賀玉嶺，田伍臣，雷寧寧，崔克誠

山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272073

賀玉嶺

1 序言

工程機械行業(yè)是裝備工業(yè)的重要組成部分，近年來工程機械市場需求逐漸向大功率大噸位趨勢轉(zhuǎn)化，隨著國內(nèi)外鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，對于大功率大噸位工程機械產(chǎn)品的需求大幅提升。推土機是一種工程車輛，前方裝有大型金屬推土刀，使用時放下推土刀，向前鏟削并推送泥、沙及石塊等，推土刀位置和角度可調(diào)。推土機能單獨完成挖土、運土和卸土工作，具有操作靈活、轉(zhuǎn)動方便、所需工作面小及行駛速度快等特點。我公司研制的SD90大功率推土機（后橋箱見圖1）是我國工程機械高端制造的典型代表，是目前國內(nèi)最大功率、最高效率、最智能化的推土機產(chǎn)品之一，該款產(chǎn)品性能達到國際先進水平。

圖1 SD90后橋箱簡圖

我公司生產(chǎn)的SD32機型以上推土機，如SD60、SD90等，是大功率機型推土機。推土機后橋箱是焊接結(jié)構(gòu)件，它承擔著將變速箱輸出的動力轉(zhuǎn)化為中央傳動裝置動力和終傳動裝置動力的任務(wù)，是整個推土機動力的核心。大功率推土機后橋箱螺紋孔幾乎全部為M27以上螺紋，以SD90后橋箱為例，法蘭面上有38×M30×3mm螺紋、44×M33×3mm螺紋。大功率機型橋箱由于特殊工況原因，螺紋孔需要很高的聯(lián)接強度，具有加工精度要求高的特點，這就給內(nèi)螺紋加工帶來很大困難?，F(xiàn)有大直徑內(nèi)螺紋加工工藝難以滿足工件加工質(zhì)量要求，必須探索更好的加工工藝，降低加工成本、提高生產(chǎn)效率。本研究提出一種高效、合理的內(nèi)螺紋加工工藝。

2 工藝改進背景

2.1 現(xiàn)場生產(chǎn)狀況

我公司螺紋加工設(shè)備主要為搖臂鉆床和攻螺紋機。搖臂鉆床是一種孔加工設(shè)備，可以用來鉆孔、擴孔、鉸孔、攻螺紋及修刮端面等多種形式的加工，操作方便、靈活，適用范圍廣，特別適用于單件或批量生產(chǎn)帶有多孔大型零件的孔加工，是一般機械加工車間常見的機床[1]。在我公司，搖臂鉆床承擔所有螺紋底孔的加工及M24mm以上螺紋的加工。攻螺紋機就是用絲錐加工內(nèi)螺紋的一種機床，它是應(yīng)用最廣泛的一種內(nèi)螺紋加工機床，特點是輕便、靈活、高效。攻螺紋機主要承擔M24mm以下螺紋的加工。

螺紋加工前需先鉆出底孔，然后才能利用絲錐加工螺紋，所以螺紋的整個加工過程中用到的刀具包括鉆頭、絲錐。我公司現(xiàn)在所用鉆頭材料為高速鋼，鉆頭的刃磨質(zhì)量直接關(guān)系到鉆孔質(zhì)量和鉆削效率，是影響鉆頭使用性能的重要因素，特別是頂角的刃磨。根據(jù)GB/T 17984—2010中規(guī)定，麻花鉆頂角角度為118°±3°。在刃磨好的鉆頭中，隨機抽取φ27mm和φ30mm鉆頭，利用帕萊克對刀儀進行頂角的測量，測量結(jié)果顯示，頂角均大于國家標準規(guī)定。用所測量的麻花鉆進行鉆孔加工，孔徑均超差，對SD60后橋箱螺紋精度進行抽檢（見表1），SD60后橋箱螺紋孔均為搖臂鉆床加工，抽檢2臺SD60后橋箱共124個M30×3mm螺紋孔和40個M36×3mm螺紋孔，用通止規(guī)進行檢測，共有61個螺紋孔不合格，螺紋孔合格率為62.8%，螺紋孔合格率較低。

