基于山高刀具加工單旋雙向循環(huán)移動螺桿優(yōu)選工藝

葛文軍，俞芬

1. 揚州大學 江蘇揚州 225009

2. 江海職業(yè)技術(shù)學院 江蘇揚州 225101

1 序言

隨著科技的發(fā)展，零件加工要求和種類越來越復雜化、多樣化、精準化，因而對加工工藝方法提出了更高的要求。單旋雙向循環(huán)移動螺桿（見圖1）是很多現(xiàn)代機械中的關(guān)鍵零件，需要在回轉(zhuǎn)體上加工出首尾相連、正反旋向的溝槽形狀，實現(xiàn)單旋雙向循環(huán)移動。其生產(chǎn)工藝方法如下：①采用山高刀具車削外圓。②定位裝夾。③采用山高JETI（集成Jetstream）刀具加工正反旋向溝槽，利用Mastercam X編程使三軸機床實現(xiàn)四軸聯(lián)動銑削加工。④采用先進的熱噴涂工藝為正、反旋向的螺旋槽進行噴砂加工，使工件表面的力學性能得到改善，這樣不僅提高了工件的抗疲勞性能，增加附著力，延長耐久性，而且有利于流平和裝飾。

圖1 單旋雙向循環(huán)移動螺桿示意

2 加工單旋雙向循環(huán)移動螺桿溝槽

加工時利用Mastercam X編程加工回轉(zhuǎn)體上首尾相連正反旋向的溝槽形狀，通過Mastercam X “旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)定”窗口置換X軸或Y軸的功能，將“三軸”問題轉(zhuǎn)換成“四軸”刀具路徑，實現(xiàn)四軸聯(lián)動銑削加工正反旋向溝槽。

2.1 工藝流程分析

（1）單旋雙向循環(huán)移動螺桿加工工藝 所要加工的零件雖然看上去很復雜，但是按照如下方法操作可將復雜問題簡單化。

1）加工此軸時先編制左螺旋線的程序，再編制加工左螺旋線終點圓滑過渡到右螺旋線起點的程序，然后編制右螺旋線的程序，最后編制右螺旋線終點圓滑過渡到左螺旋線起點的程序，以此完成單旋變距雙向循環(huán)移動螺桿的編程。

2）加工四軸聯(lián)動工件，此零件在車削加工中心或銑削加工中心都可完成。在銑削加工中心安裝數(shù)控轉(zhuǎn)盤裝置，車削加工中只需把刀塔（C軸）安裝上旋轉(zhuǎn)的刀架就可以實現(xiàn)。編好程序后傳輸?shù)綑C床，使主軸與刀架同步運動，實現(xiàn)四軸聯(lián)動加工螺桿。

（2）定位及裝夾分析 此零件采用“一夾一頂”裝夾，自定心卡盤裝夾，頂尖支承，必要時增加跟刀架作為輔助支承。工件材料是45鋼，加工步驟見表1。

表1 單旋雙向循環(huán)移動螺桿加工步驟

2.2 利用Mastercam X編程

打開繪制的加工輪廓線，打開保存的零件輪廓線圖層，關(guān)閉其他圖素的圖層，結(jié)果顯示所需加工的輪廓線如圖2所示。

圖2 加工輪廓線

在加工過程中，外部切削液組件在加工過程中產(chǎn)生干擾，不準確的低壓切削液輸送導致加工性能不佳，切屑形狀不良，使工藝不可靠，難以高效加工。采用圖3所示的山高 JETI（集成 Jetstream）刀具，其JETI 集成切削液通道，可以用于精確、無干擾的高壓切削液輸送，從而優(yōu)化加工、控制切屑，并且加工過程更可靠。Jetstream Tooling?雙飛流刀具根據(jù)具體工藝可通過開關(guān)優(yōu)化，噴出切削液進行冷卻，以實現(xiàn)最佳性能。刀柄尺寸25 mm ×25mm，切削參數(shù)：vc= 210m/min，f= 0.25～0.3mm，ap= 1.5～2.0mm。

