封閉深孔多頭內螺旋槽數控工藝改進

韓利萍，陳 龍，李國華,李 鵬,何德勝

（山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046012）

引言

封閉深孔多頭內螺旋槽型結構夾緊塊零件在加工過程中，采用傳統車削加工時，封閉多頭螺旋槽，由于加工區域冗余空間小，導致加工區域排屑不暢，散熱效果差，自制的小直徑R刀具剛性弱，加工一致性差，裝夾繁瑣等因素導致加工質量差，生產效率低，嚴重制約生產進度，因此對此類零件進行工藝創新性研究有極大的意義和應用價值。本文在使用以銑代車加工方法的基礎上，綜合采用改變零件毛坯尺寸，選擇小直徑硬質合金銑刀，優化編程方案等針對性措施，有效解決了封閉深孔多頭內螺旋槽型結構夾緊塊加工難題，確保了質量穩定和生產效率的提升。

1.1 零件結構簡介

某產品零件夾緊塊（如圖1）尺寸為90 mm×19 mm×61 mm，零件內部圍繞著Φ23 mm內孔軸線方向形成6條互為60°的形狀一致的R3 mm螺旋槽，導程144 mm，每條螺旋槽的孔徑均為Φ6 mm，孔深卻長達90 mm，屬于典型的封閉深孔多頭內螺旋槽，零件圖如圖1所示。

圖1 零件示意圖

1.2 加工難點分析

傳統加工工藝采取車削和銑削共同完成，首先安排數控銑削外形（2件一起加工，厚度下料為56 mm），安排數控車削工序車削6頭R3 mm內螺旋槽，然后線切割工序將沿厚度50 mm中心位置工件切割一分為二，最后數控銑削工序銑成厚度19 mm，保證相應尺寸。針對該零件加工難點分析有以下幾點：

1）封閉深孔內螺旋槽加工排屑不暢。由于螺旋槽孔徑為Φ6 mm，孔深卻長達90 mm，屬于典型的深孔內螺旋槽，加工中受到（超深細長孔內螺旋線為空間曲線）的深孔內螺旋的工藝復雜性和加工條件的惡劣性（排屑不暢，散熱困難，被加工面加工過程難以檢測）等多種條件的影響，加工效率較低。

2）R3 mm內孔車刀剛性差且磨損嚴重。目前無成型車刀，數控車削工序在加工6頭螺旋槽R3 mm時，需要磨制R3 mm內孔刀，內孔刀一致性較差、剛性差且磨損較快，切削過程中出現嚴重的讓刀現象，成品呈現螺旋槽深度不均勻（進刀孔口大，出刀孔口小），一次交驗合格率較低。

3）深槽分層車削加工效率低。數控車削過程中采用編制變量程序，完成分層加工螺旋槽（R3 mm的槽深分層車削時，每次只能工進0.1 mm，進給速度為100 r/min），同時受操作者加工經驗水平參差不齊的影響，加工效率和加工質量較低。

4）非圓零件車削裝夾需要借助輔助工裝，調整時間長。

鑒于以上實際生產過程中車削深孔內螺旋的工藝復雜性、加工條件的惡劣性、加工質量的不穩定性、加工成本較高、加工效率低等諸多問題，急需改進工藝方法，從而保證零件加工質量。

2 工藝解決方案

針對夾緊塊零件的螺旋槽加工難題，對其工藝方法進行改進優化。結合零件特點制定解決方案，取消數控車削工序和線切割工序，以銑代車，采取合并數控銑削工序一次加工完成。零件毛坯只需原來1/2厚度,改封閉槽車削為開放槽銑削解決排屑不暢問題，選擇小直徑硬質合金球頭銑刀，切削深度僅為7 mm，分層切削刀具剛性好，加工效率有效提升。

2.1 將封閉槽改為開放槽，解決排屑不暢問題

安排銑削工藝加工，螺旋槽孔徑仍為Φ6 mm，銑削的最深尺寸是7 mm，零件毛坯只需原來1/2厚度,原封閉槽車削改為現開放槽銑削，可有效解決排屑不暢和加工區域散熱問題，可用R規測量槽徑尺寸精度。