表1 SD60后橋箱螺紋孔抽檢表

2.2 工藝改進目的

為了提高大功率推土機后橋箱螺紋的加工質(zhì)量及加工效率，同時為了實施公司智能制造的計劃，改進工藝，充分利用加工中心高效、高精度的特點，替代原搖臂鉆床進行螺紋加工。

3 改進措施

3.1 用加工中心攻螺紋

為提高螺紋孔合格率，試利用加工中心高效、高精度的特性，替代原搖臂鉆床進行攻螺紋加工，利用U鉆代替原高速鋼鉆頭。試驗設(shè)備為昆明道斯機床有限公司生產(chǎn)的落地式銑鏜加工中心，型號為WRD130Q，試驗工件為SD90后橋箱。利用U鉆鉆孔后，采用M30×3mm螺旋絲錐進行攻螺紋，試驗過程中由于加工螺紋直徑大、螺距大，加工時需要的切削力大，而機床功率不夠大，攻螺紋過程中無法轉(zhuǎn)動絲錐，造成絲錐在工件內(nèi)卡死，試驗無法繼續(xù)。因此，采用絲錐加工大直徑內(nèi)螺紋在我公司現(xiàn)有條件下無法實現(xiàn)。

3.2 用加工中心銑削螺紋

銑削螺紋是目前加工中心常用的加工螺紋的方法，優(yōu)點在于加工零件的螺紋質(zhì)量穩(wěn)定，零件尺寸易于控制。銑削螺紋所用的機床需要具備三軸以上的聯(lián)動功能，因為銑削螺紋是通過螺紋插補功能實現(xiàn)的，實際上就是使用成形螺紋銑刀沿螺旋插補軌跡進行銑削加工的過程[2]。機床運行數(shù)控程序G03/G02X軸和Y軸圓弧插補一圈時，Z軸同步移動一個螺距的量[3]。在螺紋銑削過程中圓周運動形成螺紋直徑，而同步的直線運動形成螺距[4]。

用螺紋銑刀銑削螺紋時，刀具的進入方式一般有直線切入法和圓弧切入法兩種。直線切入法容易損傷刀具，且影響螺紋的表面質(zhì)量。圓弧切入法如圖2所示，D1為工件螺紋大徑，D2為螺紋刀具直徑。

圖2 圓弧切入法

刀具路徑如下。1→2：刀具快速定位；2→3：刀具切入（沿圓弧進給），同時沿Z軸插補；3→4：整圓切削，刀具插補一周，同時軸向移動距離為一個螺距。

圓弧切入法較直線切入法可以有效地減小沖擊，刀具切入、切出平穩(wěn)，且在螺紋加工表面不會留下明顯的刀痕，有利于保護刀具和螺紋表面，因此在加工精密螺紋時一般使用該方法[5]。在圓弧切入切出的同時，采用圖3所示的徑向遞減進刀方式（D1＞D2＞D3＞D4），根據(jù)螺紋的牙型，通過刀補使得吃刀量逐漸減小，即實現(xiàn)了粗加工—半精加工—精加工。

圖3 徑向遞減進刀方式

分別購買了圖4所示瓦格斯（Vargus）螺紋銑刀及CPT螺紋梳刀進行螺紋加工試驗。首先利用單齒Vargus螺紋銑刀對圓鋼試件進行銑削試驗，如圖5所示，試件材質(zhì)為Q235，試驗用設(shè)備為落地式銑鏜加工中心，型號為WRD130Q，試驗參數(shù)為f=0.1mm/r，n=1800r/min。為便于排屑，采用圓弧切入法由內(nèi)向外銑削螺紋孔，加工M30×3mm螺紋，加工完成后利用螺紋塞規(guī)測試（見圖6），經(jīng)測試所試驗螺紋孔合格，螺紋銑削加工效果如圖7所示。

