姚 軍

(四川建筑職業(yè)技術學院 機電與信息工程系，四川 德陽 618000)

0 引言

以前國產柳鋼 2800 mm中厚板軋機[1]中的轉臂內孔采用連貫的、恒導程螺旋油槽保證內外滾動面之間的潤滑，這種油槽的加工方法是根據(jù)零件特點及參數(shù)，一般采用成型盤狀刀具或指狀刀具通過銑削或車(拉)削加工而成。這種連貫的、恒導程螺旋油槽雖加工容易，但發(fā)現(xiàn)長期使用過程中出現(xiàn)潤滑不充分的弊端。新開發(fā)的轉臂，由于內孔雙鍵槽的存在，內圓面上有多個不連貫的、導程不同的螺旋潤滑油槽將會改善潤滑條件，但要加工這種油槽就很困難。對于不完整螺距一般由鉗工劃線后用手工或在銑床上按劃線加工。這適用于外螺旋油槽加工，對于分布在孔壁上的非連貫、變導程新型螺旋油槽則很難用這種方法加工。由于受導程升角、刀具干涉等因素的影響，一直是機械加工中的難點；又因受孔徑尺寸限制，角銑頭不能進入其中，無法采用數(shù)控機床進行加工。

類似方面的工作前人做了許多研究，謝樹峰[2]采用液壓原理將刀具的主運動與刀具的進給運動聯(lián)系起來，并保證進給呈螺旋運動，因這種方法采用液壓做動力，只適合于φ30以下的內孔、槽深在1mm以下連續(xù)油槽；韓東熙等[3]研究普通車床上加工螺旋油槽的新方法；朱建平[4]設計了加工內孔螺旋槽的工裝；石強等[5]研究了典型深孔內螺旋槽的數(shù)控拉削加工等。

上述文獻所加工的螺旋型油槽均呈連貫、恒導程性質，而非連貫、變導程螺旋油槽的加工尚未查到相關有價值的文獻資料。

本文以2800 mm中厚板軋機中的轉臂為例，選擇在普通車床(C61100)上采用自帶電機的油鉤銑頭、通過變換掛輪的方式，對現(xiàn)有機床稍加改造，實現(xiàn)內孔中的非連貫、變導程螺旋油槽的加工，并且滿足精度要求。

1 轉臂結構介紹

轉臂是由轉臂體與鋼板焊接而成[6]，其中轉臂體為鍛件，其內孔有對稱的兩處鍵槽，被鍵槽分割的相對內孔面上分布著導程不同的螺旋槽，如圖1所示。

由于鍵槽的存在，使每一段螺旋槽在空間上均不能形成完整的螺旋線，轉臂內孔孔壁通常設計多條螺旋油槽以保證潤滑的需要，主要技術精度指標如下：

(2)與鍵槽中心截面對稱的不連貫螺旋槽，經計算，導程分別為352.25mm、259.04mm；

(3)轉臂內孔孔壁上交錯分布18處油槽，其中10處環(huán)槽，8處螺旋槽，如圖2所示。

(4)螺旋槽起點至終點在橫截面上投影相對孔中心夾角150°。

(5)非連貫螺旋槽深度6.1 mm。

圖2 內孔非連貫螺旋槽

2 轉臂加工難點分析

由于內孔雙鍵槽的存在，轉臂內孔螺旋油槽呈現(xiàn)非連貫，變導程的特征，對比連貫、恒導程螺旋油槽的加工，主要有以下難點。

2.1 螺旋槽起刀點，退刀點準確位置難以確定

內孔中的螺旋槽被兩側鍵槽分割而成不連貫，因此在銑槽時，確定螺旋槽起刀點，退刀點的準確位置，并保證每一處螺旋槽起點至終點在橫截面上投影相對孔中心夾角150°，難度很大。