2.2 選用小直徑硬質合金銑刀

數控銑削采用伊斯卡Φ6 mm硬質合金球頭銑刀（切削深度僅為7 mm、剛性好、涂層刀具耐磨損）可更換加工一致性好，有效控制了螺旋槽尺寸不一致的瓶頸，加工質量穩定可靠。

2.3 選用通用平口鉗夾具銑削裝夾

數控銑削時裝夾方形零件采用通用平口鉗夾具定位裝夾，且裝夾和定位操作簡單方便。

2.4 采用分層銑削螺旋槽加工

采用分層加工螺旋槽，每次工進0.3 mm，進給速度為1 200 r/min，是車削加工的數倍，且加工過程切削穩定，操作者均能很快掌握。

2.5 改進編程方案

銑削編程可采取NC編程或NX軟件編程兩種解決方案。

2.5.1 方案一

NC編程時應用螺旋槽空間曲線參數方程編制子程序，然后通過子程序調用和坐標系平移來完成程序的編制；夾緊塊零件的內部結構為6條沿內徑分布的形狀一致的螺旋槽，NC編程時，應用內螺旋槽空間參數方程定義內螺旋的空間的坐標關系，編制螺旋槽加工程序。可以通過采用子程序調用和坐標系平移來簡化程序的編制。先選定坐標系（如圖2），完成銑削一次螺旋槽程序的編制，然后將此程序作為子程序，銑削一次后，再采用坐標系平移指令，調用子程序，完成其余螺旋槽的加工。

圖2 編程坐標系示意圖

內螺旋的空間曲線參數方程（應用西門子802D系統）為：

2.5.2 方案二

NX軟件編程應用建模功能繪制出所要加工的螺旋槽的數學模型，建立加工坐標系，根據螺旋槽的尺寸，選擇刀具，確定螺旋槽型型腔加工策略，計算刀心軌跡，由軟件生成加工路徑并由后處理轉化為機床可識別的代碼，傳輸給機床進行切削。

1）構造螺旋槽的數學模型。進入建模界面（如圖3），建立坐標系→進入草圖環境→繪制草圖→拉伸→建立基準坐標系→繪制螺旋線→在截面上建立基準平面→繪制草圖→掃掠→實體幾何體→求差→拉伸→邊倒圓→倒斜面→完成。

圖3 NX建模示意圖

2）創建型腔銑操作（粗加工）和創建輪廓區域操作（精加工）。點擊“開始”進入“加工”界面，點擊“操作導航器”，建立型腔銑操作；在對話框中選刀具，建立球頭銑刀（直徑Φ6 mm），拔模角度選0°；在對話框中選“區域銑削”，確定；在驅動方式界面中，切削類選“往復銑”，步進選“刀具半徑”，百分比選75%，確定；切削區域選擇將要加工的側壁面，確定；刀軸選擇“+ZM軸”點“切削”精銑選部件余量為0；點“非切削的”進刀中距離選項15 mm，點圖標進給率選1200 mm，選主軸速度2 000 r/min;在主界面圖標選“修剪”，選擇“曲線邊界”，修剪側選項“外部”，確定；在主界面點圖標“生成”，生成掃描加工軌跡；2D模擬驗證加工區域，使用后處理生成程序，即可加工螺旋槽（如圖4）。

圖4 NX加工軌跡生成示意圖

2.6 實施效果

運用新方法，山西航天清華裝備有限責任公司順利完成了夾緊塊螺旋槽（如圖5）的加工，無一例因零件尺寸超差而造成報廢和返修。通過實施效果對比（見表1）可知，與傳統加工方法相比，這是一種可靠且高效的新方法。該方法操作簡單，加工成本低，適用于類似的內螺旋槽的加工，具有良好的應用和實用價值。當加工不同螺距的螺旋槽時，只需要改變工件實體模型或者更改參數方程的數值即可，為同類零件的加工提供了有益的參考。

圖5 零件加工圖

表1 改進前后實施效果對比表

3 結語

經過現場驗證效果很好，有效解決了夾緊塊零件難加工螺旋槽的加工瓶頸。不僅使生產效率成倍提高、生產成本大幅降低，更重要的是零件質量的穩定性得到有效改善，且操作者掌握應用變得簡單易行。