鋁合金細(xì)長(zhǎng)絲杠的加工工藝研究

王琨 黃宗寶 武永翠

摘 ?要： 在細(xì)長(zhǎng)絲杠的車削加工過程中，由于其剛性差，在切削力和切削熱的聯(lián)合作用下，極易發(fā)生變形，嚴(yán)重影響了絲杠的加尺寸精度和表面粗糙度。該文通過對(duì)某型號(hào)鋁合金絲杠的加工工藝研究，分別采取了改進(jìn)裝夾方式、選擇合適的刀具材料以及調(diào)整和刀具角度等措施，提出了一種新型加工工藝，突破了鋁合金材料細(xì)長(zhǎng)絲杠的精密加工技術(shù)，可有效保證該產(chǎn)品的加工精度和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞： 鋁合金 ?細(xì)長(zhǎng)絲杠 ?車削加工 ?工藝研究

中圖分類號(hào)：TG146.21 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2020）11（b）-0059-03

Abstract： In the turning process of slender lead screw， due to its poor rigidity， it is easy to deform under the combined action of cutting force and cutting heat， which seriously affects the dimensional accuracy and surface roughness of the lead screw. In this paper， through the research on the processing technology of a certain type of aluminum alloy lead screw， measures such as improving the clamping mode， selecting the appropriate tool material， adjusting and cutting tool angle are adopted， and a new processing technology is proposed， which breaks through the precision processing technology of aluminum alloy material slender lead screw， and can effectively ensure the processing accuracy and production efficiency of the product.

Key Words： Aluminum alloy; Slender lead screw; Turning; Process research

鋁合金制品具有耐腐蝕、比強(qiáng)度高和切削加工性好的特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。鋁合金的剛度僅為碳鋼的1/3，而線膨脹系數(shù)為18.44× ? ?10-6～24.5×10-6（1/℃）是碳鋼的2倍，因此，鋁合金與碳鋼相比具有剛度差、線膨脹系數(shù)高等缺點(diǎn)，不利于精密零件的加工。如果在實(shí)際生產(chǎn)中不能根據(jù)鋁合金的工藝特性采取合適的工藝方法，將很難保證產(chǎn)品精度。

在研制某型號(hào)天線分級(jí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)絲杠時(shí)，發(fā)現(xiàn)其長(zhǎng)徑比為750/20=37.5>25，屬于典型的細(xì)長(zhǎng)軸類零件[1]，外形尺寸具體見圖1。

經(jīng)分析具有以下兩個(gè)加工技術(shù)難點(diǎn)。

（1）尺寸精度755±0.1、Φ18h60-0.011和形位公差直線度0.01的要求均較高。

（2）由于是細(xì)長(zhǎng)桿，該零件本身剛性差，零件螺紋段長(zhǎng)達(dá)560 mm，在車螺紋時(shí)將受到較大的徑向力，多次切削時(shí)易造成工件彎曲的現(xiàn)象，很難達(dá)到技術(shù)要求。

1 ?引起細(xì)長(zhǎng)絲杠發(fā)生變形因素的分析

1.1 切削力不合理導(dǎo)致零件變形

在車削過程中產(chǎn)生的切削力可以分解為軸向切削力PX、徑向切削力PZ，不同的切削力對(duì)車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)產(chǎn)生彎曲變形的影響是不同的[2]。

由于細(xì)長(zhǎng)絲杠的剛性差，平行作用于絲杠徑向水平平面的徑向作用力將會(huì)把絲杠頂彎，將在軸向方向發(fā)生彎曲變形。同時(shí)，垂直作用于絲杠徑向水平方向的軸向切削力會(huì)對(duì)絲杠形成彎矩。對(duì)于車削加工普通零件來(lái)講，可以忽略對(duì)零件精度影響并不大的軸向切削力。而對(duì)于剛性差、穩(wěn)定性也差的細(xì)長(zhǎng)絲杠，軸向切削力很容易把細(xì)長(zhǎng)軸壓彎從而產(chǎn)生縱向彎曲變形。

