高效数控车削蜗杆的加工方法

中航工业成都凯天电子股份有限公司精密机械加工厂 (四川 610091)杨显君 陈德兰 魏思远

对于蜗杆的加工，因螺距大，牙型深，加工余量大，再因其牙型特点，车削时刀刃与工件接触面大，容易发生振动，加工途中极易因工件与刀具间切屑的挤压造成刃具损坏，产生“扎刀”现象，造成蜗杆报废，而且加工时间周期长。本文结合具体的生产实际，从刀具、车削方法和切削参数等方面对现有的加工进行改进，改善了刀具受力情况，提高了加工质量和切削效率。因数控程序简单，操作性强，为此类零件的加工提供了一定的借鉴、参考。

一、蜗杆的特性及参数的计算

1.蜗杆的特性

常用的蜗杆有米制(齿形角为40°)和英寸制(齿形角为29°)两种。我国大多数采用米制蜗杆，而最常用的是阿基米德蜗杆(即轴向直轮廓蜗杆)，它的齿面为阿基米德螺旋面，端面是阿基米德螺旋线，如图1 所示。轴向齿廓 (A—A截面)是直线，而法面(N—N 截面)的齿形则为曲线，如图2 所示。

图1 阿基米德蜗杆端面形状

图2 阿基米德蜗杆轴向截面和法向截面形状

2.蜗杆的结构及参数

根据生产的要求，所要加工的蜗杆为米制蜗杆，模数mx=3，齿形角为40°，材料为45 钢，具体参数如表1 所示。蜗杆的结构和尺寸要求如图3 所示。

表1 蜗杆参数

(续)

如图3 所示，该蜗杆的尺寸精度和形位公差要求高，加工难度大，为了保证其精度要求，应尽量采用高精度的设备。另外，公司产品以多品种小批量为主，采用专用铣削机床投入成本高，如果使用卧式车床加工，对人员的要求很高，而且加工成本很高，效率太低，产品质量难以保证。因公司的机床设备多样化，数控加工机床占生产设备70%左右，所以决定本次加工蜗杆采用高精度的数控车床HARDINgE (Quest 8/51)，该数控车床为斜床身，12 位刀塔，定位精度0.008mm，重复定位精度0.005mm，Fanuc series 21i-T 操作系统，最高转速3 500r/min，最低加工转速50r/min，最大加工直径400mm。

图3 蜗杆结构图

二、传统数控车削加工蜗杆

1.刀具的选择

由于所加工的蜗杆全齿高6.6mm，即切削深度为6.6mm，螺距为大螺距9.425mm，加工时背吃刀量很大。因此所产生的切屑很不容易排出螺旋槽，加工时的切削力也很大，在加工的过程中极易产生扎刀现象。

为了减小切削力，顺利排出切屑，尽量避免扎刀、崩刀，刀具材料要求韧性好、强度高、容易刃磨，传统上选用高速钢材料(见图4)。高速钢的红硬性比较低，耐磨性较差，不适合较高的切削速度。为了得到较好的加工精度和表面粗糙度，高速钢的刀具在加工时使用的切削速度和主轴的转速就比较低。

图4 加工蜗杆的高速钢刀具

2.数控车削加工进刀方法

常用的加工指令有G32、G92 和G76 3 种。

G32 为单行程螺纹插补指令，它适用于小螺距，更多应用于径向进刀方式。G32 加工一次螺旋线时，需要4 个步骤才能完成，加工一个螺纹进刀次数和所要编制的进刀步骤的程序一致。因此编程人员程序量大，机床加工时间长。

G92 螺纹切削单一固定循环指令，其含义与G32相同。G92 加工时成为一个循环，与G32 相比只需要启动一次就可以完成G32 的4 个步骤。但是G92编程时，每次都需要输入进刀尺寸，程序编制时需要手工进行分层，编制程序相对繁琐，加工时间长。

G76 螺纹切削复合固定循环，采用斜进刀方式，适用于大螺距螺纹的加工，而且程序自动进行切削深度调节，吃刀深度递减，不但能很好地保证产品的质量，而且能大大缩短机械加工的生产周期。

