孫名楷 李安 李建清

摘 要：螺紋的加工方式一般分為攻絲、車(chē)削和銑削，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，需要根據(jù)基體材料、螺紋大小和深度的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的加工方式。本文以采用鍛鋼為材料的G32柴油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等為例，從加工效率、成本、加工質(zhì)量等方面對(duì)各種加工方式的優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比，并著重闡述銑削螺紋的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：螺紋銑削；刀具耐用度；加工質(zhì)量；加工效率

由于技術(shù)的發(fā)展以及市場(chǎng)的變化，船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品系列從過(guò)去的300、320、230發(fā)展到如今比較先進(jìn)的G32。多年來(lái)，隨著產(chǎn)品單位功率的不斷提升，以及對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性及耐用性要求的日益提升，對(duì)于曲軸等部件的剛度、強(qiáng)度、耐疲勞等方面的要求也越來(lái)越高。

發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸如圖1所示，由于在工作過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)于動(dòng)平衡的要求較高，一般都是采用在曲軸上附加平衡塊的方式，來(lái)調(diào)節(jié)曲軸的動(dòng)平衡性能。而在通常情況下，平衡塊大都是以螺紋聯(lián)接的方式安裝在曲軸上，如圖2、3所示，其中圖2-a為曲軸平衡塊安裝位置加工完畢后的螺孔，圖2-b為在曲軸上安裝雙頭螺柱。圖3-a為平衡塊在曲軸上的碼合示意圖，圖3-b為平衡塊碼合現(xiàn)場(chǎng)圖。

通常情況下，在加工時(shí)都會(huì)優(yōu)先選用攻螺紋的方式，尤其是在基體材料為鑄鐵、螺紋公稱(chēng)直徑小、導(dǎo)程小、旋合長(zhǎng)度短、對(duì)于螺紋精度、垂直度要求不高的情況下。然而，采用42CrMoA鍛鋼材料的G32曲軸，需要加工M45X3-6H的螺紋（盲孔），螺紋深度達(dá)60mm，基體材料加工難度大、螺紋公稱(chēng)直徑大，且為了保證聯(lián)接質(zhì)量，對(duì)于垂直度要求高。在這種情況下，選擇攻螺紋就不很理想了。為了找到高效、高質(zhì)量、相對(duì)低成本的加工方式，筆者及技術(shù)團(tuán)隊(duì)就該螺紋的加工進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)（不討論聯(lián)接面的銑削、螺紋底孔加工）。

1 攻螺紋

因?yàn)槁菁y尺寸較大，所以采用頭攻、二攻和三攻的方式進(jìn)行。在加工過(guò)程中，為了冷卻和排屑，需多次退刀，并輔以人工清理（盲孔），加工效率極低。一般完整加工一條曲軸需要三班制連續(xù)工作一個(gè)星期。且在加工過(guò)程中，因切削力大，基體材料有一定的粘性，多次出現(xiàn)絲錐卡死、甚至崩斷的情況，給加工過(guò)程造成極大的困擾。

對(duì)照設(shè)計(jì)要求螺紋孔對(duì)聯(lián)接面⊥0.2，要求聯(lián)接面接觸面積≥60%，在試切削加工完畢后進(jìn)行實(shí)測(cè)，符合相關(guān)圖紙的設(shè)計(jì)要求。但經(jīng)過(guò)多次加工后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)攻絲加工螺紋，比較容易出現(xiàn)垂直度超差，從而使得旋合長(zhǎng)度、平衡塊與曲軸聯(lián)接面不符合要求的情況。

2 銑削螺紋

鑒于攻螺紋不理想，筆者及技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始嘗試采用銑削的方式加工螺紋，主要過(guò)程如下：

2.1 采用整體式螺紋銑刀加工

為保證加工質(zhì)量，并在一定程度上提升刀具的耐用度，加工時(shí)采用含Co整體高速鋼材料，帶TiAlN涂層的整體螺紋銑刀，外形如圖4所示。

采用整體式螺紋銑刀可以在一定程度上提供生產(chǎn)效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。在進(jìn)行產(chǎn)品試制的過(guò)程中，平均大概25min可以加工完一個(gè)螺紋孔。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，新刀基本上可以保證加工的質(zhì)量，到第四個(gè)孔以后，容易發(fā)生超差，一般需要修改刀具補(bǔ)償值后，再用原加工程序補(bǔ)走一刀。

當(dāng)螺紋孔深度比較大時(shí)，因刀具整體受力大，容易產(chǎn)品彎曲變形，故會(huì)產(chǎn)生錐度，需要嚴(yán)格控制刀具伸出部分的長(zhǎng)度，盡量降低錐度。另外，整體式螺紋銑刀在加工過(guò)程中，所有刀刃均在加工，排屑不暢和冷卻不到位，損耗比較快，而且因?yàn)槿心ゴ嬖陔y度，一般無(wú)返修的價(jià)值。

經(jīng)過(guò)在其他公稱(chēng)直徑和深度的螺紋孔上進(jìn)行加工，我們得出結(jié)論：整體式螺紋銑刀優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，裝夾和校正便捷，比較適合加工中、小直徑，深度較短的螺紋。但不很適合類(lèi)似G32曲軸上面M45X3-6H這類(lèi)螺紋的加工。

2.2 采用多槽可轉(zhuǎn)位螺紋銑刀加工

綜合考慮所加工的基體材料等，選擇型號(hào)為BRTMC2530-80S4的刀桿，以及硬質(zhì)合金外敷TiCN（金屬陶瓷）的刀片，外觀如圖5所示。經(jīng)查驗(yàn)資料，這種涂層材料比氮化鈦涂層硬度高，耐磨性好，而且進(jìn)給速度和切削速度分別高出40%和60%。

