基于山高刀具加工單旋雙向循環移動螺桿優選工藝

葛文軍，俞芬

1. 揚州大學 江蘇揚州 225009

2. 江海職業技術學院 江蘇揚州 225101

1 序言

隨著科技的發展，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。單旋雙向循環移動螺桿（見圖1）是很多現代機械中的關鍵零件，需要在回轉體上加工出首尾相連、正反旋向的溝槽形狀，實現單旋雙向循環移動。其生產工藝方法如下：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四軸聯動銑削加工。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 單旋雙向循環移動螺桿示意

2 加工單旋雙向循環移動螺桿溝槽

加工時利用Mastercam X編程加工回轉體上首尾相連正反旋向的溝槽形狀，通過Mastercam X “旋轉軸的設定”窗口置換X軸或Y軸的功能，將“三軸”問題轉換成“四軸”刀具路徑，實現四軸聯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移動螺桿的編程。

2）加工四軸聯動工件，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控轉盤裝置，車削加工中只需把刀塔（C軸）安裝上旋轉的刀架就可以實現。編好程序后傳輸到機床，使主軸與刀架同步運動，實現四軸聯動加工螺桿。

（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，關閉其他圖素的圖層，結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?雙飛流刀具根據具體工藝可通過開關優化，噴出切削液進行冷卻，以實現最佳性能。刀柄尺寸25 mm ×25mm，切削參數：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。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域。

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

1）生成螺旋槽輪廓的刀具路徑。需要經過轉換計算，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，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換設置的旋轉軸得到變螺距螺桿的加工軌跡?？梢院唵蔚貙⑺妮S問題轉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，實現單旋雙向循環移動的功能，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】/【銑床】/【默認】命令。②在菜單欄中選擇【刀具路徑】/【平面銑削】命令。系統彈出“串連選項”對話框，單擊“√”確定按鈕。③系統彈出“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”選項卡，選中“旋轉軸”復選框。⑤單擊“旋轉軸”按鈕，進入圖7所示的“旋轉軸的設定”對話框。

圖7 “旋轉軸的設定”對話框

6）在“旋轉軸的設定”對話框的“旋轉形式”區域點選“軸的取代”復選框，在“軸的取代”區域點選“取代X軸” 復選框，在“旋轉方向”區域點選“逆時針”復選框，在“旋轉軸的直徑”輸入框中輸入“40”。

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

8）對話框中其余參數按照工藝規定設置，完成設置后單擊“√”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），按照工藝規定進行設置，完成設置后單擊“√”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

熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態，并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表面形成涂層的方法。熱噴涂技術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，達到節約材料、能源目的。

單旋雙向循環移動螺桿采用金屬陶瓷砂噴砂工藝，優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。

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，讓金屬表面發生一定的變化。在這種沖擊作用下，會讓金屬表面產生不同的表面粗糙度與清潔度，讓金屬性能發生改變，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、溫度關系如圖12所示。

圖12 壓縮機壓力、溫度關系

根據噴砂工藝的特點，單旋雙向循環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合起來。

4 結束語

四軸聯動加工目前在制造業的應用越來越廣泛，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，以及設置細節和切削參數。但在狹窄的空間中，如果切削作業產生的切屑較薄且難以折斷，則切屑控制就變得更加關鍵。山高刀具已開發出了切屑控制槽形，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，能夠優化加工工藝，從而最大限度地提高生產率。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移動螺桿旋轉工作時，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，是近年來國內外比較先進的制作工藝。