大導程螺母車削裝置的設計

馬曉軍 王曉剛 閆克泉 陳海玲

(山東普利森集團有限公司，山東德州 253076)

多年來，大導程螺紋加工一直是機械加工領域的一個難點，尤其是大導程內螺紋的加工。文獻［1－3］報道了螺紋加工常用的工藝方法;20世紀80年代末，北京機床研究所展開過大導程滾珠絲杠副“七五”攻關項目的研究［4］;文獻［5］報道了螺旋升角大于9°的大導程滾珠螺母內滾道的成型方法，以滾珠螺母32 mm×6 mm，長度L=50 mm為例確定了加工工藝;文獻［6］報道了大導程滾珠螺母磨削工藝，以通孔直徑53 mm的螺母為例確定工藝參數;文獻［7］報道了高速硬體旋風銑削在滾珠螺母滾道加工中的應用，加工的螺母長度達200 mm。這些加工方法有效解決了較小規格的螺母內螺紋的成型工藝，但對于較大規格的螺母內螺紋成型具有一定的難度。文獻［8］設計了一種大螺距螺紋加工專用機床，可加工梯形外螺紋規格Tr300×12－1 000 mm;文獻［9］報道了用于加工管徑φ200～550 mm的多頭、變螺距精密螺紋專用數控車床，用于加工外螺紋;文獻［10］在數控立車上加工了Tr400×160(P40)mm左旋內螺紋。目前，關于更大規格內螺紋成型方法沒有相關報道。

某廠提供的大導程螺母，螺紋中徑 φ680～860 mm，長度1 500～1 700 mm，導程464～600 mm。螺紋結構尺寸大，加工過程中的切削力非常大。加工螺母時，刀桿伸入螺母預成型的孔內，刀桿懸伸長，靜剛度不容易保證，尤其是刀桿受到的彎矩非常大，造成撓曲變形大，影響加工精度，同時刀具振動被懸伸的刀桿放大，刀桿懸伸越長，同樣條件下，振動越劇烈，進一步影響加工精度，加工出來的螺紋表面振紋明顯，螺距誤差大，表面粗糙度值大。減小切削量可以改善切削質量，但此方法效率低下，已遠遠不能滿足生產需要。尤其當刀桿懸伸超過一定量時，即使很小的切削力也能造成較大的振動。為了克服此缺點，設計了一種加工精度高、效率高的大導程螺母車削裝置。

1 結構設計

1.1 整體布局

本裝置安裝在數控臥式車床上，如圖1。螺母一端由四爪單動卡盤裝夾，另一端由開式中心架支撐。大導程螺母車削裝置一端固定在車床刀架端面，另一端伸入螺母預成型的孔內車削螺紋。螺紋加工過程中，螺母隨車床主軸轉動而轉動，車削裝置隨刀架X向與Z向的移動而進刀與退刀，直至螺母車削完成。

1.2 結構設計

大導程螺母車削裝置結構如圖2。

刀座為凸形結構，前端用螺釘固定在車床刀架端面，后端加工有敞開式的方孔，用于刀桿的裝配。刀桿截面為方形，長度由加工螺母長度規格而定。刀桿上加工有5個鍵槽，可針對加工不同長度的螺母5級伸縮分級定位，控制刀桿的最佳懸伸量。刀桿前端裝有刀夾與車刀。導向套為圓柱形，如圖3所示。外表面加工有四個對稱分布的導向槽，導向塊鑲在導向槽內，與螺母內徑形成間隙配合。導向塊由淬火鋼加工而成，耐磨損，壽命長，可更換。導向套內部的支撐筋上加工有U形槽。U形槽前端側壁上加工有進刀口。導向套兩側開有排屑口。壓蓋上加工有突起鍵，刀桿與刀座對應部位加工有鍵槽。突起鍵壓入對應鍵槽后，壓蓋可將刀桿固定于刀座內。

刀桿一端裝入刀座的方孔內，形成間隙配合，壓蓋固定，另一端伸入導向套內的U形槽。U形槽底面為平面，對刀桿形成反向支撐。刀桿在U形槽內徑向移動，車刀懸伸在進刀口外車螺紋。刀桿前端底部裝有兩個推塊，導向套U形槽底部夾在兩個推塊之間，形成間隙配合。兩個推塊分別推著導向套前進與后退，移動過程中，推塊可以防止導向套在水平方向的扭轉。導向套U形槽上端裝有氣缸。氣缸的活塞起壓刀作用。刀座下方設有斜鐵，調整斜鐵的伸縮量，從而調整導向套軸線與螺母軸線的同軸度。支架上端設有機床常用的調整墊鐵，可以在垂直方向進行高度微調。