圖3 山高 JETI（集成 Jetstream）刀具

通過位于刀柄中的導流器來導向高壓切削液，導流器的小孔可產(chǎn)生猛烈的高速切削液流，穿透并潤滑工件和刀具切削刃之間的高摩擦區(qū)。從兩個出口輸送切削液，除了噴向前刀面最佳加工點的上部噴嘴外，全新的 Duo技術(shù)采用一個額外的切削液噴嘴來沖洗間隙面。切削刃從兩個相反方向（上方和下方）接受高壓切削液，從而最大限度地控制切屑流并冷卻切削區(qū)域。

螺旋槽的加工是單旋雙向循環(huán)移動螺桿零件的關(guān)鍵所在，其加工步驟需要增加轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)軸的過程，具體操作如下。

1）生成螺旋槽輪廓的刀具路徑。需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算，繪制圖4所示的長方形。長方形的長L=nDл=6×40×3.14=753.6（mm），寬H=nT=6×33=198（mm），D為螺紋外徑（mm），n為螺紋圈數(shù)，T為螺紋導程（mm）。

圖4 長方形

2）繪制對角線（見圖5）。若導程改變需要繪制多個長方形，對角線的加工軌跡通過轉(zhuǎn)換設(shè)置的旋轉(zhuǎn)軸得到變螺距螺桿的加工軌跡。可以簡單地將四軸問題轉(zhuǎn)換成三軸刀具路徑進行加工。

圖5 對角線的選取

3）單旋雙向循環(huán)移動螺桿為左旋螺旋線槽與右旋螺旋線槽通過圓弧過渡連接，實現(xiàn)單旋雙向循環(huán)移動的功能，自動編程時左旋螺旋線為長方形對角線1，右旋螺旋線為長方形另一對角線2，如圖6所示。

圖6 選取對角線

4）如果加工螺桿導程有變化，其編程方法是以不同的導程為單位畫長方形，每個導程單位的長方形大小不同，對角線長短與角度也不同，把長方形的對角依次相連，上個導程的對角線終點坐標就是下個導程對角線的起點坐標。

5）生成左旋螺旋線槽刀具路徑。①在菜單欄中單擊【機床系統(tǒng)】/【銑床】/【默認】命令。②在菜單欄中選擇【刀具路徑】/【平面銑削】命令。系統(tǒng)彈出“串連選項”對話框，單擊“√”確定按鈕。③系統(tǒng)彈出“平面銑削”對話框，打開“刀具管理器”對話框選擇直徑為12mm圓倒角1mm的平底銑刀，單擊“√”確定按鈕返回。④切換到“刀具參數(shù)”選項卡，選中“旋轉(zhuǎn)軸”復選框。⑤單擊“旋轉(zhuǎn)軸”按鈕，進入圖7所示的“旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)定”對話框。

圖7 “旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)定”對話框

6）在“旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)定”對話框的“旋轉(zhuǎn)形式”區(qū)域點選“軸的取代”復選框，在“軸的取代”區(qū)域點選“取代X軸” 復選框，在“旋轉(zhuǎn)方向”區(qū)域點選“逆時針”復選框，在“旋轉(zhuǎn)軸的直徑”輸入框中輸入“40”。

7）單擊“√”確定按鈕返回，切換到“銑削參數(shù)”選項卡，設(shè)置旋轉(zhuǎn)槽加工深度為8mm，選中“P分層銑深”復選框并單擊該按鈕設(shè)置深度分層切削，單擊“√”確定按鈕返回。

8）對話框中其余參數(shù)按照工藝規(guī)定設(shè)置，完成設(shè)置后單擊“√”確定按鈕，生成的左旋螺旋線槽加工刀具路徑如圖8所示。

圖8 左旋螺旋線槽加工刀具路徑

9）生成右旋螺旋線槽刀具路徑。參照操作步驟5），按照工藝規(guī)定進行設(shè)置，完成設(shè)置后單擊“√”確定按鈕，生成的右旋螺旋線槽加工刀具路徑如圖9所示。

