起重机梯圆螺纹轴的车削加工

■徐州重型机械有限公司 （江苏徐州 221000） 孟 维 黄 龙 马黎丽

某超大吨位起重机的超起部位采用标准梯圆螺纹轴联接，主要用于起重机超起和副臂处的联接，梯形螺纹规格为TY140×16。该种联接方式具有强度高、承载力大及不易断裂等优点，但受其结构形式限制，该工件不易装夹，螺纹加工难度大，导致该件加工周期长，生产难度大，废品率高。因此需要对此工件加工方式进行研究，制定合理的加工方法，以提升产品质量，缩短生产周期，保证产品正常生产。

1. 工件技术要求及加工难点

（1）工件技术要求 工件的结构形式如图1所示，轴外形尺寸为φ 2 6 0 m m×6 6 3 m m，质量8 7.8 1 k g，螺纹规格为TY140×16，螺纹具体形式如图2所示。

（2）加工工艺分析 该轴主要采用普通车床加工，具体工艺路线为：下料→铣端面打中心孔→粗车→粗铣→热处理（调质）→精铣→精车→车螺纹→探伤→镀铬→检验入库。由于毛坯直径为260mm，而热处理层只有35mm，所以粗铣之后再进行调质处理，粗铣之后夹持刚性变差，导致车削振动；若采用数控车床加工螺纹，宏程序空刀次数多，初步测算加工时间为12h/件，加工时间较长，且目前数控车床只配备液压自定心卡盘，无法夹持其扁尾部分。

图1 工件结构

图2 梯圆螺纹牙型

（3）加工难点 ①工件为异形件，无法装夹，需更改夹爪结构形式。②工件刚性差，需要增强工件装夹刚性和优化切削参数。③无专用加工刀具，需自行设计制造非标刀具。

2. 解决办法

针对以上难题，解决办法有以下几点。

1）通过制定焊接连接或采用单动卡盘找正装夹方式，解决异形件无法装夹的问题。

2）通过调整切削参数，增加支撑刚性，减少外圆、螺纹车削时的振动。

3）通过自制左、右侧粗车刀，牙底圆弧成形刀、牙顶圆弧成形刀，解决螺纹无法加工的难题。

3. 解决方案

（1）装夹方案 根据起重机梯圆螺纹轴的特点，粗加工热处理后，若在圆弧段焊接圆柱，采用一夹一顶的方案（见图3），车出工艺台阶，调头装夹，待车削完成后，清除工艺台阶和焊缝。

图3 焊接后装夹示意

经过初步验证，将类似工件拼焊后，使用刻磨机等手动工具清理焊缝，用时约40min，时间长，且容易破坏工件表面。

考虑到过渡圆弧的长度，用单动卡盘装夹（见图4），需要增加夹爪长度50mm，通过在普通软爪上焊接过渡爪的方式，制作加长夹爪，夹持扁尾处后，再加工起重机梯圆螺纹轴外圆。

图4 单动卡盘装夹示意

（2）机床调整和振源规避 车削中减小振动，需要调整机床主轴滚动轴承间隙、中小滑板配合间隙，并降低主轴转速，避开振源频率，增加车削系统刚性。

（3）梯圆螺纹车削及刀具设计 这部分按照下面几个步骤进行。

1）一夹一顶一支撑。考虑到螺纹车削时切削刃与工件接触面较大，可在此处使用中心架支撑（见图5），达到刚性支撑的目的。

图5 一夹一顶一支撑示意

2）选择螺纹开粗刀与加工路线规划。考虑到切削效率，可采用4mm外圆槽刀进行螺纹开粗，受其螺旋升角影响，刀具后角易与工件干涉，所以需要选择大后角的外圆槽刀，并且要在原有刀具的基础上进行简易改制，即在砂轮机上磨掉图6所示部分，尽可能避免与工件发生干涉。

图6 打磨示意

加工前，需要将螺纹牙底圆弧切点通过绘图软件标出安全距离0.17m m，即直径方向为0.2mm，并计算出槽刀开粗的最大切削深度。已知螺纹大径实际尺寸A为139.9mm，螺纹牙高h为8.9mm，顶点距离槽切削刃的距离h1为0.82mm，使用4mm槽刀所加工最大切削深度h2为8.08mm，进刀底径尺寸为131.82mm。计算过程如下：最大切削深度h2＝螺纹牙高h－顶点h1＝8.9－0.82＝8.08（mm）。进刀底径尺寸＝螺纹大径实际尺寸A－切削深度h2＝139.9－8.08＝131.82（mm）。

开粗时，主轴转速宜选为100～125r/min，防止主轴速度过高，未及时退刀造成刀具和工件发生碰撞。加工时，采用正反车直进法，由大至小、循序渐进切除相应余量，切入5mm以上时，要及时观察刀具排屑情况。

切削液以水溶液为主，可以及时带走大量切削热，减小刀具磨损。

3）左、右侧粗车刀具设计与进刀路线规划。梯圆螺纹牙型两侧的车削刀具优先选择高速钢，考虑到刀具前角γo影响切削力、切削温度和效率，增大前角可以减小切削力，所以在保证车刀强度的前提下，尽量增大前角，一般取γo＝5°～8°。