車削螺紋時，垂直方向的切削力和刀桿自身的撓度由導向套、螺母及刀座支撐。切削力引起的導向套扭轉由刀桿與刀座約束。徑向進刀時，氣缸通氣，活塞下移，壓緊刀桿，防止刀桿徑向變形和振動，此時刀桿為固定梁結構;退刀時，氣缸斷氣，活塞在氣缸內部彈簧力的作用下上移復位，刀桿放松。切削過程中刀桿各個方向的自由度均受到約束。切削過程中的切屑通過導向套的排屑口，直接進入螺紋螺旋線，隨著螺母的旋轉排到螺母外側。進刀口位于導向套中部。車削螺紋時，導向套先進入螺母，車刀后車削螺紋。車到螺母后端時，車刀出螺母后，導向套仍然有一段含在螺母內。整個車削過程中，導向套始終在導向。這樣布置有效解決了螺紋車削時始端與末端短時讓刀的問題。

支架的作用是對整個車削裝置形成輔助支撐。導向套未進入螺母內孔時，由于導向套和刀桿自重造成的撓度大于導向套與螺母內孔的配合間隙，調整支架上端的調整墊鐵，使導向套軸線與螺母軸線等高，可使導向套進入螺母內孔。車削過程中，支架可拆除或移到機床尾部。機床停機時，將支架支撐在刀桿下方，對車削裝置形成反向支撐，避免懸伸造成扭曲變形。

螺紋車削程序編寫時，應對氣缸動作一專用指令。該指令貫穿于螺紋程序的全過程。螺紋車削成型后，螺紋內孔因與導向塊摩擦致使公差變大和表面粗糙。為此，螺母內孔加工時可留有0.2～0.3 mm的加工量，螺紋成型后可對內孔進行精加工，從而保證內孔精度。

2 加工實例

2.1 加工對象及所用機床

螺母:材質ZCuZn26Al4Fe3Mn3，螺紋中徑φ680 mm，頭數 4，螺距116 mm，導程464 mm，長度 1 500 mm。

機床:數控重型臥式車床CK61200G，承重40 t。

2.2 切削刀具及參數

刀具材質:W18Cr4V，刀刃刃型自行磨削;

粗加工參數:主軸轉速2 r/min，切深0.5 mm;

精加工參數:主軸轉速0.5 r/min，切深0.06 mm。

螺母加工完成后，使用某廠自制的螺紋均勻度儀測量螺距誤差，最大誤差為0.02 mm;使用TIME生產的TR200手持式粗糙度儀測量螺紋中徑處粗糙度，測量值為Ra0.8 μm，表面無振紋。傳統加工方式加工的螺紋，螺距誤差0.15 mm，螺紋中徑處粗糙度為Ra1.6 μm，表面振紋明顯。

3 結語

大導程螺母車削裝置已在某廠成功應用。本裝置結構簡單，后期維護成本低。整體結構為敞開式結構，具備加工過程、換刀、對刀、在線測量的可觀察性及操作空間，加工螺母精度高，效率高，深受用戶歡迎。

［1］馮啟高，馬利杰.內螺紋加工新技術［J］.機械研究與應用，2005(8):10－11.

［2］王先逵.機械加工工藝手冊［M］.2版.北京:機械工業出版社，2007.

［3］陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊［M］.2版.北京:機械工業出版社，2003.

［4］黃祖堯.大導程滾珠絲杠副的特性及其設計選用［J］.鍛壓機械，1990(6):12－15.

［5］徐興凱，王華權，熊慧珺.大導程滾珠螺母內滾道的成型方法研究［J］.機床與液壓，2011(3):16 －18.

［6］李凌豐，陳遠朋，劉波.大導程滾珠螺母磨削砂輪廓形精確設計和干涉消除［J］.機械工程學報，2008，48(1):109 －113.

［7］許舜，吳元徽.高速硬體旋風銑削在滾珠螺母滾道加工中的應用［J］.新裝備技術及應用，2005(11):59 －60.

［8］金新，黃鶴輝，張麗娜，等.橋梁斜拉索錨具大螺距螺紋加工專用機床關鍵技術的研究［J］.機床與液壓，2011(5):20－22.

［9］張世亮，郭雄，陸兵.超長、大管徑精密螺紋套管專用數控套車機床研究［J］.制造技術與機床，2011(3):79－82.

［10］范淑果，谷建偉，郝宏偉.大直徑大導程多頭梯形內螺紋的數控加工［J］.制造技術與機床，2005(3):70 －71.