1.2 加工過程產(chǎn)生切削熱的影響

車削加工產(chǎn)生的切削熱，會(huì)引起工件熱伸長(zhǎng)[3]。而在車削過程中，常常對(duì)零件采用卡盤和尾部頂尖配合的裝卡方式，這兩者的間距是固定不變的。由此將使得加工過程中絲杠受熱引起的伸長(zhǎng)將受到卡盤和頂尖的限制而無(wú)法釋放，最終導(dǎo)致絲杠發(fā)生彎曲變形。

由以上兩點(diǎn)可以看出，通過合理地控制切削力和有效緩解切削熱變形將有利于提高細(xì)長(zhǎng)絲杠的加工精度。

2 ?提高細(xì)長(zhǎng)絲杠加工精度的具體措施

2.1 選擇合適的裝夾方式

在傳統(tǒng)的車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)通常采用兩種裝卡方式：一夾一頂或兩端頂緊。第二種方式的優(yōu)點(diǎn)是定位準(zhǔn)確，同軸度容易得到保證，而在細(xì)長(zhǎng)軸的加工過程中，剛性差將使細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形較大，精度不易保證。因此，加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)通常采用第一種裝卡方式[4]。

此處選用一夾一頂?shù)难b夾方式，在頂尖處采用銅制滾動(dòng)件組成的活動(dòng)空心頂尖，該空心頂尖由銅制帶螺母的彈簧夾頭加一組滾動(dòng)軸承構(gòu)成，可以隨著細(xì)長(zhǎng)絲杠受熱后伸長(zhǎng)而沿著軸向運(yùn)動(dòng)，通過此方法可以有效減少絲杠由于受熱引起的變形量。

2.2 采用合理的加工方法

（1）粗加工時(shí)，用三爪卡盤裝夾零件毛坯，中心架、跟刀架輔助支撐完成外圓及內(nèi)孔的加工。

（2）在半精加工和精加工時(shí)，留工藝夾頭并插入空心頂尖中。

（3）半精加工和精加工時(shí)，用跟刀架、中心架輔助完成外圓及螺紋部分的加工，有效保證同軸度和直線度及尺寸公差要求。

2.3 選擇合適的切削參數(shù)

切削參數(shù)的選擇是否合理，將會(huì)影響切削過程中產(chǎn)生切削力的大小和切削熱的多少。將分別從切削三要素進(jìn)行分析和試驗(yàn)。

2.3.1 切削深度（背吃刀量）

在車削細(xì)長(zhǎng)絲杠時(shí)，為減少車削產(chǎn)生的切削力和切削熱，應(yīng)盡量減少切削深度，再根據(jù)零件毛坯的工序間留量和熱處理后工件的變形情況合理選擇每次進(jìn)刀的吃刀深度。因此，將粗加工時(shí)進(jìn)刀的切深設(shè)為 ?1 mm、半精加工時(shí)進(jìn)刀的切深設(shè)為0.5 mm、精加工時(shí)進(jìn)刀的切深設(shè)為0.1～0.2 mm。

2.3.2 進(jìn)給量

進(jìn)給量越大產(chǎn)生的切削力越大，同時(shí)加工效率也越高。為保證有較高的加工效率，應(yīng)在保證零件較高尺寸精度和較好表面粗糙度的前提下，盡量選取較大的進(jìn)給量。在粗加工時(shí)，進(jìn)給量一般選0.15～0.20 m/min、精加工時(shí)，進(jìn)給量一般選0.08～0.10 m/min。

2.3.3 切削速度

通過實(shí)際加工試驗(yàn)，粗加工該絲杠外圓時(shí)的最佳轉(zhuǎn)速為610 r/min、精加工外圓時(shí)的最佳轉(zhuǎn)速為 ? ? ? ? ? ?500 r/min、車內(nèi)孔的轉(zhuǎn)速為230 r/min、精加工螺紋部分時(shí)最佳轉(zhuǎn)速為96 r/min。