G76 指令格式:

m:车加工的次数，取值范围1～99 次。

r:进刀时(45°)的倒角量，z 向距离，取值范围为导程的倍数。单位为0.1 导程，用两位数表示，即0.5 导程表示为0.5。

Δdmin:最小吃刀深度。

d:精加工余量。

a:螺纹牙型角，即刀尖角。有6 种牙型角角度:0°，29°，30°，55°，60°，80°，该值由两位数表示。例60°表示成60。

当精加工2 次，倒角量为1 倍导程的普通螺纹表示方法:P021060。

X_ Z_ :终点坐标值。

I:螺纹半径差，同G92、G32。

K:牙型高度。

Δd:第一刀精加工深度，不带小数点。

F:导程。

循环中各指令中m，r，a 中的0 不能省略。

由于G76 指令加工的牙型角只提供了6 种，没有40°的牙型角可供选择，传统方法是选择40°刀尖角的高速钢刀具，刀头宽1.6mm;切削参数S=80，最大吃刀深度0.1mm，最小吃刀深度0.03mm;选用G76 提供的30°牙型角加工。程序如下:

加工状态如图5 所示，刀具三个切削刃同时参加切削，切削力非常大，易产生扎刀，零件易报废;切屑从三个刀刃口的方向相互挤压刀刃排出，切削热不能及时带走，刀具严重磨损;刀具材料红硬性差，刀具角度变化大，粗加工完后必需换刀才能进行精加工;机床主轴系统受力变形较大，机床进给机构受力大易损坏。

图5 30°方式车削蜗杆切削过程图

加工的结果:刀具易磨损，如图6 所示，一把刀具最多只能加工一件零件就要对刀具进行刃磨、调整，刀具寿命短，操作者劳动强度非常大;采用低速切削，零件加工时间长、单件加工时间超过1h，生产效率低、产品质量不稳定，合格率只有30%，甚至更低;切削力非常大，对机床工艺系统的刚性要求非常高。

为了适应生产的需要，必须对加工方法进行创新改进，才能完成生产加工任务。综合以上分析，刀具材料和车削加工方式的创新是解决问题的关键。笔者经过反复研究，并结合长期实践经验的总结，概括出了高效的数控车削蜗杆的加工方法。

图6 加工一件蜗杆磨损后的高速钢刀具

三、高效数控车削蜗杆加工

1.刀具的选择

高效加工蜗杆选用硬质合金刀具。硬质合金刀具磨损小，一把刀具能加工5 件零件以上，加工5 件零件后的刀具如图7 所示，因而实现了延长刀具寿命，缩短加工时间，降低生产成本、产品质量稳定的目的。

图7 加工5 件零件后的刀具图

硬质合金刀具选择40°刀尖角，以保证刀尖角与蜗杆的牙型角相同。为了保证牙型正确，前角一般取0°，后角大于螺旋升角2°～3°，刀头宽0.9mm，刀具表面粗糙度值Ra≤0.4μm。

刀具安装时保证刀具两切削刃对称中线与工件的轴线垂直，刀具前刀面与水平面平行，刀具前刀面与工件轴线在同一平面上。选择刀具两切削刃对称中线与刀头宽度中点处为对刀点，以利于在加工中刀具损坏后，进行重新换刀时提高重合精度。选用的硬质合金刀具如图8 所示。

图8 硬质合金刀具

2.高效加工方法及分析

由于加工蜗杆的牙型角是40°，但是G76 所能加工的牙型角没有40°，这给加工带来困难。针对全刃参与切削的情况，利用G76 能够车削6 种角度螺纹的优势进行切削过程改进，使用30°和55°的牙型角通过两次斜进刀的方式加工出40°的牙型角，第一次切削蜗杆的左侧面，第二次切削蜗杆的右侧面，两次切削完成牙型的加工。这种方法，不但保证了加工质量，而且大大节省了加工时间，提高了生产效率。

第一次车削完成蜗杆左侧面:选择40°刀尖角的硬质合金刀具，刀头宽0.9mm;切削参数S=400，最大吃刀深度0.2mm，最小吃刀深度0.04mm;选用G76 提供的55°牙型角加工。程序如下:

从上面的程序可以看出，对转速S400 进行了提升，第一刀吃刀深度增加一倍为Q200，P020055 中的55 是车削牙型角为55°的螺纹，阳面由车刀牙型角保证，阴面牙型半角20°由G76 中55 参数保证牙型半角为27.5°，则形成一个47.5°牙型角的螺纹，如图9 所示，刀具右侧与螺纹右侧形成7.5°角度差异的空间。刀具由左侧和前面切削刃参与切削，右侧刃面是由刀尖拟合出来，因此避免了三刃切削造成的严重不足，而且有较大的排屑空间。同时减小刀头的宽度，可以作为一条切削刃参与切削。

