起重機(jī)梯圓螺紋軸的車削加工

某超大噸位起重機(jī)的超起部位采用標(biāo)準(zhǔn)梯圓螺紋軸聯(lián)接，主要用于起重機(jī)超起和副臂處的聯(lián)接，梯形螺紋規(guī)格為TY140×16。該種聯(lián)接方式具有強(qiáng)度高、承載力大及不易斷裂等優(yōu)點(diǎn)，但受其結(jié)構(gòu)形式限制，該工件不易裝夾，螺紋加工難度大，導(dǎo)致該件加工周期長，生產(chǎn)難度大，廢品率高。因此需要對此工件加工方式進(jìn)行研究，制定合理的加工方法，以提升產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品正常生產(chǎn)。1.

工件技術(shù)要求及加工難點(diǎn)（1）工件技術(shù)要求

工件的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，軸外形尺寸為φ260mm×663mm，質(zhì)量87.81kg，螺紋規(guī)格為TY140×16，螺紋具體形式如圖2所示。（2）加工工藝分析

該軸主要采用普通車床加工，具體工藝路線為：下料→銑端面打中心孔→粗車→粗銑→熱處理（調(diào)質(zhì)）→精銑→精車→車螺紋→探傷→鍍鉻→檢驗(yàn)入庫。由于毛坯直徑為260mm，而熱處理層只有35mm，所以粗銑之后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，粗銑之后夾持剛性變差，導(dǎo)致車削振動；若采用數(shù)控車床加工螺紋，宏程序空刀次數(shù)多，初步測算加工時間為12h/件，加工時間較長，且目前數(shù)控車床只配備液壓自定心卡盤，無法夾持其扁尾部分。（3）加工難點(diǎn)

①工件為異形件，無法裝夾，需更改夾爪結(jié)構(gòu)形式。②工件剛性差，需要增強(qiáng)工件裝夾剛性和優(yōu)化切削參數(shù)。③無專用加工刀具，需自行設(shè)計制造非標(biāo)刀具。2.解決辦法針對以上難題，解決辦法有以下幾點(diǎn)。1）通過制定焊接連接或采用單動卡盤找正裝夾方式，解決異形件無法裝夾的問題。2）通過調(diào)整切削參數(shù)，增加支撐剛性，減少外圓、螺紋車削時的振動。3）通過自制左、右側(cè)粗車刀，牙底圓弧成形刀、牙頂圓弧成形刀，解決螺紋無法加工的難題。3.解決方案（1）裝夾方案

根據(jù)起重機(jī)梯圓螺紋軸的特點(diǎn)，粗加工熱處理后，若在圓弧段焊接圓柱，采用一夾一頂?shù)姆桨福ㄒ妶D3），車出工藝臺階，調(diào)頭裝夾，待車削完成后，清除工藝臺階和焊縫。經(jīng)過初步驗(yàn)證，將類似工件拼焊后，使用刻磨機(jī)等手動工具清理焊縫，用時約40min，時間長，且容易破壞工件表面?？紤]到過渡圓弧的長度，用單動卡盤裝夾（見圖4），需要增加夾爪長度50mm，通過在普通軟爪上焊接過渡爪的方式，制作加長夾爪，夾持扁尾處后，再加工起重機(jī)梯圓螺紋軸外圓。（2）機(jī)床調(diào)整和振源規(guī)避

車削中減小振動，需要調(diào)整機(jī)床主軸滾動軸承間隙、中小滑板配合間隙，并降低主軸轉(zhuǎn)速，避開振源頻率，增加車削系統(tǒng)剛性。（3）梯圓螺紋車削及刀具設(shè)計

這部分按照下面幾個步驟進(jìn)行。1）一夾一頂一支撐?？紤]到螺紋車削時切削刃與工件接觸面較大，可在此處使用中心架支撐（見圖5），達(dá)到剛性支撐的目的。

