范素芬

廣東工業(yè)大學(xué) 廣東廣州 510006

小直徑、不銹鋼螺紋的車加工對策與方法

范素芬

廣東工業(yè)大學(xué) 廣東廣州 510006

細(xì)長軸和螺紋都是車削加工的難點(diǎn)，車小直徑、不銹鋼螺紋則更加困難。以無碳小車車軸的數(shù)控加工為例，介紹了針對小直徑不銹鋼螺紋從刀具、切削用量和潤滑液選擇等方面的具體對策，并詳述了輔助頂固夾具制作方法及加工代碼的編制。

不銹鋼車軸；小直徑螺紋；懸臂式頂固夾具；加工代碼

含12%以上鉻元素的鋼材稱為不銹鋼，對水和酸堿具有較強(qiáng)的耐腐蝕性。由于添加化學(xué)成分和成型條件各異，不同種類的不銹鋼其機(jī)械性能、切削難度也不同。圓形不銹鋼棒光潔的表面，熱強(qiáng)度高、韌性大的特點(diǎn)，非常適合作為小型的車軸線用材。眾所周知，細(xì)長軸和螺紋都是車削加工的難點(diǎn)，車小直徑不銹鋼車軸則需要解決更多問題。以下以一項(xiàng)無碳小車不銹鋼車軸的加工實(shí)例，介紹車制小直徑不銹鋼螺紋的具體對策和實(shí)現(xiàn)方法。[1]

1 車削細(xì)長不銹鋼螺紋的難點(diǎn)

參加某項(xiàng)比賽的無碳小車的車軸需加工如圖1所示的直螺紋。

圖1 不銹鋼車軸螺紋

軸的形狀和尺寸數(shù)據(jù)比較簡單，材料直接采用φ6 mm的不銹鋼車軸線。特別之處在于，考慮到車軸與輪體的裝配垂直度和外觀因素，螺紋與車軸中心平行度要求較高并且軸端面不能鉆頂尖孔。

用戶方在數(shù)控加工之前，已經(jīng)用普通車床試車過幾次。用高速鋼螺紋刀加工時(shí)車到第二刀時(shí)刀尖繃斷；改用60°YT15硬質(zhì)合金刀，由于細(xì)長的不銹鋼車軸硬而兼具韌性，又不能用尾座裝頂尖在前端進(jìn)行固定，車削時(shí)軸鋼向后上方跳動避刀，車出來的螺紋前淺后深，牙形也呈現(xiàn)不均勻崩裂狀；后來嘗試用最低速(25 r/min)車出一道螺紋淺槽，再采用板牙鉗工鉸制螺紋，結(jié)果板牙進(jìn)到1/3處前段的刃齒就全斷裂了。

2 不銹鋼軸車削的分析與對策

經(jīng)查詢，不銹鋼車軸線型號是302。302不銹鋼棒材廣泛用于汽車配件、航空、航天、化工行業(yè)的工藝品、軸承、滑花、儀表、電器以及五金工具等。302型屬于奧氏體類不銹鋼，與304比較接近，302的硬度更高(HRC≤28)，具有良好的防銹及防腐性。[2]

奧氏體類不銹鋼其硬度和抗拉強(qiáng)度只相當(dāng)于40號鋼。在切削過程中，刀尖對工件的擠壓作用會使切削區(qū)金屬產(chǎn)生晶格內(nèi)的滑移畸變，車削后材料組織致密，形成幾十到幾百微米不等的硬化層，切削硬度一般也會增加2～3倍。且不銹鋼延伸率、斷面收縮率和沖擊值比較高。不銹鋼在高溫下的強(qiáng)度降低較少，例如45號鋼在500°時(shí)其持久強(qiáng)度為7 kg/mm2，而1Cr18Ni9Ti在550°時(shí)其持久強(qiáng)度仍保持在19～24 kg/mm2。不銹鋼切削比普通碳素鋼難加工，其熱強(qiáng)度高是一個(gè)極其重要的因素。

每次走刀所產(chǎn)生的硬化層會進(jìn)一步妨礙了下次進(jìn)刀切削，導(dǎo)致刀尖和主刀刃特別容易磨損；同時(shí)切削過程中的振動會加速刀刃的崩損。前端切削碎屑不能迅速排出，很容易牢固地黏附或熔著在刀刃上，形成積屑瘤。切削熱無法傳導(dǎo)到切屑上，傳入的刀具總熱量大比切普通碳素鋼多3～5倍。加之刀具形狀因受螺紋截面的限制，本身強(qiáng)度較差，切削刃在局部高溫下燒壞失去切削性能更易斷裂，造成加工表面粗糙度惡化。[2]

