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双线梯型丝杠加工方法殷勇

发表时间：2021/3/3 来源：《建筑模拟》2020年第13期作者：殷勇刘永龙

[导读] 双线梯型丝杠的加工具有细长轴加工和多线螺纹加工的特点，细长轴加工特点是刚性差，难以获得理想的表面质量和几何形状精度。多线螺纹加工难点是分线精度的保证。本文针对这些问题进行分析，通过采取相应的措施能有效解决双线丝杆的加工难点，取得良好的效果。

        殷勇刘永龙
        中钢集团西安重机有限公司 700201
        摘要：双线梯型丝杠的加工具有细长轴加工和多线螺纹加工的特点，细长轴加工特点是刚性差，难以获得理想的表面质量和几何形状精度。多线螺纹加工难点是分线精度的保证。本文针对这些问题进行分析，通过采取相应的措施能有效解决双线丝杆的加工难点，取得良好的效果。
        关键词：双线梯型丝杠   车削加工   弯曲变形   分线精度

        【论文主体】
        梯型丝杠是细长柔性轴，它的长度L与直径d的比值很大，L/d值一般为20-50，刚性较差，结构外形复杂，有很高的螺纹表面要求，还有沟槽，所以在加工过程中很容易产生振动和弯曲变形，加工精度难以保证。
        由于丝杠加工过程的工艺系统刚性较差而影响生产效率和质量，因此必须对机床，工件和刀具进行改进。本文主要从工件的装夹、走刀方式、跟刀架、刀具几何参数以及切削用量等方面采取一系列有效措施，提高加工过程中丝杠的刚性，以得到良好的几何精度和理想的表面粗糙度，保证加工要求。
        一. 双线丝杠的加工特点
        1. 刚性差
        在车削时很容易受切削力和重力的作用而引起弯曲变形，产生振动，从而影响加工精度和表面质量。
        2. 热变形伸长最大
        在车削热的作用下，会产生相当大的线膨胀，当以高速旋转时，所引起的离心力会加剧变形。
        3. 几何形状精度差
        由于工件比较长，一次走刀时间长，刀具磨损大，影响零件的几何形状精度。
        4. 丝杠与螺母运动精度差
        如果分线出现误差，就会车出的双线丝杠螺距不相等，影响丝杠与螺母运动精度。
        二. 加工过程的变形问题
        1. 切削力导致变形
        在车削过程中，产生的切削力可以分解为轴向切削力、径向切削力及切向切削力，它们将是工件产生水平和从向方向的弯曲。
        2. 切削热产生的影响
        车削加工产生的切削热会引起工件热伸长，在车床上削时采用的传动装夹方式主要有两种，一种是一夹一顶，另一种是两顶尖。由于在车削过程中，卡盘和尾座顶尖都是固定不动的，这就使工件受热后的轴向伸长量受限，导致工件受到轴向积压而产生弯曲变形。
        3. 装夹不当引起的变形
        在车削时，由于使用跟刀架，若支撑工件的两个支撑块对工件压力不适当，会造成工件弯曲变形影响加工精度。若压力过小或不接触，工件产生让刀现象，切削时外圆直径变大；若压力过大，工件会被压向车刀，切削深度增加，车出的外圆直径就小；同时，跟刀架的移动会使支撑块在小直径外圆处与工件脱离，切削力使工件向外让开，切削深度减小，车出直径变大到大直径圆处，又把工件压向车刀，使车出的直径走调，这样连续有规律的变化，会把工件的外圆车成“竹节”形，给切削加工带来困难，不易获得良好的表面粗糙度和几何精度。
        三. 在普通车床加工双线梯形丝杠的方法
        下面以冶金设备 “冷剪”中的双线梯形丝杠（见图1所示）为例，详细介绍该类零件的加工方法。
        零件材质45锻钢件，调质220-250HB，毛坯尺寸 Φ60mm×1480mm。其中，中部为Tr36×12（P6）的T型螺纹，左端Ø40j7×50mm为花键部分（由其他工序加工完成，故未画出）。