圖9 右旋螺旋線槽刀具路徑

圖10 左、右旋螺旋線槽刀具路徑

11）銑削加工過渡圓弧。采用“外形銑削”加工形式，將左、右兩條螺旋線槽連接貫通。加工完成零件實物如圖11所示。

圖11 零件實物

3 噴砂加工

熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預處理的基體表面形成涂層的方法。熱噴涂技術(shù)在普通材料的表面上，制造一個特殊的工作表面，使其達到防腐、耐磨、減摩、抗高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、導電及防微波輻射等多種功能，達到節(jié)約材料、能源目的。

單旋雙向循環(huán)移動螺桿采用金屬陶瓷砂噴砂工藝，優(yōu)先采用此工藝的原因如下。

1）陶瓷砂硬度大，除銹效果好。

2）噴砂處理是較徹底、較通用、較迅速、效率較高的清理方法。

3）陶瓷砂噴砂處理可以在不同表面粗糙度之間任意選擇，而其他工藝無法實現(xiàn)。

4）化學溶劑清理過的表面過于光滑不利于涂層粘接，手工打磨可以打出毛面但速度太慢。

噴砂工藝是利用壓縮空氣動力，把噴砂磨料陶瓷砂、鐵砂等噴射在金屬需要處理的表面上，讓金屬表面發(fā)生一定的變化。在這種沖擊作用下，會讓金屬表面產(chǎn)生不同的表面粗糙度與清潔度，讓金屬性能發(fā)生改變，從而提高金屬工件抗疲勞能力、附著力，延長耐久性。不同零件熱噴涂噴砂時采用的壓縮機壓力、溫度關(guān)系如圖12所示。

圖12 壓縮機壓力、溫度關(guān)系

根據(jù)噴砂工藝的特點，單旋雙向循環(huán)移動螺桿進行噴砂工藝加工步驟如下。①將首尾相連，正反旋向的溝槽形狀表面噴火加熱至一定溫度。②采用壓縮空氣將直徑1～1000μm 的陶瓷沙粒（如Al2O3、Cr2O3、ZrO2、TiO2等）高速噴射到噴涂表面，使其得到一定厚度的涂層。③扁平化時間1 μs，凝固時間2～5 μs，同一位置兩個沉積粒子間隔時間1ms。④工件表面發(fā)生變化，磨料對工件表面的沖擊和切削作用，使工件的表面獲得一定的清潔度和不同的表面粗糙度。⑤工件表面的力學性能得到改善，因此提高了工件的抗疲勞性，增加了它和涂層之間的附著力，延長了涂膜的耐久性。能有機地把金屬材料的強韌性、易加工性和陶瓷材料的耐高溫、耐磨和耐腐蝕等特性結(jié)合起來。

4 結(jié)束語

四軸聯(lián)動加工目前在制造業(yè)的應用越來越廣泛，在任何機加工操作中，切屑控制都是需要考慮的問題，切槽工藝是車削操作的重要組成部分，由于這些工藝的切削區(qū)較為狹窄，因此必須仔細考慮基本刀具形狀、槽形、刀片材料，以及設(shè)置細節(jié)和切削參數(shù)。但在狹窄的空間中，如果切削作業(yè)產(chǎn)生的切屑較薄且難以折斷，則切屑控制就變得更加關(guān)鍵。山高刀具已開發(fā)出了切屑控制槽形，可幫助解決這一問題。

借助山高 JETI（集成 Jetstream）刀具進行切槽加工，能夠優(yōu)化加工工藝，從而最大限度地提高生產(chǎn)率。采用熱噴涂工藝為正反旋向的溝槽進行噴砂加工，可以在單旋雙向循環(huán)移動螺桿旋轉(zhuǎn)工作時，提高抗疲勞、抗蠕變、抗磨損、抗脆性斷裂、抗過載及抗高溫腐蝕能力，是近年來國內(nèi)外比較先進的制作工藝。