2）選擇螺紋開粗刀與加工路線規(guī)劃?？紤]到切削效率，可采用4mm外圓槽刀進(jìn)行螺紋開粗，受其螺旋升角影響，刀具后角易與工件干涉，所以需要選擇大后角的外圓槽刀，并且要在原有刀具的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡易改制，即在砂輪機(jī)上磨掉圖6所示部分，盡可能避免與工件發(fā)生干涉。加工前，需要將螺紋牙底圓弧切點(diǎn)通過繪圖軟件標(biāo)出安全距離0.17mm，即直徑方向?yàn)?.2mm，并計算出槽刀開粗的最大切削深度。已知螺紋大徑實(shí)際尺寸A為139.9mm，螺紋牙高h(yuǎn)為8.9mm，頂點(diǎn)距離槽切削刃的距離h1為0.82mm，使用4mm槽刀所加工最大切削深度h2為8.08mm，進(jìn)刀底徑尺寸131.82mm。計算過程如下：最大切削深度h2＝螺紋牙高h(yuǎn)－頂點(diǎn)h1＝8.9－0.82＝8.08（mm）。進(jìn)刀底徑尺寸＝螺紋大徑實(shí)際尺寸A－切削深度h2＝139.9－8.08＝131.82（mm）。開粗時，主軸轉(zhuǎn)速宜選為100～125r/min，防止主軸速度過高，未及時退刀造成刀具和工件發(fā)生碰撞。加工時，采用正反車直進(jìn)法，由大至小、循序漸進(jìn)切除相應(yīng)余量，切入5mm以上時，要及時觀察刀具排屑情況。切削液以水溶液為主，可以及時帶走大量切削熱，減小刀具磨損。3）左、右側(cè)粗車刀具設(shè)計與進(jìn)刀路線規(guī)劃。梯圓螺紋牙型兩側(cè)的車削刀具優(yōu)先選擇高速鋼，考慮到刀具前角γo影響切削力、切削溫度和效率，增大前角可以減小切削力，所以在保證車刀強(qiáng)度的前提下，盡量增大前角，一般取γo＝5°～8°。為避免雙刃切削，切削力過大會造成拉刀、扎刀現(xiàn)象，將左、右側(cè)粗車刀具設(shè)計為正反單刃刀，可以有效避免車削時因切削力過大造成拉刀、扎刀問題。通過測繪，已知牙底圓弧弦長6.84mm，左、右側(cè)刀具刀寬為1/2弦長，即3.42mm，實(shí)際尺寸略＜3.42mm，先通過數(shù)控線切割將刀具切割成形（見圖7、圖8），再將刀具磨至3.1mm，并注意避讓螺旋升角。為減小刃磨量，可以將刀具頭部墊起5～7mm，再切除多余部位。粗車右側(cè)牙型，采用分兩層車削的工藝，即移動普通車床小滑板并配合直進(jìn)法，依次遞進(jìn)將右側(cè)殘余切除，便于精加工。粗車左側(cè)牙型，和上述方法一致。4）梯圓螺紋牙底成形刀的設(shè)計和加工路線規(guī)劃。梯圓螺紋牙底成形刀如圖9所示，需要先制作角度檢測樣板，便于刀具刃磨后的檢測，需要保證切削刃處的圓弧與圖樣標(biāo)注的圓弧一致，前角采用γ＝0°，使用線切割切削切削刃。該刀具對刀時，可以先將刀具貼近螺紋牙底，使用肉眼觀測，配合機(jī)床小滑板將刀具移至中心位置，然后將刀具退出。加工時，采用直進(jìn)法，可以逐次進(jìn)給，反復(fù)操作將牙底圓弧余量切除。5）設(shè)計牙頂圓弧成形刀和加工路線規(guī)劃。牙頂圓弧成形刀如圖10所示，需要進(jìn)行樣板制作。該刀具的圓弧要與牙頂圓弧一致，退刀槽為16mm，需要注意刀桿的整體寬度不能超過16mm，刀具過寬不利于安全退刀。切割成形的牙頂圓弧成形刀在刃磨前要先修整砂輪，保持砂輪無跳動；刃磨時，大拇指壓住前刀面，以手腕為中心上下移動，利用砂輪直角將刃口刃磨至與樣板一致。

考慮到還有圓弧弧頂直線部分，可以預(yù)先將螺紋軸的大徑車削至140mm，利用機(jī)床小滑板將刀具移至牙頂中間位置，按下機(jī)床開合螺母，再采用直進(jìn)法將牙頂圓弧連同弧頂直線加工至設(shè)計要求。4.梯圓螺紋軸加工試制通過對其加工工藝進(jìn)行細(xì)致分析，制定加工方案，在試制中，有針對性地根據(jù)上述方案進(jìn)行控制，以保證起重機(jī)梯圓螺紋軸試制的順利進(jìn)行。（1）臺階加工

先進(jìn)行φ150mm處余量檢測，實(shí)測φ153mm，余量3mm。按粗、半精及精加工先后順序分3刀進(jìn)行，粗加工切削參數(shù)為ap＝0.5mm，f＝0.35mm/r，v＝150～165m/min；精加工切削參數(shù)為ap＝0.25mm，f＝0.18mm/r，v＝125～135m/min，精車走兩刀便于控制尺寸，且表面質(zhì)量也比較理想。（2）產(chǎn)品裝夾調(diào)試

在螺紋加工前，將中心架移至φ150mm處，校正后，在架口處滴入潤滑油，增加潤滑度，各支撐要用力適中，防止工件抱死?？梢韵冗M(jìn)行空車試驗(yàn)，確認(rèn)無誤后再進(jìn)行端面車削和倒角加工，并修正中心孔。（3）梯圓螺紋加工

使用槽刀開粗時，切削參數(shù)為ap＝0.2mm，f＝16mm/r，v＝100～125m/min，逐漸遞減切削深度至安全尺寸。梯圓螺紋的牙型兩側(cè)車削三要素為：ap＝0.3mm，f＝16mm/r，v＝75～87m/min。牙底圓弧與兩側(cè)面的精加工，需要根據(jù)不同工況及時調(diào)整切削參數(shù)，防止扎刀、啃刀現(xiàn)象。從以上兩方面考慮，切削速度應(yīng)控制在一定范圍。切削參數(shù)為ap＝0.05mm，f＝16mm/r，v＝75～85m/min，試切中出現(xiàn)微振，使產(chǎn)品存在較大的質(zhì)量隱患，也對設(shè)備造成較大負(fù)擔(dān)，通過使用牙型檢測樣板，結(jié)合透光法檢測，發(fā)現(xiàn)圓弧底部還有余量。通過對精車切削參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，綜合分析后，將精加工切削參數(shù)修改為：ap＝0.05mm，f＝16mm/r，v＝32～44m/min，車3刀，加工表面質(zhì)量較為理想。螺紋頂部圓弧車削三要素為：ap＝0.3mm，f＝16mm/r，v＝85～95m/min，切削深度由大到小遞減。（4）梯圓螺紋的檢測

通過樣板比對，使用梯圓螺母進(jìn)行配合檢測，需要注意檢測時將尾座移至安全距離，工件未經(jīng)檢測禁止拆下，螺母吊起后，只需手動轉(zhuǎn)動卡盤，旋入后，進(jìn)行間隙檢測，合格后取下工件（見圖1