变螺距多头螺纹链加工技术

刘林 何小虎 王尊义

摘 要：大导程多头复合螺纹链产品通常采用铣削加工，在加工过程中受铣削特性的制约，易出现加工毛刺大、产品变形量不容易控制的缺点。本文通过对传统铣削加工中大导程多头复合螺纹链产品结构分析，根据结构特点优化为车削加工。通过对数控车床螺纹加工原理的扩展，对特殊产品进行特殊分析，从材料特性、专用刀具、切削参数等方面入手，成功解决了大导程多头复合螺纹链薄壁产品在铣削加工过程中出现的问题，加工效率有了成倍提升。不仅拓宽了该类零件的加工思路，也为同类产品积累了可靠的加工经验。

关键词：多头变螺距螺纹;车削加工;锥形螺纹

1引言

随着航天事业的不断发展，航天新型号产品的科研生产任务不断增加，伴随着航天产品的型谱化，航天产品呈现出结构类似，规格差异的特点。针对航天产品这种求同存异的特点，对某一类结构产品的加工技术提升，可以引用到整个系列产品的加工，对系列产品的加工质量效率都有显著提升。

本文针对大导程多头复合螺纹链薄壁产品的结构特点，由铣削加工优化为车削加工，解决了产品毛刺大，产品变形量大的加工问题。从材料特性、专用刀具、切削参数、宏程序等方面入手，积累了大导程多头复合螺纹链薄壁产品的加工经验。

2产品特点及加工方案

2.1产品零件特点

该零件共9条螺旋槽，每条螺旋槽深3mm，槽宽为4mm，筋宽为2.14mm，槽底壁厚只有2mm，产品材料为GH4169。产品外径公差0.03mm，内孔公差为0.05mm，是典型的复合螺纹链薄壁类零件。该零件的形状如图（1）所示：

2.2传统铣削加工方法与特点

该类型零件的加工，传统的加工方法是在四轴加工中心上，用直径略小于槽宽的铣刀、利用工装装夹采用端面压紧，采用双侧铣削的方式先将第一条槽的深度3mm加工到尺寸，再进行下一条槽的加工，依次加工完成。

在铣削加工过程中，因铣加工是断续切削，加工过程中产生的震动与抗力较大，导致产品变形严重。由于零件是薄壁件且精度要求高，公差只有0.03mm，极易出现产品变形超差。铣削加工过程中因铣削特性导致复合螺纹的筋顶会出现翻边毛刺，钳工去除毛刺的工作量较大，对钳工的操作技能要求较高，稍有不慎就会导致产品超差甚至报废。另外，该零件的材料为GH4169 ，GH4169 材料在650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，硬度高、强度大、导热性差在机械加工中易产生加工硬化。受零件结构限制，立式铣刀直径不能大于4mm，铣削过程中的刀具磨损与消耗量极大，从而影响到加工成本。

2.3加工技术优化

针对铣削加工的加工周期较长，牵涉的工种工步较多，影响到产品的效率与质量，采用车加工可对加工技术进行优化，对比如下表1：

3车削原理分析

在不带C轴功能的数控车床上加工多头螺旋线，要实现螺旋线在圆周方向上的分度，必须通过改变螺旋线加工的循环起始点Z点的坐标（螺纹的起始加工位置）来实现分度，每此起始点Z点的坐标沿Z轴偏移一个螺距来实现分度，也就是变化螺纹的起始位置，终点坐标不变，来完成零件的分度加工。普通数控车床一般都不具备C轴功能，加工复合螺纹链时不具有自动分度功能。要实现螺旋线在圆周方向上的分度，需通过对产品回转直径和螺旋升角（导程角）进行计算，通过改变螺纹加工的循环起始点Z点的坐标来实现分度，若要获得Z点坐标（即螺距），需将螺纹线的外表面展开为一个三角形。D为螺旋线最大直径，c、b长度为导程，θ为导程角，n为螺旋线线数（該零件为1）。根据公式：