以上分析表明，完成細(xì)長不銹鋼螺紋加工，必須從切得動與切得好兩方面解決。擬采取以下有針對性的對策。

(1)螺紋車刀的材質(zhì)和形狀非常關(guān)鍵。前角小刀刃不夠鋒利，切屑不能被切斷，而是被擠壓或部分撕裂，造成螺紋表面非常粗糙；前角太大，刀刃本身強(qiáng)度削弱且容易磨損、扎刀，更易引起振動而使螺紋表面產(chǎn)生波紋。因此，不同材質(zhì)的不銹鋼應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)那敖?。另外，螺紋刀兩側(cè)刃后角太小，與后面的螺紋表面相摩擦使加工表面惡化，切削之前還須考慮螺紋旋轉(zhuǎn)角對兩側(cè)刃實(shí)際后角的影響。

為此專門購置了YG532硬質(zhì)合金的60°數(shù)控螺紋車刀。YG532硬性高，韌性好，抗粘能力強(qiáng)，適用于奧氏體、馬氏體不銹鋼、無磁鋼、高溫合金鋼等大型工件的粗、精加工；合金耐用度高，高溫性好，被加工工件表面質(zhì)量高。

(2)為解決不銹鋼細(xì)長軸擺動讓刀和車削中震動問題，研究改進(jìn)了裝夾方法，并設(shè)計(jì)制作一套克服車削中擺動與震動的懸臂式輔助頂持固定夾具(詳見下節(jié))。

(3)切削用量也是直接影響螺紋加工的因素。為了避免刀具磨損，每刀進(jìn)給量不應(yīng)少于0.05 mm，但過深刀尖會崩碎。精加工的切削余量宜留0.1 mm，第一次的切深應(yīng)是刀尖半徑(R)的150～200%，最大不能超過0.5 mm，對于奧氏體不銹鋼應(yīng)避免少于0.08 mm的每刀進(jìn)給量。

(4)車削不銹鋼過程中由于材料韌性強(qiáng)，切屑黏結(jié)不離導(dǎo)致積屑成瘤。澆注的冷卻液除了具備較佳的冷卻和潤滑性能，還須具有良好的滲透性。既迅速帶走熱量，又能滲入金屬區(qū)的微隙中剝離切屑。[3]車不銹鋼螺紋采用F43號機(jī)油潤滑效果最佳。

3 夾持方式的改進(jìn)與輔助夾具制作

為了解決車削中不銹鋼軸擺動讓刀和震動問題，我們將數(shù)控車床大拖板的極限行程向-Z方向延伸調(diào)整，并卸下了四方刀架上的4#車刀。如此一來，3#螺紋刀可以走到距卡盤三爪8 mm處，裝夾時(shí)細(xì)長車軸鋼僅需伸出螺紋總長加8～10 mm安全余量。此時(shí)，編程時(shí)將螺紋加工長度延長了3 mm，取消了原圖紙方案安排的工藝退刀槽。上述改進(jìn)有效提高夾持細(xì)長軸的剛性，控制了不銹鋼軸受切削力擺動讓刀的幅度。

經(jīng)驗(yàn)證明，合理選擇輔助固定工夾具往往能達(dá)至事半功倍效果。從切削受力點(diǎn)的反方向進(jìn)行支撐，才能克服擺動的問題?？s短軸的伸出長度后，中心架的作用已被卡盤代替；往復(fù)進(jìn)刀的螺紋切削更沒有跟刀架空間[3]。有鑒于此，筆者專門研究試制了一套懸臂式的輔助頂持固定的工夾具。數(shù)控車床上原配裝有顯微鏡對刀儀的安裝座，將其移裝到卡盤后方作為新夾具固定在床頭箱上的支撐座，巧妙地避開了旋轉(zhuǎn)的卡盤和刀架的走刀空間，如圖2所示。

