薄壁零件螺紋加工減振方法

王永軍，萬聰

山西平陽重工機械有限責任公司 山西臨汾 043000

1 序言

螺紋聯接在各行各業的應用非常廣泛，螺紋本身的加工在機械制造中不算難，加工方法有很多而且都比較成熟。螺紋處于零件中的形狀、位置不同，其加工的難度就會有很大不同，比如薄壁類零件上的螺紋，由于零件本身剛性差、強度弱，在螺紋加工過程中會產生強烈的振動[1]，導致螺紋加工后產生振刀紋，尺寸和表面粗糙度都達不到工藝要求。如何采取有效的措施去解決此類加工問題，本文通過具體加工實例，介紹了一種薄壁零件螺紋的加工過程，探索了不同的解決辦法，最終攻克了加工難題。

2 技術背景

2.1 問題描述

公司承攬某產品薄壁型殼體零件（見圖1）的加工任務，零件材料為20Cr13，壁厚只有3mm。在對該殼體內腔M172×3-7H螺紋車削時，由于零件本身剛性差、強度弱，所以加工過程中產生強烈振動，導致螺紋加工后產生嚴重的振刀紋，無法保證產品質量。

圖1 薄壁型殼體零件結構

2.2 問題分析

目前國內外關于薄壁零件加工穩定性的研究有很多，大致把切削加工過程中產生的振動按其性質分為三種來源：自由振動、強迫振動和自激振動。第一種是由于在切削過程中，加工系統受到某一偶然的沖擊擾動引起，但因加工系統本身的阻尼作用會很快消失；第二種是由于切削過程本身的斷續性、切屑形成的不連續性、外部的周期性或非周期性干擾力引起；第三種又稱為顫振，為金屬切削加工過程所特有，是指在沒有周期性外力作用下，單純由加工系統本身特性所激起的一種劇烈振動，屬于切削過程動態不穩定的性質[2]。

我們遇到的問題屬于第三種情況，此種情況產生的振動來自于加工系統本身，防振消振十分困難，對切削加工也最為重要。刀具在切削工件時發生振動需要有下面三個條件同時存在：一是工藝系統剛性不足，導致其固有頻率低；二是切削產生了足夠大的外激力；三是這個外激力的頻率與工藝系統的固有頻率相同，隨即產生共振。根據加工時的聲音和表面質量來判斷，高頻振動類似哨聲，加工表面似起皺的絲綢，一般小直徑細長刀桿或者薄壁工件進行高轉速切削時容易產生；中頻振動類似汽車的嗚嗚聲，加工表面類似魚鱗，一般中等直徑刀桿中低轉速，刀桿長徑比超過5，刀桿振動產生；低頻振動類似蛙鳴，加工表面類似魚鱗，但是之間的波紋很大又平緩，大型結構工件產生自振，如大的殼體，若是刀桿同時振動，可能是刀頭過重而且刀桿連接部位配合不好，同時刀桿總長超長，轉速通常在100r/min以下。基于上述理論，我們采取調整切削參數、提高工藝系統剛性等對應的措施進行實際驗證，尋求最為合適的解決辦法。

3 解決方法探索

3.1 初步解決方案

根據對零件結構的分析，基于問題分析中的理論依據，研究制定對策，對該產品采用了以下方法進行試加工[3]。

1）調整切削參數。通過降低車削螺紋時的切削速度，減少或增加螺紋進刀數量等方法，減振不明顯。降低切削速度雖有所好轉，但加工效率極低，螺紋表面粗糙度仍達不到圖樣設計要求。

2）采用在零件內壁粘貼橡膠材料的方法試圖加強零件的剛性、吸收振動波，經過實際驗證，振動依舊，效果不明顯。

3）采用在螺紋加工處的外圓架設中心架支撐，但由于產品壁厚較薄，還是會產生較大振動。若中心架靠工件端面太近，中心架自身較寬，導致刀桿伸出太長，刀桿剛性降低，也會導致較大振動。

3.2 改進解決方案

通過以上方法進行試加工后，發現前期減振方法作用點都不在螺紋加工處，或者離螺紋加工處太遠，都不能起到很好的減振效果，因此對減振方法進行改進。

該減振方法是在螺紋加工處外圓加強零件的剛性[4]，設計工裝（見圖2）。該工裝由本體和螺釘組成，采用鋼材料，先加工成圓環，再加工10mm寬的缺口，便于安裝和夾緊，在開口環處一側加工兩處M16的螺紋孔，另一側加工兩處φ28mm的臺階孔，并用兩個M16的內六角圓柱頭螺釘緊固。

圖2 工裝

在車削螺紋時首先架設中心架支撐零件外圓，然后將該工裝安裝于螺紋加工處外圓，并用螺釘固定（見圖3），進行螺紋加工[5]。該方法能有效加強螺紋加工處的強度和剛性，起到了很好的減振效果。螺紋加工完后取下工裝，再進行其余尺寸的加工。

圖3 中心架支撐零件外圓

用該方法加工完產品后進行檢驗，完全符合圖樣要求，并對其余100多件產品加工，全部滿足圖樣要求，使用該減振方法前后效果對比如圖4所示。該方法不僅有效保證了產品的加工質量，也大大地提高了產品的生產效率。

圖4 加工效果對比

4 結束語

本文在薄壁零件螺紋加工中對多種減振方法進行了探索，最后通過設計工裝加強螺紋加工處的剛性，完美解決了加工難題。該方法不僅保證了產品的加工質量，也大大提高了產品的生產效率，為后期大批量生產創造了條件，同時也為類似零件的加工提供了借鑒。