2.2 受大導程、螺旋升角影響，干涉嚴重

采用數(shù)控機床主軸裝刀盤走螺旋線是內孔螺旋槽的加工方式之一[7]。但本文工件由于螺旋升角分別為29°及22°，導程分別為352.25mm、259.04mm，內孔為φ203.45+0.05mm，其參數(shù)使得在加工中會出現(xiàn)兩個問題：一是由于導程太大致線速度太大，超過機床的加工極限速度；二是受螺旋升角、孔徑大小的影響，通過計算，只能加工一小段，加工到兩側受刀具半徑的影響，干涉嚴重，只能將變導程微分化轉化成小段恒導程近似加工。

2.3 車床加掛輪后加工螺旋槽無法實現(xiàn)準停

另一種加工螺旋槽的方式是：選擇可以加工相應螺距的普通機床，即可以使用掛輪的機床，改變傳動比，使之與螺距相匹配，可以加工內孔螺旋槽。一般選用在普通車床上加工螺旋線，但普通車床掛輪后加工螺旋線，通常內孔螺旋線在空間上是完整的，且由于其轉速形成的慣性，無法實現(xiàn)在準確位置定點停止，使得該內孔不連貫的螺旋槽的加工成為困難。

2.4 其它難點

轉臂內孔直徑為φ203.45mm，角銑頭無法進入內孔，不能采用數(shù)控銑削加工。

另外，該件由于轉臂體外圓焊上鋼板，在車床加工存在偏重的問題。

由于本螺旋槽的特殊性，在制定工藝方案時，必須保證銑槽時在準確位置定點起刀、定點停止，克服因導程太大，內孔過小以及刀具干涉等因素帶來的各種困難[8]。故在制定工藝方案時，必須采取必要的工藝措施著重解決這些難點。

3 技術方案的制定

針對加工中存在的難題，在制定工藝方案時，需要突破常規(guī)加工方法的局限，采用新的工藝手段，完成內孔非連貫螺旋槽的加工，同時采取適當?shù)墓に嚧胧┙档统杀?，提高效率?/p>

3.1 采用新的工藝手段

(1)確定油槽加工方式

通過對轉臂的結構及各加工難點分析，結合車間現(xiàn)場設備情況，并與機床操作人員進行深入研討，首先需要解決加工方式問題。

根據(jù)前面分析，決定選擇“普通車床安裝銑頭” 的加工方式。

因常用角銑頭無法進入φ203.45+0.05mm內孔完成螺旋油槽加工，必須設計專用銑頭，考慮到不便直接采用車床動力，專用銑頭還需自帶動力，因此設計了自帶電機的油鉤專用銑頭。

其次，需保證刀具沿導程分別為352.25mm、259.04mm的螺旋線軌跡進行切削，可通過適合的掛輪加以保證[9]。

(2)定點起刀、定點停止方式確定

無論是普通車床還是數(shù)控車床，盡管其主軸轉速可調，設備均沒有設計有定點停止功能。因此，在加工此類零件螺旋槽時，因機床轉動慣性將使工件的加工不能達到圖紙設計要求。在現(xiàn)有條件下，為保證零件螺旋槽的加工要求，可將主軸旋轉動力源—電機脫開，采用人工控制方法，使機床主軸旋轉無慣性且能定點停位；根據(jù)機床的傳動原理，機床卡盤旋轉帶動傳動鏈上的齒輪，齒輪與機床絲杠相連，絲杠通過中拖板上的開合螺母聯(lián)接，帶動中拖板移動。根據(jù)不同的螺旋槽導程，在傳動鏈中通過計算并配置不同的掛輪，使之最終保證卡盤旋轉一周，中拖板及其上刀架能移動一個螺旋導程。這樣的加工方式，使變導程螺旋槽的加工變得較易實現(xiàn)。

(3)螺旋進給運動方式確定

因為切斷了主軸旋轉動力來源，改由人工控制來傳遞旋轉力距實現(xiàn)螺旋進給運動。受螺旋槽導程及螺旋升角以及傳動鏈上齒輪嚙合所產生的阻力等影響，人工勞動強度非常大。為減輕勞動強度，設計一個工裝輪盤，裝在機床動力源主軸上，人工控制并轉動輪盤，從而輕松控制機床旋轉力矩的傳遞，實現(xiàn)螺旋進給運動[10]。