为避免双刃切削，切削力过大会造成拉刀、扎刀现象，将左、右侧粗车刀具设计为正反单刃刀，可以有效避免车削时因切削力过大造成拉刀、扎刀问题。

通过测绘，已知牙底圆弧弦长6.84m m，左、右侧刀具刀宽为1/2弦长，即3.42mm，实际尺寸略＜3.42m m，先通过数控线切割将刀具切割成形（见图7、图8），再将刀具磨至3.1m m，并注意避让螺旋升角。为减小刃磨量，可以将刀具头部垫起5～7mm，再切除多余部位。

粗车右侧牙型，采用分两层车削的工艺，即移动普通车床小滑板并配合直进法，依次递进将右侧残余切除，便于精加工。

图7 右侧粗车刀具和切削示意

图8 左侧粗车刀具和切削示意

粗车左侧牙型，和上述方法一致。

4）梯圆螺纹牙底成形刀的设计和加工路线规划。梯圆螺纹牙底成形刀如图9所示，需要先制作角度检测样板，便于刀具刃磨后的检测，需要保证切削刃处的圆弧与图样标注的圆弧一致，前角采用γo＝0°，使用线切割切削切削刃。

图9 牙底成形刀和切削示意

该刀具对刀时，可以先将刀具贴近螺纹牙底，使用肉眼观测，配合机床小滑板将刀具移至中心位置，然后将刀具退出。加工时，采用直进法，可以逐次进给，反复操作将牙底圆弧余量切除。

5）设计牙顶圆弧成形刀和加工路线规划。牙顶圆弧成形刀如图10所示，需要进行样板制作。该刀具的圆弧要与牙顶圆弧一致，退刀槽为16mm，需要注意刀杆的整体宽度不能超过16mm，刀具过宽不利于安全退刀。切割成形的牙顶圆弧成形刀在刃磨前要先修整砂轮，保持砂轮无跳动；刃磨时，大拇指压住前刀面，以手腕为中心上下移动，利用砂轮直角将刃口刃磨至与样板一致。

图10 牙顶成形刀具

考虑到还有圆弧弧顶直线部分，可以预先将螺纹轴的大径车削至140mm，利用机床小滑板将刀具移至牙顶中间位置，按下机床开合螺母，再采用直进法将牙顶圆弧连同弧顶直线加工至设计要求。

4. 梯圆螺纹轴加工试制

通过对其加工工艺进行细致分析，制定加工方案，在试制中，有针对性地根据上述方案进行控制，以保证起重机梯圆螺纹轴试制的顺利进行。

（1）台阶加工 先进行φ150m m处余量检测，实测φ153m m，余量3m m。按粗、半精及精加工先后顺序分3 刀进行，粗加工切削参数为ap＝0.5mm，f＝0.35mm/r，v＝150～165m/m i n；精加工切削参数为ap＝0.25mm，f＝0.18mm/r，v＝125～135m/min，精车走两刀便于控制尺寸，且表面质量也比较理想。

（2）产品装夹调试 在螺纹加工前，将中心架移至φ150mm处，校正后，在架口处滴入润滑油，增加润滑度，各支撑要用力适中，防止工件抱死。可以先进行空车试验，确认无误后再进行端面车削和倒角加工，并修正中心孔。

（3）梯圆螺纹加工 使用槽刀开粗时，切削参数为ap＝0.2mm，f＝16mm/r，v＝100～125m/min，逐渐递减切削深度至安全尺寸。

梯圆螺纹的牙型两侧车削三要素为：ap＝0.3mm，f＝16mm/r，v＝75～87m/min。

牙底圆弧与两侧面的精加工，需要根据不同工况及时调整切削参数，防止扎刀、啃刀现象。从以上两方面考虑，切削速度应控制在一定范围。切削参数为ap＝0.05mm，f＝16mm/r，v＝75～85m/min，试切中出现微振，使产品存在较大的质量隐患，也对设备造成较大负担，通过使用牙型检测样板，结合透光法检测，发现圆弧底部还有余量。通过对精车切削参数进行多次调整，综合分析后，将精加工切削参数修改为：ap＝0.05mm，f＝16mm/r，v＝32～44m/min，车3刀，加工表面质量较为理想。

螺纹顶部圆弧车削三要素为：ap＝0.3mm，f＝16mm/r，v＝85～95m/min，切削深度由大到小递减。

（4）梯圆螺纹的检测 通过样板比对，使用梯圆螺母进行配合检测，需要注意检测时将尾座移至安全距离，工件未经检测禁止拆下，螺母吊起后，只需手动转动卡盘，旋入后，进行间隙检测，合格后取下工件（见图11）。

图11 梯圆螺纹配合检测

5. 结语

起重机梯圆螺纹轴的刚性较差，车削螺纹时，切削受力过大，一般情况下很难保证该轴加工质量。本文通过对起重机梯圆螺纹轴车削加工的研究，采用中心架支撑，增加系统刚性，自制左、右侧粗车刀具、梯圆螺纹牙底成形刀及牙顶圆弧成形刀等刀具解决螺纹加工难题。另外，采取合理规划切削路线，选择合理的切削参数等措施，保证了起重机梯圆螺纹轴的加工质量。