图9 55°车削蜗杆图

第二次车削完成蜗杆右侧面:第一次加工形成的牙型角为47.5°，不满足40°牙型角的要求，因此进行右侧牙形的车削工作。选用G76 提供的30°牙型角加工。程序如下:

如图10 所示，加工中因为是单刃车削，排屑容易，切削力小，因此增大切削参数，最小吃刀深度增加一倍为Q80，第一刀吃刀深度增加一倍为Q400，P020055 更改为P020030 车削30°牙型角的螺纹，车削55°牙型螺纹与30°牙型螺纹时，螺纹起始点不发生变化，螺纹不会发生乱扣。现只需要进行余量的调节，否则会出现蜗杆超差现象，完整的蜗杆牙型图如图11 所示。

图10 30°角车削蜗杆图

用30°的方式可以车出完整的40°牙型角的蜗杆，齿根宽度是 1.934mm，而蜗杆理论齿根宽为2.03mm，小于最终尺寸0.1mm。但尺寸太接近，不方便调整尺寸进入公差，因此车削时的起刀点应该向左移动约大于0.2mm (方便加工进行的取值)，但应该小于1.034mm。现将刀补向左移动0.3mm，车削出零件，如图12 所示。此时蜗杆的分度圆已加工出来，利用齿厚卡尺测量蜗杆，副尺调整高度为［3-(理论齿顶直径-实际齿顶圆直径)/2］，主尺测量出法向尺寸，因为法向齿厚=轴向齿厚×0.996 5，因此可以视同为法向齿厚=轴向齿厚，测量出轴向齿厚值X。

图11 完整的蜗杆牙型图

图12 刀具移动0.3mm后形成的牙型图

四、检查蜗杆

蜗杆的主要测量参数有周节、齿顶圆直径、分度圆直径和法向齿厚。其中齿顶圆直径可用游标卡尺和千分尺测量。周节主要由机床传动链保证，粗略的测量可用游标卡尺测量或用光学投影仪测量。

分度圆直径可用三针测量。其原理和测量方法与测量螺纹相同。

三针测量蜗杆(α=20°)计算公式:

dD取值1.672Mx。

法向齿厚测量:蜗杆的齿厚是一个很重要的参数，在齿形角正确的情况下，分度圆直径处的轴向齿厚与齿槽宽相等，但轴向齿厚无法直接测量，常通过对法向齿厚进行测量来判断轴向齿厚是否正确。法向齿厚可用齿轮卡尺进行测量，齿轮卡尺(见图13)由互相垂直的齿高卡尺1 和齿厚卡尺2 组成。测量时，卡脚侧面必须与卡尺侧面平行，也就是卡尺平面与蜗杆轴线相交一个蜗杆导程角γ，齿高卡尺调到h1的尺寸(齿顶圆直径误差对齿顶高有影响)，齿厚卡尺所得的读数就是法向齿厚的实际尺寸。

采用高效数车的方法加工完成的蜗杆如图14 所示。对加工后的蜗杆进行检查，检验结果如表2所示。

图13 齿轮卡尺测量法向齿厚

图14 高效数车加工的蜗杆实物图

表2 蜗杆零件的实际检测尺寸(单位:mm)

根据检验的结果可以看出，采用高效方法加工的蜗杆所有尺寸均在公差范围内，达到了图样的技术要求，本次加工零件10 件，调试程序报废1 件，其余全部合格，合格率90%。中途刃磨刀具一次，单件加工时间只有20min。

五、结语

本文介绍的优化方法，从刀具的选择优化出发，利用数控车床的斜进刀方式，采用左、右侧面两次进刀的方式进行加工，留出充分的排屑空间，使刀具受力情况大大改善，提高了机床的稳定性和刀具的使用寿命，同时，使切削参数得到较大的提升，加工时间大大缩短，零件质量稳定;数控程序简单、可操作性强，刀具易调整。经检验，加工的蜗杆尺寸均在公差范围内，达到了技术要求。实践操作验证，改进后的加工方案加工质量得到提高，加工时间节省66%，大大缩短了生产周期。此方法对同类零件的加工具有指导作用。