3.2 主要加工設備

深入生產現(xiàn)場，了解數(shù)控鏜床及普通車床的性能，刀、附具配置，最終決定粗加工在普通車床(C61100)上進行，對內孔留量加工，待焊好鋼板后在數(shù)控鏜床TK6913CNC加工內孔，并在端面準確刻出鍵槽加工位置線及螺旋槽起點、終點角度線，最后在普通車床(C61100)上完成內孔螺旋槽的加工。

3.3 加工順序的選擇

因轉臂是由轉臂體與鋼板焊接而成，加工工藝分成兩個部分完成：

轉臂體：鍛件—加工—焊接

轉臂：焊接—去應力退火—加工—裝配

根據(jù)工藝流程，采用以下加工順序：焊接前將轉臂體的內孔粗加工，外圓加工；焊后在數(shù)控鏜床對φ203.45+0.05mm內孔進行精加工，待加工完鍵槽后再在普通車床完成內孔各槽及螺旋槽的加工。這樣的加工順序，使加工的鍵槽與內孔螺旋槽的相互位置得以確定，為螺旋槽的精確加工創(chuàng)造了有利條件。

3.4 基準的確定

由于內圓面上以兩鍵槽為界，交錯分布著共18處油槽，其中10處環(huán)槽，8處螺旋槽，各槽的起點與終點連線在圓柱截面上均呈弧線，向心夾角為150°，必須有明確的基準點，在加工時才能保證各相互位置準確。

根據(jù)加工順序及加工方式，選定在數(shù)控機床加工內孔后，在孔端面刻上鍵槽加工線及各槽的起點、終點位置線，作為以后各工序的工藝基準。在車床加工螺旋槽時，工件裝夾找正后，將基準反射到卡盤上，在卡盤上刻線，保證加工時能準確定位。

3.5 專用工藝裝備與刀具

螺旋槽加工方案選定后，需要確定滿足加工要求的工藝裝備。根據(jù)螺旋槽分布在零件φ203.45+0.05mm內孔且現(xiàn)有角度銑頭無法進入的特點，設計、制造了自帶電機的油鉤銑頭[11-12]及專用油鉤銑刀。

3.6 掛輪選配

選配適當?shù)膾燧?，確保不同導程螺旋槽的加工。

4 工藝過程及具體實施

4.1 轉臂螺旋油槽加工之前的準備

(1)轉臂內外相關加工表面已加工完成

除螺旋油槽外，包括φ203.45+0.05mm孔及鍵槽在內的各表面、各尺寸已全部加工到位，符合圖紙要求。

(2)劃線：在φ203.45+0.05mm孔端面劃線，刻出螺旋槽起點、終點角度線并將外圓上油槽(起、止)線引至卡盤上，并在卡盤上作標識。

4.2 具體實施

(1)油鉤專用銑頭的安裝與調試

前面已確定了內孔螺旋油槽加工機床為普通車床(C61100)，加工之前，將自帶電機的油鉤專用銑頭安裝在車床大拖板上，調整好位置，并確保銑頭中心線與機床導軌平行。

(2)工件的裝夾

工件的裝夾可選擇在卡盤上夾持其已加工外圓，按已加工的內孔找正，調整卡盤，使主軸中心與工件內孔中心保證一致后，壓緊。

根據(jù)其偏重情況，再在卡盤上對稱裝入配重塊。

(3)調整銑刀回轉中心線

調整銑刀回轉中心線，與φ203.45+0.05mm孔軸線保持所加工油槽螺旋升角一致。

(4)對刀

按φ203.45+0.05mm孔端面所刻的螺旋槽起點角度線對刀。

(5)人工控制并轉動輪盤實現(xiàn)螺旋進給運動。

如前所述，機床主軸電機脫開，通過裝在機床動力源主軸上的輪盤，人工轉動輪盤，控制旋轉力矩，實現(xiàn)螺旋進給運動。當卡盤轉至準確角度位置后，輪盤受限位塊作用而停止轉動，保證了一條螺旋油槽切削完成。

