薄壁零件螺紋加工減振方法

王永軍，萬聰

山西平陽重工機(jī)械有限責(zé)任公司 山西臨汾 043000

1 序言

螺紋聯(lián)接在各行各業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，螺紋本身的加工在機(jī)械制造中不算難，加工方法有很多而且都比較成熟。螺紋處于零件中的形狀、位置不同，其加工的難度就會有很大不同，比如薄壁類零件上的螺紋，由于零件本身剛性差、強(qiáng)度弱，在螺紋加工過程中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動[1]，導(dǎo)致螺紋加工后產(chǎn)生振刀紋，尺寸和表面粗糙度都達(dá)不到工藝要求。如何采取有效的措施去解決此類加工問題，本文通過具體加工實例，介紹了一種薄壁零件螺紋的加工過程，探索了不同的解決辦法，最終攻克了加工難題。

2 技術(shù)背景

2.1 問題描述

公司承攬某產(chǎn)品薄壁型殼體零件（見圖1）的加工任務(wù)，零件材料為20Cr13，壁厚只有3mm。在對該殼體內(nèi)腔M172×3-7H螺紋車削時，由于零件本身剛性差、強(qiáng)度弱，所以加工過程中產(chǎn)生強(qiáng)烈振動，導(dǎo)致螺紋加工后產(chǎn)生嚴(yán)重的振刀紋，無法保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 薄壁型殼體零件結(jié)構(gòu)

2.2 問題分析

目前國內(nèi)外關(guān)于薄壁零件加工穩(wěn)定性的研究有很多，大致把切削加工過程中產(chǎn)生的振動按其性質(zhì)分為三種來源：自由振動、強(qiáng)迫振動和自激振動。第一種是由于在切削過程中，加工系統(tǒng)受到某一偶然的沖擊擾動引起，但因加工系統(tǒng)本身的阻尼作用會很快消失；第二種是由于切削過程本身的斷續(xù)性、切屑形成的不連續(xù)性、外部的周期性或非周期性干擾力引起；第三種又稱為顫振，為金屬切削加工過程所特有，是指在沒有周期性外力作用下，單純由加工系統(tǒng)本身特性所激起的一種劇烈振動，屬于切削過程動態(tài)不穩(wěn)定的性質(zhì)[2]。

我們遇到的問題屬于第三種情況，此種情況產(chǎn)生的振動來自于加工系統(tǒng)本身，防振消振十分困難，對切削加工也最為重要。刀具在切削工件時發(fā)生振動需要有下面三個條件同時存在：一是工藝系統(tǒng)剛性不足，導(dǎo)致其固有頻率低；二是切削產(chǎn)生了足夠大的外激力；三是這個外激力的頻率與工藝系統(tǒng)的固有頻率相同，隨即產(chǎn)生共振。根據(jù)加工時的聲音和表面質(zhì)量來判斷，高頻振動類似哨聲，加工表面似起皺的絲綢，一般小直徑細(xì)長刀桿或者薄壁工件進(jìn)行高轉(zhuǎn)速切削時容易產(chǎn)生；中頻振動類似汽車的嗚嗚聲，加工表面類似魚鱗，一般中等直徑刀桿中低轉(zhuǎn)速，刀桿長徑比超過5，刀桿振動產(chǎn)生；低頻振動類似蛙鳴，加工表面類似魚鱗，但是之間的波紋很大又平緩，大型結(jié)構(gòu)工件產(chǎn)生自振，如大的殼體，若是刀桿同時振動，可能是刀頭過重而且刀桿連接部位配合不好，同時刀桿總長超長，轉(zhuǎn)速通常在100r/min以下。基于上述理論，我們采取調(diào)整切削參數(shù)、提高工藝系統(tǒng)剛性等對應(yīng)的措施進(jìn)行實際驗證，尋求最為合適的解決辦法。

3 解決方法探索

3.1 初步解決方案

根據(jù)對零件結(jié)構(gòu)的分析，基于問題分析中的理論依據(jù)，研究制定對策，對該產(chǎn)品采用了以下方法進(jìn)行試加工[3]。

1）調(diào)整切削參數(shù)。通過降低車削螺紋時的切削速度，減少或增加螺紋進(jìn)刀數(shù)量等方法，減振不明顯。降低切削速度雖有所好轉(zhuǎn)，但加工效率極低，螺紋表面粗糙度仍達(dá)不到圖樣設(shè)計要求。

2）采用在零件內(nèi)壁粘貼橡膠材料的方法試圖加強(qiáng)零件的剛性、吸收振動波，經(jīng)過實際驗證，振動依舊，效果不明顯。

3）采用在螺紋加工處的外圓架設(shè)中心架支撐，但由于產(chǎn)品壁厚較薄，還是會產(chǎn)生較大振動。若中心架靠工件端面太近，中心架自身較寬，導(dǎo)致刀桿伸出太長，刀桿剛性降低，也會導(dǎo)致較大振動。

3.2 改進(jìn)解決方案

通過以上方法進(jìn)行試加工后，發(fā)現(xiàn)前期減振方法作用點都不在螺紋加工處，或者離螺紋加工處太遠(yuǎn)，都不能起到很好的減振效果，因此對減振方法進(jìn)行改進(jìn)。

該減振方法是在螺紋加工處外圓加強(qiáng)零件的剛性[4]，設(shè)計工裝（見圖2）。該工裝由本體和螺釘組成，采用鋼材料，先加工成圓環(huán)，再加工10mm寬的缺口，便于安裝和夾緊，在開口環(huán)處一側(cè)加工兩處M16的螺紋孔，另一側(cè)加工兩處φ28mm的臺階孔，并用兩個M16的內(nèi)六角圓柱頭螺釘緊固。

圖2 工裝

在車削螺紋時首先架設(shè)中心架支撐零件外圓，然后將該工裝安裝于螺紋加工處外圓，并用螺釘固定（見圖3），進(jìn)行螺紋加工[5]。該方法能有效加強(qiáng)螺紋加工處的強(qiáng)度和剛性，起到了很好的減振效果。螺紋加工完后取下工裝，再進(jìn)行其余尺寸的加工。

圖3 中心架支撐零件外圓

用該方法加工完產(chǎn)品后進(jìn)行檢驗，完全符合圖樣要求，并對其余100多件產(chǎn)品加工，全部滿足圖樣要求，使用該減振方法前后效果對比如圖4所示。該方法不僅有效保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，也大大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

圖4 加工效果對比

4 結(jié)束語

本文在薄壁零件螺紋加工中對多種減振方法進(jìn)行了探索，最后通過設(shè)計工裝加強(qiáng)螺紋加工處的剛性，完美解決了加工難題。該方法不僅保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，也大大提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，為后期大批量生產(chǎn)創(chuàng)造了條件，同時也為類似零件的加工提供了借鑒。