高效數控車削蝸桿的加工方法

中航工業成都凱天電子股份有限公司精密機械加工廠 (四川 610091)楊顯君 陳德蘭 魏思遠

對于蝸桿的加工，因螺距大，牙型深，加工余量大，再因其牙型特點，車削時刀刃與工件接觸面大，容易發生振動，加工途中極易因工件與刀具間切屑的擠壓造成刃具損壞，產生“扎刀”現象，造成蝸桿報廢，而且加工時間周期長。本文結合具體的生產實際，從刀具、車削方法和切削參數等方面對現有的加工進行改進，改善了刀具受力情況，提高了加工質量和切削效率。因數控程序簡單，操作性強，為此類零件的加工提供了一定的借鑒、參考。

一、蝸桿的特性及參數的計算

1.蝸桿的特性

常用的蝸桿有米制(齒形角為40°)和英寸制(齒形角為29°)兩種。我國大多數采用米制蝸桿，而最常用的是阿基米德蝸桿(即軸向直輪廓蝸桿)，它的齒面為阿基米德螺旋面，端面是阿基米德螺旋線，如圖1 所示。軸向齒廓 (A—A截面)是直線，而法面(N—N 截面)的齒形則為曲線，如圖2 所示。

圖1 阿基米德蝸桿端面形狀

圖2 阿基米德蝸桿軸向截面和法向截面形狀

2.蝸桿的結構及參數

根據生產的要求，所要加工的蝸桿為米制蝸桿，模數mx=3，齒形角為40°，材料為45 鋼，具體參數如表1 所示。蝸桿的結構和尺寸要求如圖3 所示。

表1 蝸桿參數

(續)

如圖3 所示，該蝸桿的尺寸精度和形位公差要求高，加工難度大，為了保證其精度要求，應盡量采用高精度的設備。另外，公司產品以多品種小批量為主，采用專用銑削機床投入成本高，如果使用臥式車床加工，對人員的要求很高，而且加工成本很高，效率太低，產品質量難以保證。因公司的機床設備多樣化，數控加工機床占生產設備70%左右，所以決定本次加工蝸桿采用高精度的數控車床HARDINgE (Quest 8/51)，該數控車床為斜床身，12 位刀塔，定位精度0.008mm，重復定位精度0.005mm，Fanuc series 21i-T 操作系統，最高轉速3 500r/min，最低加工轉速50r/min，最大加工直徑400mm。

圖3 蝸桿結構圖

二、傳統數控車削加工蝸桿

1.刀具的選擇

由于所加工的蝸桿全齒高6.6mm，即切削深度為6.6mm，螺距為大螺距9.425mm，加工時背吃刀量很大。因此所產生的切屑很不容易排出螺旋槽，加工時的切削力也很大，在加工的過程中極易產生扎刀現象。

為了減小切削力，順利排出切屑，盡量避免扎刀、崩刀，刀具材料要求韌性好、強度高、容易刃磨，傳統上選用高速鋼材料(見圖4)。高速鋼的紅硬性比較低，耐磨性較差，不適合較高的切削速度。為了得到較好的加工精度和表面粗糙度，高速鋼的刀具在加工時使用的切削速度和主軸的轉速就比較低。

圖4 加工蝸桿的高速鋼刀具

2.數控車削加工進刀方法

常用的加工指令有G32、G92 和G76 3 種。

G32 為單行程螺紋插補指令，它適用于小螺距，更多應用于徑向進刀方式。G32 加工一次螺旋線時，需要4 個步驟才能完成，加工一個螺紋進刀次數和所要編制的進刀步驟的程序一致。因此編程人員程序量大，機床加工時間長。

G92 螺紋切削單一固定循環指令，其含義與G32相同。G92 加工時成為一個循環，與G32 相比只需要啟動一次就可以完成G32 的4 個步驟。但是G92編程時，每次都需要輸入進刀尺寸，程序編制時需要手工進行分層，編制程序相對繁瑣，加工時間長。

G76 螺紋切削復合固定循環，采用斜進刀方式，適用于大螺距螺紋的加工，而且程序自動進行切削深度調節，吃刀深度遞減，不但能很好地保證產品的質量，而且能大大縮短機械加工的生產周期。