        图1 T型双线丝杆零件图
        （一）准备工作
        1.机床间隙调整
        机床的调整是加工双线丝杠的重要环节，首先要使主轴中心和尾座顶尖的中心连线与导轨全长平行，其次要使主轴中心与尾座顶尖中心的同轴度误差小于0.02mm，最后调整大、中、小拖板间的间隙，使之达到合理的精度。
        2.棒料校直
        丝杠料的弯曲，对加工会产生很大的影响，尤其是在高速回转下，由于离心力的惯性作用，加剧了坯料的弯曲变形并引起振动造成加工困难，质量降低，因此丝杠在加工过程中的校直工作也是一项必不可少的内容。校直一般分冷校和热校两种，对于精度要求高的零件要采用热校直棒料，不宜冷校直，忌锤击。
        要求坯料各点弯曲度均小于0.5mm，坯料全长弯曲度不得大于1.5mm。
        3.工件的安装
        1）安装
        丝杆可采用两顶尖安装或一夹一顶安装。前者没有安装误差，易保证工件同轴度，但刚性差，易振动，适用于长径比不是很大，余量较小，需多次安装的工件。本例采用一夹一顶的装夹方法，避免过定位，以提高加工精度。装夹时，长爪夹持部分取15mm左右，为减小夹持面与卡爪的接触面积，在卡爪与轴之间垫入直径为3mm-5mm的钢丝（绕工件圆周方向放置）。
        2）后顶尖
        切削过程中，因切削热的作用会导致工件膨胀，引起工件弯曲变形，影响加工精度，因此采用弹性回转顶尖可解决发热膨胀问题。但可伸缩的弹性顶尖，难得到，所以一般采用普通的活顶尖。活顶尖在车削时顶尖只起增加刚性避免甩的作用，实际并不承受切削力，工件毛坯校直后，也减少了离心力，因此活顶尖只要轻轻顶住工件就可，不必用力过大，力大反而容易将工件顶弯。松紧程度可用手指检查，工件转动时手指夹住活动顶尖，以工件转动时，能带动活动顶尖旋转为准。在加工过程中，因为工件加工受热伸长，所以一定要随时检查活顶尖松紧程度。
        3）跟刀架的使用
        加工时为了防止细长轴抖动，可采用中心架或跟刀架增加刚性，由于本双线T型丝杠精度要求较高，不允许有接头，要求一次装卡完成，因此采用跟刀架，用三爪支承的跟刀架比两爪的要好，这样加上车刀就形成对工件的四面压力，防止轴向一边偏离。
        4.车刀选用
        （1）外圆车刀
        为减少工件的弯曲，要求径向切削力越小越好，而刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素，在不影响刀具强度情况下，应尽量增大车刀主偏角，车刀的主偏角取80°-93°，为了减少切削力和切削热，应选择较大的前角，取15°-30°，车刀前面应该磨有R1.5-3的切削槽，使切削顺利卷曲折断，选择正刃倾角取3°使切削液流向待加工表面，并使卷屑效果良好，为了减少径向切削力，应选择较小的刀尖圆弧半径，R≤0.3mm，倒棱刃宽度也应选的较小值约0.5mm。
        粗车车刀选用：主偏角为75°   材料为YT15

图2 75°反偏角车刀
半精车刀选用：主偏角为93°，材料为YT15

图3 93°反偏角车刀
精车采用：高速钢W18Cr4v 宽刃车刀，弹性刀杆。

        图4 外圆精车弹性刀杆车刀
        （2）梯形螺纹车刀
        刀具材料选用高速钢W18Cr4V弹性刀杆。车刀的刀尖角度与牙形角一致，用对刀样板进透光性检查；刀头宽度，粗车刀的刀头宽度应为1/3螺距宽；精车刀的刀头宽度等于槽宽减0.5mm，纵向前角，粗车刀一般为15°左右。见图5所示。精车刀，为了保证牙形角正确，尽可能选10°以内，通常前角取5°-10°；纵向后角一般为6°-8°；刃磨两侧后角时，要根据螺纹的左右旋相加，减螺旋升角，即（3°-5°）±γ（导程角）；刀尖要倒圆。见图6所示。

