大长径比矩形螺旋槽减应力加工技术

2023-11-24彭华武张甲涛周德民居大伟方振红

金属加工(冷加工) 2023年11期

彭华武，张甲涛，周德民，居大伟，方振红

中国兵器工业集团江山重工研究院有限公司湖北襄阳 441100

1 序言

矩形螺杆多用于传递轴向大载荷动力，且要求传动效率高[1]，在军工、重型机械、机床及汽车等行业应用广泛，我公司某千斤顶电动缸上的螺杆是该产品的关键零件（见图1），工件总长度1001mm，螺距18mm，牙槽宽度9H11，齿厚9mm，螺杆外圆与基准同轴度0.05mm，直线度0.05mm，螺旋槽总长791mm。长径比、螺距和加工余量大，需要对螺旋槽粗加工释放应力再进行精加工，造成二次装夹找正螺旋槽调整试切时间长，加工后呈弓形弯曲变形，直线度0.05mm较难保证，现有的工艺方法多次改进后效果不明显。通过采用一种螺旋槽轴向定位、反走刀减应力的新工艺方法，原工艺中存在的装夹找正困难和变形问题得到了解决，消除了零件加工质量不稳定的现象，加工效率提高了6倍以上。

图1 螺杆结构示意

2 技术方案

原工艺方案中零件经粗加工后，停留一段时间释放应力，再进行精加工。采用普通车床，自制高速钢车刀（见图2），根据螺杆螺距磨削切削刃、车刀副角，对操作人员技能水平要求较高。由于自制高速钢车刀强度差，因此在切削过程中，只能采用低进给的方式进刀，刀具磨损次数多，可靠性较差。

图2 自制高速钢车刀

二次装夹时采用普通卡盘装夹后，需要对工件进行打表，找正外圆工件的跳动，通过实际的跳动值，对工件来回调整，此过程时间长，效率低。再对找正后工件进行对刀，找出工件的加工起始点，在对刀过程中，存在一定的操作误差，给产品质量带来极大的风险。

正走刀切削（见图3）是从机床尾部向头部方向走刀，工件在加工过程中受压，容易发生振动和弯曲变形，对于长轴类零件，表面质量差，产品质量难以保证。

图3 正走刀切削示意

对原工艺方法进行分析后，可将加工工艺优化。采用数控车削中心和涂层刀具，制作定位装置，利用螺旋槽轴向定位，采用反走刀切削方式。这样的加工方式可以采用较大的进给量，在提高加工效率的同时，不仅增大了纵向切削力，减轻了工件径向圆跳动，而且减少和消除了大幅度振动，从而解决传统加工方法存在的不足。

3 方案实施

设计专用软爪[2]，通过半包式自定心卡盘夹紧外圆，实现工件自动定心，降低装夹误差，再以定位凸台进行定位，固定工件的装夹位置，专用软爪模型如图4所示。

图4 专用软爪模型

设计螺旋槽轴向定位辅具专用软爪（见图5），在指定的卡盘上，通过专用定位辅具对工件进行定位，省去了打表找正外圆、重新设置工件加工起始点等辅助工作[3]。

图5 螺旋槽轴向定位辅具专用软爪

调整数控车刀角度，使涂层刀具角度与螺杆螺旋角一致（见图6）。

图6 涂层刀具楔形块螺旋角调整

在加工首件时，采用专用定位辅具确定工件的装夹位置，确定工件数控程序加工原点。在后续其他的加工中，通过专用定位辅具进行辅助定位后，无需重新对刀，可以实现装夹、对刀一次完成（见图7）。

图7 工件快速定位装夹

采用车削中心时，将车刀安装在与普通车床车刀架相反的方向，即可实现反向走刀（见图8）。采用反向走刀切削时，工件处于受拉状态。由于轴向力的作用拉紧了工件，增加了工件的实际刚度，从而避免了工件发生弯曲（弓形）变形。

图8 反向走刀

4 实施效果

工艺优化后，操作人员只需要在首件调试时，进行对刀调整，装夹位置固定后，即可批量生产，对操作人员技能要求也大幅度降低，普通技能水平人员即可轻松操作。螺旋槽轴向定位、反向走刀切削减应力的工艺方法，已经成功应用于我公司某重点装备螺杆的加工中。螺杆装夹时间由原来的10min缩短至5min，效率提高一倍。加工时间由原来的3h缩短至25min，切削效率提高了6倍以上，有效解决了螺杆加工效率低的问题。采用反走刀切削，可以采用较大的进给量，在提高加工效率的同时，不仅增大了纵向切削力，而且减轻了工件径向圆跳动，减少和消除了大幅度振动，保证了工件加工表面的质量。经批量生产300件验证（见图9），直线度保持在0.01～0.02mm，解决了工件变形质量问题，累计创造经济效益100余万元。