G76 指令格式:

m:車加工的次數，取值范圍1～99 次。

r:進刀時(45°)的倒角量，z 向距離，取值范圍為導程的倍數。單位為0.1 導程，用兩位數表示，即0.5 導程表示為0.5。

Δdmin:最小吃刀深度。

d:精加工余量。

a:螺紋牙型角，即刀尖角。有6 種牙型角角度:0°，29°，30°，55°，60°，80°，該值由兩位數表示。例60°表示成60。

當精加工2 次，倒角量為1 倍導程的普通螺紋表示方法:P021060。

X_ Z_ :終點坐標值。

I:螺紋半徑差，同G92、G32。

K:牙型高度。

Δd:第一刀精加工深度，不帶小數點。

F:導程。

循環中各指令中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 種，沒有40°的牙型角可供選擇，傳統方法是選擇40°刀尖角的高速鋼刀具，刀頭寬1.6mm;切削參數S=80，最大吃刀深度0.1mm，最小吃刀深度0.03mm;選用G76 提供的30°牙型角加工。程序如下:

加工狀態如圖5 所示，刀具三個切削刃同時參加切削，切削力非常大，易產生扎刀，零件易報廢;切屑從三個刀刃口的方向相互擠壓刀刃排出，切削熱不能及時帶走，刀具嚴重磨損;刀具材料紅硬性差，刀具角度變化大，粗加工完后必需換刀才能進行精加工;機床主軸系統受力變形較大，機床進給機構受力大易損壞。

圖5 30°方式車削蝸桿切削過程圖

加工的結果:刀具易磨損，如圖6 所示，一把刀具最多只能加工一件零件就要對刀具進行刃磨、調整，刀具壽命短，操作者勞動強度非常大;采用低速切削，零件加工時間長、單件加工時間超過1h，生產效率低、產品質量不穩定，合格率只有30%，甚至更低;切削力非常大，對機床工藝系統的剛性要求非常高。

為了適應生產的需要，必須對加工方法進行創新改進，才能完成生產加工任務。綜合以上分析，刀具材料和車削加工方式的創新是解決問題的關鍵。筆者經過反復研究，并結合長期實踐經驗的總結，概括出了高效的數控車削蝸桿的加工方法。

圖6 加工一件蝸桿磨損后的高速鋼刀具

三、高效數控車削蝸桿加工

1.刀具的選擇

高效加工蝸桿選用硬質合金刀具。硬質合金刀具磨損小，一把刀具能加工5 件零件以上，加工5 件零件后的刀具如圖7 所示，因而實現了延長刀具壽命，縮短加工時間，降低生產成本、產品質量穩定的目的。

圖7 加工5 件零件后的刀具圖

硬質合金刀具選擇40°刀尖角，以保證刀尖角與蝸桿的牙型角相同。為了保證牙型正確，前角一般取0°，后角大于螺旋升角2°～3°，刀頭寬0.9mm，刀具表面粗糙度值Ra≤0.4μm。

刀具安裝時保證刀具兩切削刃對稱中線與工件的軸線垂直，刀具前刀面與水平面平行，刀具前刀面與工件軸線在同一平面上。選擇刀具兩切削刃對稱中線與刀頭寬度中點處為對刀點，以利于在加工中刀具損壞后，進行重新換刀時提高重合精度。選用的硬質合金刀具如圖8 所示。

圖8 硬質合金刀具

2.高效加工方法及分析

由于加工蝸桿的牙型角是40°，但是G76 所能加工的牙型角沒有40°，這給加工帶來困難。針對全刃參與切削的情況，利用G76 能夠車削6 種角度螺紋的優勢進行切削過程改進，使用30°和55°的牙型角通過兩次斜進刀的方式加工出40°的牙型角，第一次切削蝸桿的左側面，第二次切削蝸桿的右側面，兩次切削完成牙型的加工。這種方法，不但保證了加工質量，而且大大節省了加工時間，提高了生產效率。

第一次車削完成蝸桿左側面:選擇40°刀尖角的硬質合金刀具，刀頭寬0.9mm;切削參數S=400，最大吃刀深度0.2mm，最小吃刀深度0.04mm;選用G76 提供的55°牙型角加工。程序如下:

從上面的程序可以看出，對轉速S400 進行了提升，第一刀吃刀深度增加一倍為Q200，P020055 中的55 是車削牙型角為55°的螺紋，陽面由車刀牙型角保證，陰面牙型半角20°由G76 中55 參數保證牙型半角為27.5°，則形成一個47.5°牙型角的螺紋，如圖9 所示，刀具右側與螺紋右側形成7.5°角度差異的空間。刀具由左側和前面切削刃參與切削，右側刃面是由刀尖擬合出來，因此避免了三刃切削造成的嚴重不足，而且有較大的排屑空間。同時減小刀頭的寬度，可以作為一條切削刃參與切削。