4刀具选择与装夹

4.1对刀问题与解决方法

在螺旋线车削过程中，经常会因螺纹刀具磨损，崩刀而需重新装刀对刀，装刀对刀的好坏直接影响车削螺纹的精度，特别是螺纹的修复车削，需二次装夹二次对刀，制约了数控车床加工螺纹的加工效率，螺纹加工精度要求较高，例如梯形螺纹的两侧面进行精加工，需先粗加工后换精车刀进行精加工，不能很好地解决加工过程中的装刀对刀问题。如修复已拆下的工件，这时确定加工起点位置才能进行修复加工工作，如何确定加工起点与一转信号位置，首先可用试验棒进行表面深为0.05～0.1mm的螺纹车削（所有参数与需加工螺纹参数相同），Z值为距螺纹起点右端面整数螺纹导程距离值，表面刻出螺旋线，确定螺纹车削起点，并在卡盘圆表面相应位置刻线标记（即使刻线和试验棒上螺旋起点同一轴向剖面内）。目的是使信号位置被记录下来，卸下试验棒，装夹上要车削或修复的螺纹工件，对刀时先将刀具转到加工位置，再将车刀移至卡盘刻线部位，转动卡盘，使刻线对准车刀主切削刃，

然后主轴不转动，移动刀尖至任意一个完整螺纹槽内，记下对应Z向绝对坐标，最后计算车刀Z向定位起点坐标，根据计算结果修改程序中起点Z向坐标。公式为

n为当前刀具所在螺纹槽到螺纹起点的螺纹槽的个数，t为螺距。

新加工起点Z向为2。

车削螺纹过程中装刀和对刀至关重要，特别是二次车削（修复）螺纹，要在已有螺纹沟槽基础上进行螺纹车削，其关键就是要实现加工时保证主轴零位信号位置与工件上已有螺纹螺旋线的起点相一致。

4.2刀具的选择与使用

刀具装夹时应保证刀具中心轴线在螺旋线的法向上，这需要保证2点：一是保证切削刃在零件外圆的最高点，一是保证刀具偏角与螺旋升角θ值一致。前者可以通过调整刀具的中心高来实现，后者则需要调整刀具的偏角来实现。调整刀具偏角有两种方式，一是刀刃与刀杆本身偏角θ;一是刀刃与刀杆平行，加工中调整刀杆偏角。由于GH4169材料难切削的特点，需要尽量保证刀具的刚性，而刀刃与刀杆偏角的方式存在两个明显的弊端：刀具刚性难以保证和偏角θ难以保证。因此刀具只能选择刀刃与刀杆平行，加工中调整刀杆偏角的方式。

确定刀具形式后，应选取较小的刀具后角，以防止刀具折断;选取适中的刀具前角，紧要保证切削刃足够锋利，同时不会出现蹦刃现象。因此刀具左侧后角取3°～5°，右侧后角取3°～5°，前角取15°～20°，在保证刀具角度的前提下尽量保证刀具的厚度，以增强刀具的刚性。

5切削参数

螺纹加工时采用螺纹分层车削，且粗精车分开加工，车削过程中径向进刀深度为每次0.1mm，粗加工时进刀时先由螺旋槽中间车一刀，9条槽车完，再向右平移（槽宽-刀宽）/2，再左平移（槽宽-刀宽）/2，一层车削完成后再向径向进刀，直至加工至槽深尺寸。螺纹的大径加工时留0.2mm精加工余量，加内孔也预留0.2mm精加工余量，螺纹链加工完成后再进行内外形的精加工 ，通过检测产品的精度能保证在0.005mm以内，且车后螺纹毛刺较小不需要进行专业钳工工序。螺纹加工过程中，主轴转速对加工质量和效率影响最大。转速高低会影响刀具寿命、加工效率、螺纹两侧表面粗糙度、产品变形量。在加工程序不变的情况下通过实验对比（表2）得出主轴转速应为60r/min效果最好。

6小结

利用宏程序对复合螺纹链进行车削加工，解决了大导程多头复合螺纹链薄壁产品在铣削过程中出现的工序复杂、精度难以保证、加工效率低下的问题。通过对GH4169材料复合螺纹链产品的加工技术优化，掌握了该材料、该类产品最佳的刀具选择、切削参数以及宏程序编制方法。为同类产品的加工积累了宝贵的经验。

参考文献

[1]周维泉，螺纹的数控车铣加工，机械工业出版社，2017

[2]时代传播，螺纹加工，机械工业出版社，2010