2.4 改造刀具角度

2.4.1 前角

前角的大小影響著切削力、切削熱和切削效率。增大前角將減小被切削金屬層塑性的變形程度，從而降低切削力。為保證車刀有足夠的強(qiáng)度，在車削細(xì)長(zhǎng)絲杠的過程中，將粗加工外圓刀具的前角改造為10°～15°，將精加工外圓刀具的前角改造為15°～20°。

2.4.2 主偏角

主偏角的大小影響3個(gè)切削分力，在細(xì)長(zhǎng)絲杠的實(shí)際加工過程中發(fā)現(xiàn)，增大主偏角時(shí)徑向切削力明顯減小，最后將主偏角設(shè)為93°～95°。

3.4.3 刃傾角

車削時(shí)刀尖強(qiáng)度、3個(gè)切削分力和切屑流向受刃傾角的影響，在車削細(xì)長(zhǎng)絲杠時(shí)，采用正刃傾角為0°～+3°，此時(shí)切屑將流向待加工面從而保護(hù)已加工表面避免受到切屑劃傷。

2.5 跟刀架的使用

由于該絲杠零件的材質(zhì)是鋁合金，為使絲杠加工時(shí)有較好的剛度，在加工過程中應(yīng)一直使用跟刀架，需要特別指出的是，為減少劃傷及降低表面粗糙度，刀架的支撐卡爪應(yīng)采用聚四氟乙烯材料。

2.6 中心架的使用

由于該絲杠零件的同軸度和直線度公差要求較高，在進(jìn)行精加工時(shí)需要使零件處于較小的受力狀態(tài)。因此，在精加工螺紋時(shí)將增加中心架的使用，即用中心架支撐住螺紋根部后再完成螺紋的精加工。為了減少劃傷和降低表面粗糙度，同樣采用聚四氟乙烯棒制作中心架的支撐卡爪。

2.7 冷卻液的選用

考慮到鋁合金的熱膨脹系數(shù)較大這個(gè)特點(diǎn)，在加工過程中要盡可能通過降低工件的溫度來(lái)減小由于切削熱而引起的工件熱應(yīng)力變形，在加工該工件的內(nèi)孔和外圓的過程中，始終采用冷卻效果和潤(rùn)滑效果均較好的乳化液進(jìn)行冷卻，使工件的溫度始終保持在較低的溫度范圍內(nèi)。

3 ?結(jié)語(yǔ)

該文通過選擇合適的裝卡方式、工藝方法以及選用合理的切削參數(shù)，再通過改造刀具及增加跟刀架、中心架的使用，提出一種可以有效保證細(xì)長(zhǎng)絲杠產(chǎn)品質(zhì)量的加工方法。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，通過采取上述工藝措施該型號(hào)細(xì)長(zhǎng)絲杠的尺寸精度及形位公差均滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙勇.細(xì)長(zhǎng)軸車削的動(dòng)誤差及工藝分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（11）：117-118.

[2] 鐘潔萍.細(xì)長(zhǎng)軸車削加工工藝方法分析研究[J].南方金屬，2017（2）：71-74.

[3] 李帥，王建中，王平.高精度細(xì)長(zhǎng)軸零件加工方法的實(shí)現(xiàn)[J].金屬加工（冷加工），2019（5）：60-61.

[4] 蔣燦，李震.細(xì)長(zhǎng)軸車削加工工藝[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（12）：122，126.

[5] 楊震宇.減阻結(jié)構(gòu)化表面磁力拋光的若干問題研究[D].沈陽(yáng)理工大學(xué)，2020.

[6] 張益昆.氮化硅陶瓷球?qū)Ｓ醚心ヒ旱难芯考把b置設(shè)計(jì)[D].河北工程大學(xué)，2020.

[7] 歐陽(yáng)林婷.Q345R制卷焊容器殘余應(yīng)力的電磁超聲測(cè)量研究[D].浙江大學(xué)，2020.