螺旋槽加工過程如圖3所示，圖中的正下方為油鉤銑頭自帶的電機。

4.3 切削用量的選擇

通常加工的內孔螺旋槽，槽較淺，俗稱油涵，一般加工時一次加工完成，但轉臂內孔螺旋槽的槽較深，即為深6.1mm，寬10.9mm的曲面，只能通過成形刀加以完成，由于螺旋槽導程太大，加工時必須分幾段完成。加工時切削用量的選擇很重要，進給量太大，會引起載刀。通過實際操作并不斷摸索，選擇每次進給量為0.2～0.3mm，主軸轉速為0.5rpm，采用多刀次、分層加工，保證切削順暢。

圖3 螺旋槽加工圖

4.4 掛輪的選配

大螺距螺旋油槽車削時,一定要采取降速措施。對于單件小批生產,可將車床主軸上帶輪的三角皮帶去掉,用 1根鐵輥插入帶輪上原有的偏心孔中,采用兩個螺帽與帶輪固緊成一體作為鉸桿,采用人工轉動鉸桿的方法，進行特大螺距的車削加工,這種降速措施簡單實用。

各螺旋槽的展開圖如圖4所示，可求得螺旋槽的導程分別為352.25mm、259.04mm。

圖4 螺旋槽展開圖

掛輪的計算有多種方法[13-15]，按所求得的導程理論值配掛輪，則必須重新制作掛輪。

根據(jù)螺旋槽用于潤滑，并考慮產品周期及生產成本等因素，結合車床(C61100)現(xiàn)有掛輪，可選配以下標準掛輪：

(1)導程為352.25mm：

掛輪：110/20×80/127，實際導程：352mm；

(2)導程為259.04mm：

掛輪：100/25×80/127，實際導程：259mm；

由此可見，因選用標準掛輪引起的導程誤差分別為0.071%、0.154%，完全能夠滿足使用要求。

加工后的2800 mm中厚板軋機中的轉臂實物局部視圖如圖5所示。

轉臂與相關件裝配一次成功，經現(xiàn)場連續(xù)運轉72h負荷潤滑測試，內外滾動面潤滑充分，與同類轉臂相比，潤滑充分、效果明顯。

圖5 轉臂實物局部

值得指出的是，自帶電機的油鉤銑頭則是根據(jù)內孔大小制作的，屬于專用工裝，有一定的成本。所用油鉤銑刀也是按油槽形狀制作的[16-17]，并分為粗銑刀、精銑刀。

利用普通車床+自帶電機的油鉤銑頭、通過變換掛輪的方式加工轉臂內孔非連貫、變導程新型螺旋油槽，無需過多投入，本方法的研究價值在于實用、加工總成本較低、適合單件生產。

若是批量生產，可考慮設計專用機床。

5 結論

(1)內孔非連貫變導程螺旋油槽加工可以在普通車床上，通過安裝自帶電機的專用油鉤銑頭進行加工；

(2)刀具沿不同導程的螺旋線軌跡進行切削，可通過適合的掛輪加以保證；

(3)通過配置不同的掛輪，保證卡盤旋轉一周，中拖板及其上刀架能移動一個螺旋(導程)保證定點起刀、定點停止；

(4)選配掛輪是本例的一個特點，潤滑油槽精度要求不高，盡量使用標準掛輪，以降低成本。

通過以上工藝方案的具體實施，利用車間現(xiàn)有條件，采用新工藝、新裝備及一系列工藝保證措施，在普通車床順利完成了內孔非連貫變導程螺旋槽的加工，達到了圖紙設計要求。此種加工方法，為以后加工類似的產品積累了寶貴的經驗，具有一定的推廣價值。