實(shí)際加工過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，在許可的切削速度下，涂敷金屬陶瓷的刀片去除材料效率高，而且表面粗糙度質(zhì)量高。通常情況下，加工1個(gè)螺紋孔需要26min。刀具可連續(xù)加工48個(gè)螺紋孔，但從第6個(gè)螺紋孔開(kāi)始容易產(chǎn)生偏差，需要修改刀補(bǔ)后再走一程。

相比使用整體式螺紋銑刀加工來(lái)說(shuō)，多槽可轉(zhuǎn)位螺紋銑刀加工單孔螺紋的時(shí)間略長(zhǎng)，但因?yàn)榈镀鄬?duì)耐用，需要的輔助時(shí)間少，所以整體加工效率進(jìn)一步提升。另外由于實(shí)際參與切削的刀具齒數(shù)少，刀具受力相比小，變形小，加工精度和表面質(zhì)量也比較高。另外，在刀片失效后，只需更換刀片即可，大大降低了使用的成本。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，多槽可轉(zhuǎn)位螺紋銑刀加工效率高，在機(jī)床主軸功率足夠大，排屑和冷卻條件良好的前提下，比較適合用于螺紋孔的加工。

2.3 采用單齒螺紋銑刀加工

單齒螺紋銑刀又稱(chēng)深孔加工螺紋銑刀，外觀如圖6所示。通常在刀桿徑向上分布2-4個(gè)加工刀片。與傳統(tǒng)螺紋銑刀不同的是，因傳統(tǒng)螺紋銑刀刀刃上有多個(gè)螺紋加工齒，加工過(guò)程刀具與工具接觸面積大，受力也大，從而導(dǎo)致刀桿撓度增加，影響加工質(zhì)量，而單齒螺紋銑刀則在一定程度上解決了這個(gè)問(wèn)題。

為了提高加工效率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，同時(shí)也具備可比性，單齒螺紋銑刀刀片也采用硬質(zhì)合金外敷TiCN。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，加工1個(gè)螺紋孔大概用時(shí)27min。刀具基本上可以連續(xù)加工48個(gè)螺孔，并且基本不用做調(diào)整即可以滿(mǎn)足尺寸和形狀精度的要求。

同理，相對(duì)于多槽可轉(zhuǎn)位螺紋銑刀來(lái)說(shuō)，單齒螺紋銑刀加工單孔的時(shí)間略長(zhǎng)（加工速度高，但同時(shí)參與切削的齒少），但其加工的質(zhì)量更加穩(wěn)定，大大減少輔助加工時(shí)間，刀片成本更加低廉，整體上來(lái)說(shuō)還是更加優(yōu)越的。

3 各種螺紋加工形式對(duì)比

為便于討論，現(xiàn)將上述螺紋加工方式的基本情況整理列表如下（表1：加工效率和質(zhì)量，表2：刀具損耗成本，表3：綜合評(píng)價(jià)），從加工效率和質(zhì)量、刀具損耗成本等方面進(jìn)行比對(duì)。通過(guò)比對(duì)不難看出，四種不同的加工方式加工G32曲軸平衡塊的螺紋孔，采用單齒螺紋銑刀最適合。

綜上所述，在加工G32曲軸平衡塊聯(lián)接螺紋等較大尺寸、基體材料比較難加工、對(duì)精度要求較高的螺紋時(shí)，銑削螺紋比攻螺紋好。與此同時(shí)，綜合考慮加工成本、質(zhì)量和效率，采用單齒螺紋銑刀加工的效果最佳。

4 結(jié)論

在實(shí)際生產(chǎn)中，要綜合考慮基體材料、螺紋公稱(chēng)直徑、螺紋長(zhǎng)度、冷卻方式等因素，采用相對(duì)應(yīng)的加工方式，切不可以偏概全。通過(guò)實(shí)際加工試驗(yàn)，比對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以找到比較適合加工某類(lèi)螺紋孔工藝。

另外，在查詢(xún)各類(lèi)文獻(xiàn)和與其他企業(yè)交流生產(chǎn)工藝規(guī)范時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，目前銑削螺紋的應(yīng)用還不是特別廣泛，在某些專(zhuān)業(yè)和工藝標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)中，甚至沒(méi)有提及螺紋銑削。然而，在當(dāng)前加工制造業(yè)高速發(fā)展的今天，很多大規(guī)格、難加工材料的螺紋，已經(jīng)廣泛使用銑削螺紋的方式進(jìn)行加工。

必須說(shuō)明的是，無(wú)論是何種途徑加工螺紋，冷卻都是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。本文所加工的G32曲軸的螺紋孔，因?yàn)榈毒吒咚傩D(zhuǎn)，又是盲孔，采用外部冷卻時(shí)冷卻液難以進(jìn)入加工區(qū)域，基本起不到冷卻的作用，所以都是采用內(nèi)部冷卻的方式。與此同時(shí)，刀具的剛性對(duì)于加工質(zhì)量也非常重要，一般來(lái)說(shuō)，加工螺紋的長(zhǎng)徑比不宜超過(guò)3，如果超過(guò)，需要采用其他輔助方式進(jìn)行加工，避免出現(xiàn)垂直度超差、圓柱度超差、表面粗糙度不滿(mǎn)足要求等。另外，即使長(zhǎng)徑比不超差，刀桿的外伸長(zhǎng)度也應(yīng)該盡量短。

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