圖9 55°車削蝸桿圖

第二次車削完成蝸桿右側面:第一次加工形成的牙型角為47.5°，不滿足40°牙型角的要求，因此進行右側牙形的車削工作。選用G76 提供的30°牙型角加工。程序如下:

如圖10 所示，加工中因為是單刃車削，排屑容易，切削力小，因此增大切削參數，最小吃刀深度增加一倍為Q80，第一刀吃刀深度增加一倍為Q400，P020055 更改為P020030 車削30°牙型角的螺紋，車削55°牙型螺紋與30°牙型螺紋時，螺紋起始點不發生變化，螺紋不會發生亂扣。現只需要進行余量的調節，否則會出現蝸桿超差現象，完整的蝸桿牙型圖如圖11 所示。

圖10 30°角車削蝸桿圖

用30°的方式可以車出完整的40°牙型角的蝸桿，齒根寬度是 1.934mm，而蝸桿理論齒根寬為2.03mm，小于最終尺寸0.1mm。但尺寸太接近，不方便調整尺寸進入公差，因此車削時的起刀點應該向左移動約大于0.2mm (方便加工進行的取值)，但應該小于1.034mm。現將刀補向左移動0.3mm，車削出零件，如圖12 所示。此時蝸桿的分度圓已加工出來，利用齒厚卡尺測量蝸桿，副尺調整高度為［3-(理論齒頂直徑-實際齒頂圓直徑)/2］，主尺測量出法向尺寸，因為法向齒厚=軸向齒厚×0.996 5，因此可以視同為法向齒厚=軸向齒厚，測量出軸向齒厚值X。

圖11 完整的蝸桿牙型圖

圖12 刀具移動0.3mm后形成的牙型圖

四、檢查蝸桿

蝸桿的主要測量參數有周節、齒頂圓直徑、分度圓直徑和法向齒厚。其中齒頂圓直徑可用游標卡尺和千分尺測量。周節主要由機床傳動鏈保證，粗略的測量可用游標卡尺測量或用光學投影儀測量。

分度圓直徑可用三針測量。其原理和測量方法與測量螺紋相同。

三針測量蝸桿(α=20°)計算公式:

dD取值1.672Mx。

法向齒厚測量:蝸桿的齒厚是一個很重要的參數，在齒形角正確的情況下，分度圓直徑處的軸向齒厚與齒槽寬相等，但軸向齒厚無法直接測量，常通過對法向齒厚進行測量來判斷軸向齒厚是否正確。法向齒厚可用齒輪卡尺進行測量，齒輪卡尺(見圖13)由互相垂直的齒高卡尺1 和齒厚卡尺2 組成。測量時，卡腳側面必須與卡尺側面平行，也就是卡尺平面與蝸桿軸線相交一個蝸桿導程角γ，齒高卡尺調到h1的尺寸(齒頂圓直徑誤差對齒頂高有影響)，齒厚卡尺所得的讀數就是法向齒厚的實際尺寸。

采用高效數車的方法加工完成的蝸桿如圖14 所示。對加工后的蝸桿進行檢查，檢驗結果如表2所示。

圖13 齒輪卡尺測量法向齒厚

圖14 高效數車加工的蝸桿實物圖

表2 蝸桿零件的實際檢測尺寸(單位:mm)

根據檢驗的結果可以看出，采用高效方法加工的蝸桿所有尺寸均在公差范圍內，達到了圖樣的技術要求，本次加工零件10 件，調試程序報廢1 件，其余全部合格，合格率90%。中途刃磨刀具一次，單件加工時間只有20min。

五、結語

本文介紹的優化方法，從刀具的選擇優化出發，利用數控車床的斜進刀方式，采用左、右側面兩次進刀的方式進行加工，留出充分的排屑空間，使刀具受力情況大大改善，提高了機床的穩定性和刀具的使用壽命，同時，使切削參數得到較大的提升，加工時間大大縮短，零件質量穩定;數控程序簡單、可操作性強，刀具易調整。經檢驗，加工的蝸桿尺寸均在公差范圍內，達到了技術要求。實踐操作驗證，改進后的加工方案加工質量得到提高，加工時間節省66%，大大縮短了生產周期。此方法對同類零件的加工具有指導作用。