退刀，這樣就消除了X方向上的間隙誤差，對機床滾珠絲杠無特殊精度要求的問題，使加工尺寸以實際編程尺寸相一致。

（2）X軸無進給循環(huán)消除了因系統(tǒng)剛性不足而造成的讓刀現(xiàn)象，也為加工尺寸與實際編程尺寸相一致奠定了基礎(chǔ)。

7.滿足批量生產(chǎn)刀具的優(yōu)化設(shè)計

在零件試制期間，零件螺旋加工是用整體成形車刀來完成。由于某產(chǎn)品零件螺旋距零件端面遠，刀具旋臂長、接觸寬、剛性差、讓刀、碰刀和斷刀等現(xiàn)象嚴重，直接影響刀具壽命、刀具成本和批量生產(chǎn)。刀具的質(zhì)量影響著經(jīng)濟型數(shù)控確定的零件螺旋加工方法的實施。

對刀具的優(yōu)化設(shè)計提出如下要求：①提高刀具壽命解決刀桿斷裂、刃口崩塌現(xiàn)象。②降低刀具成本解決刀具的重復(fù)使用。

采取優(yōu)化設(shè)計的刀具結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。方案如下：

（1）采用分體式刀具：把刀桿與刀片分開，降低刀具的制造成本。

（2）刀桿采用9SiCr材料，局部退火，熱處理硬度為63～66HRC，使刀桿既有強度又有韌性。

圖5 專用刀具示意圖

（3）合理選擇刀片材料W18Cr4V及熱處理，硬度為61～64HRC，防止刃口崩塌，可復(fù)磨和重復(fù)使用。

8.熱處理對螺旋起點尺寸的影響

由于熱處理后零件螺旋有微量變形，為了滿足產(chǎn)品尺寸要求，通過對熱處理后零件螺旋變形進行了反復(fù)摸索，決定對零件車螺旋工藝螺旋起點尺寸作如下調(diào)整，把40mm 調(diào)整為mm來滿足產(chǎn)品的需要。

9.結(jié)語

通過對臥式車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造——確定的準啟準停螺旋加工方案的實施論證，解決了該產(chǎn)品加工中的技術(shù)難題。該產(chǎn)品通過幾十萬件生產(chǎn)，也證實了其可行性——能保證產(chǎn)品質(zhì)量，能滿足批量生產(chǎn)的要求，極大程度地減輕操作者勞動強度，刀具的使用壽命得到了提高，降低了刀具成本，已達到預(yù)期的目的，且在其他產(chǎn)品上得到了廣泛的應(yīng)用。

[1]王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控編程技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]周曉宏.數(shù)控車床操作和編程培訓(xùn)教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

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