        图5 高速钢梯形螺纹粗车刀

        图6 高速钢螺纹精车刀
        5.切削用量的选择
        切削用量选择是否合适，对切削过程产生的切削力的大小，切削热的多少是不同的，因此对工件的变形也是不同的。
        （1）背吃刀量
        在工艺系统刚度确定的前提下，随着切削深度的增大，车削时产生的削力，切削热随之增大，引起工件受力，受热度变形也增大，因此车削时，应尽量减少背吃刀量。
        （2）进给量
        进给量增大会使切削厚度增加，切削力增大，但切削力不是按正比增大，因此工件受力变形系数有所下降，如果从提高切削效率的角度来看增大进给量比增大切削深度有利。
        （3）切削速度
        提高切削速度有利于降低切削力。这是因为随着切削速度的增大，切削温度提高，刀具与工件之间的摩擦减少，工件受力变形减少，但切削速度过高容易使工件在离心力作用下出现弯曲，破坏切削过程的平稳性，所以切削速度应控制在一定范围对长径比较的工件，切削速度要适当降低。
        所以，在粗车和半精车时切削用量的选择原则是：尽可能减少径向切削用力减少切削热，尽量选用较小的切削用量，即多走刀，切深小以减少振动，增加刚性。
        6.充分使用切削液
        加注充分的切削液，车削丝杠时不论是低速切削还是高速切削，为了减少工件的温升而引起热变形，必须加注切削液充分冷却。使用切削液还可以防止跟刀架支撑爪拉毛工件，提高刀具的使用寿命和工件的加工质量，刀具保持锐利，以减少车刀与工件的摩擦发热。
        实践证明，采用新型阿莫灵609切削液，效果较好，它是一种极压性较高的半合成切削液，其性能既结合了乳化液和全合成切削液的优点，又克服了两者的缺点。本例粗加工时的切削液浓度为3%-5%，精加工时的切削液浓度为10%-20%。
        （二）加工步骤
        1.粗车
        三爪夹撑，平右端面，打中心孔，左端留有50m的工艺卡头。采用一夹一顶装夹方式，在卡爪与工件外圆间垫入绕工件圆周方向的￠4mm钢丝。
        选用75°反偏刀，主轴转速n=180r/nin，进给量 f=0.3mm/r，背吃刀量3mm，多刀次进行车削，使用跟刀架。
        采用反向进给方式，粗车各外圆，单边留2mm余量，倒角，空刀槽暂不加工，车削时要充分使用冷却润滑液。
        反向进给方式，是指车刀从卡盘方向往尾座方向进给，进给时产生主轴向力由尾座承受，可防止振动。在进行反方向进给时，必须要用主偏角为75°或90°的反偏刀。采用反向进给法车削外圆时，应先车出45°斜角，然后将已磨合过的跟刀架支撑爪对准基圆进行支撑，在开始向尾座方向进给时应在跟刀架支撑前3m-6m位置将刀夹轻放于基圆表面接触，切削深度为0.01-0.02mm保证切止未加工表面，因有45度斜角，可避免因切削量急剧增加，刀具退让的情况，不致出现台阶和同期性的“竹节”形。
        车削时跟刀架使用注意事项为：
        （1）调整跟刀架支撑爪的压力时，应当注意使接触松紧适当，否则车削时会产生振动，甚至使工件产生“竹节”
        （2）跟刀架支撑爪最好采用铸铁，支撑爪圆弧面与工件外圆应当吻合，在必要时，对支撑爪圆弧面进行整合研磨。
        支撑爪圆弧面研磨方法为：
        在靠近卡盘或靠近顶尖处，粗车一般（长约45mm-60mm）表面粗糙度Ra10-20mm，不得太光，工件以320n/nin左右的转速转动，将支撑爪逐步压向工件表面研磨，顺序是先外侧爪，再调下爪，最后调整上爪，不加冷却润滑液，使支撑爪与工件已加工的这一段表面反复进行研磨直至弧面全面接触为止，然后用冷却液冲掉粉末，再研磨2-3分钟即可使用。
        在车削中一旦出现竹节、多棱形情况时，要及时进行处理，其操作要领是：
①         调整后顶尖的支撑松紧程度，调整溜板箱的间隙，使其达到最佳状态。
②         降低切削速度，减小切削深度，适当提高进给量。
③         使用充足的切削液，降低切削温度，减少工件受热而产生的线膨胀，防止弯曲变形。
④         及时调整好跟刀架的支撑爪与工件外圆之间的间隙。
⑤         采用高速钢车刀进行低速车削，清除竹节形，多棱形。误差后在使用合金车刀车削。
        工件出现腰鼓形的解决方法是，车削中要随时调整支撑爪，使支撑爪圆弧面的中心与车度主轴旋转中心的重合，增大车刀主偏角，刀刃保持锋利，可减少车削中的径向力。
        2.人工时效
        粗车加工完成后要对工件进行热处理人工时效。人工时效的目的是消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。
        3.半精车外圆