圖2 改裝到卡盤后方的對刀儀安裝座

懸臂式輔助頂固夾具由懸臂軸，垂架，支撐爪三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

懸臂柱軸插入支撐座的一端車出莫氏錐度；連接垂架的一段銑成六方，前面車出連接螺母的圓螺紋。垂架的主體是利用了一個(gè)斷裂報(bào)廢的跟刀架的上半部分，根據(jù)支撐座與主軸中心的實(shí)測距離，鉆孔并線切割六方制成。支撐爪原是螺旋進(jìn)給的死頂，改造成了加硬彈簧的壓力可調(diào)型。

圖3 懸臂式頂固夾具

圖3中用以固定不銹鋼軸的支撐爪接觸頭采用1010尼龍+30%玻璃纖維棒，這種尼龍棒具有防黏結(jié)燒死與自潤滑作用。[4]依據(jù)不銹鋼車軸被切時(shí)跳動的方向，在尼龍圓棒下端開出前、下段各留有2 mm余量的φ6 mm凹槽，用以限制車削過程中軸桿的擺震幅度。

4 螺紋的數(shù)控加工

數(shù)控車床的CNC系統(tǒng)是廣州數(shù)控GSK-980TD1型。首件試切大徑車至φ5.85 mm，根據(jù)外螺紋牙底d1= d－1.0825P(注P螺距；d公稱直徑)，有關(guān)螺紋部分的G代碼如下：

車削過程中不銹鋼細(xì)軸只在前兩次進(jìn)刀時(shí)有小幅度跳動。F43冷卻油和尼龍棒的輔助斷屑作用下，切屑排流順暢，車出的螺紋牙型光滑完整。但M6螺母擰入過程前緊后松。用通止規(guī)測試也顯示頭大尾合適。究其原因，發(fā)現(xiàn)螺紋切削循環(huán)指令G92采用兩側(cè)刀刃直進(jìn)切削法，雖然切出的牙型較好，但徑向切削力過大。每次端面進(jìn)刀時(shí)對細(xì)長軸壓逼變形尤甚。決定改用單刃逐次側(cè)向進(jìn)刀的G76指令：

……

G99 G76 P020560 Q50 R0.1；(精修2次；退尾長度0.5；最小切深0.05；精修余量0.1)

G76 X4.917 Z-19.0 P467 Q200 F1.0；(總切深0.467；首次切入深度0.2；螺距1.0)

加工前，將懸臂式頂固夾具尼龍爪的支撐力點(diǎn)向軸端前移，并調(diào)整旋鈕增大了頂持壓力。再次試切一次成形，螺紋達(dá)到了技術(shù)要求。

5 結(jié)束語

數(shù)控車床CNC編程控制方式和高精度的特點(diǎn)，特別適用于單件或小批量復(fù)雜形面回轉(zhuǎn)體的車削加工。制作專用的工夾具，能夠拓寬設(shè)備適用范圍和加工精度，顯著減少輔助工時(shí)。筆者在實(shí)踐中兩者結(jié)合，順利完成了細(xì)長型不銹鋼螺紋車削任務(wù)。

[1] 不銹鋼車軸線. [EB/OL].(2013-12-28).[2014-9-27] .http://baike. baidu.com/ view/1702368.htm?fr=aladdin.

[2] Luke毛利.不銹鋼螺紋的車削加工方法總結(jié).[EB/OL]. (2011-6-7).[2014-9-27].http://wenku.baidu.com/ /link?url= 31tlArJtzlL22BjMotUuO64T7J3Cs6VoVNlYZ7FYlKHKL 3EAgV22dPWCDc5IUaDwysL7gDYcVZZS1yKf5Zubw_ BSkHP9yn2ETYDxFv2pIXu.

[3] 張學(xué)政,李家樞. 金屬工藝學(xué)實(shí)習(xí)教材:第三版[M].北京:高等教育出版社,2003(8):158-159.

[4] 胡國強(qiáng).機(jī)械加工高招與訣竅:車工分冊[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2007(8):99.

Turning Processing Countermeasure and Method of Small Diameter Stainless Steel Thread

Fan Sufen
Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006,China

The elongate shaft and thread are diffcult lathe turning， turning small diameter stainless steel thread is more diffcult. This paper takes the NC machining of carbon free car axle as an example, introduced the small diameter stainless steel threads from the specific countermeasures tools, cutting dosages and lubricant selection, And a detailed description of the preparation of cantilever Topstrong jigs fabrication method and code.

stainless steel axle； small diameter of thread； cantilever topstrong fxture； processing code

2014-10-08

范素芬，大專，助理實(shí)驗(yàn)師。