精密長螺桿車削技術

■ 中國工程物理研究院機械制造與工藝研究所 （四川綿陽 621900） 王俊峰 李 凱 南浩濤

精密長螺桿車削技術

■ 中國工程物理研究院機械制造與工藝研究所 （四川綿陽 621900） 王俊峰 李 凱 南浩濤

機械制造中，有許多零件都有螺紋，由于螺紋既可用于聯接、緊固及調節，又可用來傳遞動力和改變運動形式，因此應用十分廣泛。螺紋的加工方法有很多種，在專業生產中廣泛采用滾壓、壓輥及搓絲等一些先進工藝方法，這種工藝方法適用于批量生產，而一般機械加工中通常采用車削的方法加工螺紋。本文以精密螺桿的車削加工為例，詳細闡述了細長螺桿加工中遇到的問題和解決方法，保證了精密長螺桿的加工質量。

1. 工藝分析

螺桿如圖1所示，在加工過程中首先考慮工件的材料和長徑比，然后考慮夾具、刀具等因素對加工產生的影響。

螺桿結構如圖1所示，該零件為某模塊的核心零件之一，材料為3Cr13，其制造精度直接影響到模塊功能的實現。該零件存在以下加工難點：①零件外圓在φ12mm以下，桿長256mm，長徑比＞21，剛性差、容易變形。②外圓φ8f7（-0.013-0.028） mm 、φ10k7（+0.016+0.001）mm，尺寸精度要求高。③外圓φ8f7（-0.013-0.028）mm、 φ10k7（+0.016+0.001）mm之間同軸度要求高（0.015mm）。④螺桿螺紋為M12×0.5-5h4h-L，螺距小，螺紋有效長度L=222mm，加工中刀具每一次走刀切削時間長、刀尖磨損大。⑤螺紋直線度要求在0.01mm內，增加了裝夾及加工難度。

圖 1

2. 加工難點分析

對于如圖1所示細長螺桿來說，外圓尺寸精度采用磨削達到精度要求，本文主要講述車削加工螺紋中的難點，影響車削加工的因素主要有以下幾個方面：①毛坯剛性，長徑比＞21，剛性差，容易變形。②半成品本身存在形狀誤差和位置誤差，易在精加工過程中形成誤差復映。③裝夾時產生的彈性變形、螺紋尺寸、形位精度和表面粗糙度都不易控制。④加工切削過程中受切削力影響，使工件產生變形（剛性差），其中包括熱變形和殘余應力。

由于以上原因，在首次加工的過程中沒有達到圖樣和工藝要求，其中圖樣要求螺桿與螺套的配合間隙在0.008mm以內（螺桿與螺套為精密微調螺紋），即在整個螺紋旋合長度上都要求間隙保證在0.008mm以內，還要保持螺母的旋合順利及全長旋合長度的間隙一致，所以在加工過程中要充分考慮夾具、刀具、冷卻、切削用量和切削速度對加工產生的影響。

3. 解決方法

在現有加工條件下，根據零件特征主要考慮從以下幾點著手解決問題：

（1）裝夾。采用一夾一頂裝夾方式，頂尖頂緊力調整在5～8kg，用一小木棒作輔助支撐，手拿小木棒，在螺紋車削時，木棒扶在螺紋刀對面工件的另一側，以抵消刀具的抗力，但由于人工輔助無法保持支撐力度的大小和均衡性，導致加工出的產品前后錐度較大，加工中刀具振動產生的波紋較大，表面質量差，達不到圖樣要求，而且刀具磨損速度加快；加之本車間數控機床沒有中心架和跟刀架，只有考慮別的辦法。

后采用磁力表架安裝其他材料作為輔助支撐，由于螺桿為細牙螺紋，加工中輔助材料與工件磨損大，導致螺紋外徑減小超差；因此改用聚四氟乙烯棒作為輔助支撐，聚四氟乙烯安裝在磁力表架上，將磁力表架吸在刀塔上，聚四氟乙烯棒頂在與刀尖對稱的工件表面位置，緊固磁力表架如圖2所示，當刀塔移動時聚四氟乙烯支撐棒跟著移動，如此可在整個加工行程中保持均衡的輔助力，消除了加工中刀具的抗力，加工中無振動現象，加工出的零件圓柱度保持在0.005mm以內。

（2）刀具。刀具要求既要有很好的耐磨性，又要保持鋒利，排屑順暢，防止切屑纏繞。刀片選用CVD涂層刀片，排屑順利，表面質量好。

（3）切削用量。控制最小切削用量在0.02mm/r左右，轉速500～1 200r/min效果不理想，轉速太低，工件成腰鼓形，轉速太高，振動大，刀具磨損太快，耐磨性差，工件外徑尺寸易產生錐度，影響產品質量和表面粗糙度。改用分層切削方法，減小切削力，提高轉速，在1 500～2 200r/mm效果較好，產品幾何精度和尺寸精度得以保證。

（4）冷卻潤滑。初始加工時用水冷卻及普通乳化液冷卻潤滑，效果都不理想，加工后螺紋毛刺大，表面粗糙度值高。后改用自己調制的切削液（煤油+菜籽油+豬油）冷卻潤滑，既有很好的滲透性、冷卻性，也有很好的潤滑性，加工后零件表面粗糙度值達到Ra=1.6μm。

經過綜合考慮以上幾點，進行了多次切削試驗，最終總結出較好的加工方法，保證了產品質量。

圖2 裝夾方式三維實體

4. 注意事項

根據細長螺桿的加工方法總結出以下幾點：①合理的工藝路線。②合理的切削用量和加工方法。③合理運用切削液和潤滑劑。④合理選用裝夾方法。⑤刀具懸伸盡量短，增強刀具剛性。⑥裝夾牢靠穩定，防止振動。

5. 結語

在細長螺桿的加工中，采用了獨特的加工方法，得到了很多經驗。根據零件結構特征和尺寸精度要求，反復調整切削參數、裝夾方法及選用合適的冷卻潤滑劑，最終滿足圖樣要求，零件表面質量很好，合格率高，保證了產品質量。總結出了一些加工經驗，為后批生產奠定了基礎。

[1] 胡農.車工技師手冊[M]. 北京：機械工業出版社，1997.

[2] 李煒新.金屬材料與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3] 徐宏偉.數控加工工藝[M]. 北京：化學工業出版社，2008.

[4] 陳長生，霍振生.機械基礎[M].北京：機械工業出版社，2003.

20150910）