        修中心孔，采用一夹一顶的装夹方法，选用90°车刀。主轴转速n=140n/nin，进给量f=0.15nin/r-0.2nin/r，背吃刀量：0.5-1.5mm
        加工各外圆时，单边留0.5mm加工余量，空刀槽加工到尺寸，各阶台的长度尺寸加工到尺寸要求，螺纹外圆加工到尺寸，并倒角。车削时要用冷却润滑液。
        4.双线梯形螺纹的加工
        采取低速车削双线梯形螺纹的方法，车削时要用充足的冷却润滑液，在车削梯形螺纹时，同样采用跟刀架支撑车螺纹，但由于外圆上螺旋槽的原因支撑爪与工件的接触太短，而且车削时螺纹牙边会出现毛刺，所以前面所使用的铸铁材料支撑点的支撑爪已不再适用。本文在45#钢的支撑爪上焊接一块硬质合金刀片，长度为12mm左右，车削时支撑可靠，效果较好。具体加工步骤如下：
        1）划线粗车螺纹
        用尖刀在螺纹外圆表面将双线螺纹各螺纹槽的牙顶宽划出（两侧各预留0.2mm精加工余量）这样在粗车时可将螺纹车刀对在牙槽处进行车削，而不需要每一车每一条槽时既要记住小拖板向左右赶刀量，只需控制到粗车不过线即可，在线内采用合适的进刀法直至将螺纹小径粗车至尺寸，就完成了对第一条槽的粗车，然后直接将刀具移至第二槽的牙槽处进行粗车，将第二螺旋槽粗车出来，然后利用小拖板刻度以任一侧面为基准依次前行一个螺距值，将另一槽同方向侧面的分线误差初步修正，用这种方法可快速完成粗加工，即直观又不须记录小拖板左右赶刀量同时即可消除粗车时刀具磨损产生的分线误差。
        2）半精车螺纹
        用精车刀将各槽底面（小径）精车至尺寸，并保证中拖板刻度一致，用样板检查，然后用半齿双联样板进行透光性检查，选出厚度最小的侧面车至粗糙度达到Ra=6.3-3.2之间，然后小拖板前后移，用百分表精确控制移动量为一个螺距，再用直进法半精车第二个侧面，最终保证中拖板刻度与车第一个侧面时一致，即完成第二个侧面的加工。再次利用半齿双联样板，找出余量最小的螺旋槽后，车该槽另一侧面并控制中径尺寸至上偏差，重新用百分表控制小拖板后（前）移一个距离，用直进法半精车该方向第二个侧面。
        3）精车螺纹
        进行第三次循环，用中径尺寸已至上偏差，以此循环的目的在于进一步修正中拖板两次进给而产生的分线误差，车削时，现以极小的切深将第一个侧面修光一刀后，用百分表控制精确移动一个螺距值，中拖板直接进行=车第一个侧面时刻度相同的位置，对第二个侧面只一刀，然后用动态对刀的方法将车刀移至反方向的第一个侧面，用同样的方法对另一侧进行加工，因为每个侧面只进一刀，可精确控制螺距值，保持一致，且能够有效消除多次进刀所造成的让刀量及误差，提高分线精度，保证中径尺寸合格一致。必要时，可再进行一次分线循环，方法同第三次循环时一样。
        移动小拖板法分线在加工中应注意的问题：
        （1）加工前仔细调整小拖板相对于主轴线的平行度误差，如果平行度误差过大，则分线精度将得不到保证。
        （2）调整小拖板导轨与镶条间隙至稍紧，以手能够移动为准，防止在切削过程中因丝杠螺母间隙而使小拖板窜动最终影响分线精度。
        （3）加工时，切不可将一条螺旋槽车成后，再分线直接加工第二个螺旋槽，车削时应该采用依次逐面车削，多次循环分线方法进行。
        （4）虽然每个阶段的加工都是采用循环分线的方法进行，但每次循环的第一个侧面可能不一致，必须根据测量结果来确定。
        5.半精车和精车外圆
        使用铸铁支撑爪的跟刀架，选用90°车刀，主轴转速n=120n/min，进给量f=0.15-0.2min/r。
        将各带公差圆车至上偏差+0.05mm-0.1mm，其余各圆加工到尺寸。
        精车采用低转速车削法，使用高速钢W1rCv4v宽刃精车刀装入弹性刀杆中，主轴速度n=28r/min，进给量f=8mm-12min/r，切削深度0.02mm-0.05mm。精车各公差外圆达图纸要求，最后切断。
        四．结论
        通过实际加工生产，以上方法和措施很好地解决了双线梯形丝杠的加工难题，加工方案简单实用，效率高，成本低，保证了加工后的零件质量。文中所介绍的，虽然某一具体工件所采取的加工技巧，但对该类工件的加工具有普遍意义。
        参考文献：
        [1]机械工业出版社《典型工件的车削》2012年6月第一版
        [2]王先逵主编《机械制造工艺学》机械工业出版社2007年
        [3]上海金属切削技术协会《金属切削手册》上海科学技术出版社2000年6月第3版
        [4]甘肃工业大学《金属切削原理与刀具设计》（上、下册）上海科技出版社1980年
        [5]手册编委会《机械工程师手册》机械工业出版社2000年北京第二版