圖4 螺紋銑削刀具

圖5 螺紋銑削試驗

圖6 螺紋塞規(guī)測試

圖7 螺紋銑削加工效果

試件試驗合格后，對大功率機型后橋箱加工產(chǎn)品進行工藝試驗如圖8所示，試驗對象為SD90后橋箱，材質(zhì)為板材焊合件，試驗用設(shè)備為落地式銑鏜加工中心，型號為WRD130Q，切削方式為從內(nèi)向外，試驗參數(shù)為f=0.15mm/r，n=1800r/min，加工螺紋尺寸為M30×3mm，孔深60mm，單孔銑削所需加工時間13min，效率為4.6mm/min。利用螺紋塞規(guī)測量32×M30×3mm螺紋孔，合格率為100%，且螺紋孔表面質(zhì)量良好，無切屑、毛刺，如圖9所示。

圖8 單齒銑刀螺紋銑削加工工藝試驗

圖9 單齒銑刀螺紋銑削效果

利用CPT螺紋梳刀對SD90后橋箱進行螺紋工藝試驗，如圖10所示，試驗參數(shù)為f=0.2mm/r，n=1500r/min，加工螺紋尺寸為M30×3mm，孔深60mm，加工時間9.33min，效率為6.43mm/min。加工效率比單齒銑刀高，但是當螺紋銑刀切入接近全牙型時，由于刀具與工件接觸面積大，試驗過程中刀具振動嚴重，無法保證螺紋的表面質(zhì)量及螺紋精度，所以對于大功率機型后橋箱的螺紋加工，我公司只能采用單齒螺紋銑刀進行螺紋加工。

圖10 CPT螺紋梳刀銑削試驗

經(jīng)過試驗跟蹤，螺紋銑削加工效率較低，以SD90后橋箱為例，單個螺紋孔平均銑削時間11.6min，法蘭面上82個螺紋孔的銑削時間約為15.9h。

3.3 用加工中心進行螺紋鏜削

鏜削是指將工件預(yù)制孔擴大到需求的孔徑，并使其具備一定的孔形和精度的加工過程[6]。

螺紋鏜削的原理是仿照螺紋車削原理，螺紋車削（見圖11）是工件旋轉(zhuǎn)一周，車刀沿工件軸線移動一個導(dǎo)程，切削刃的運動軌跡就形成了工件的螺紋加工過程，在車床上車削螺紋時，工件旋轉(zhuǎn)，刀具做軸向進給。在加工中心上加工螺紋，如果以旋轉(zhuǎn)的刀具為參考，工件相對來說也是旋轉(zhuǎn)的，這樣我們就可以把內(nèi)螺紋車刀桿應(yīng)用到微調(diào)精密鏜頭上，刀桿旋轉(zhuǎn)一周，同時在軸向上移動一個導(dǎo)程，切削刃的運動軌跡就形成了工件的螺紋加工過程，通過調(diào)節(jié)車刀的回轉(zhuǎn)直徑，就可以分多刀在加工中心上完成內(nèi)螺紋的加工，加工方式如鏜削加工，所以我們稱之為螺紋鏜削，原理如圖12所示。

圖11 內(nèi)螺紋車削原理

圖12 螺紋鏜削原理

由于螺紋刀片切削刃相對較脆，無法通過一次走刀完成螺紋的切削，總吃刀量必須分多次走刀來完成，這幾次走刀應(yīng)采用相似的切削力（同等的切削面積），如圖13所示。

圖13 螺紋鏜削進刀方式

分別購買了德克NBH2804微調(diào)精密鏜刀、山高內(nèi)螺紋車刀桿及車削刀片（見圖14和圖15），并將這些刀具組合后進行試驗，如圖16所示。試件材質(zhì)為Q235，試驗用設(shè)備為寧波海天精工股份有限公司生產(chǎn)的定梁龍門鉆床加工中心，型號為GLU23×30，試件為Q235鋼板，試驗參數(shù)為vf=3mm/min，n=300r/min。進刀方式為側(cè)式不等距進刀，總吃刀量按照刀具樣本推薦值分12刀完成為M30×3mm螺紋的加工（見表2）。經(jīng)檢測，螺紋表面質(zhì)量良好，加工精度高。

圖14 NBH2084精密鏜頭

圖15 山高螺紋車刀桿及刀片

圖16 螺紋鏜削試驗

試件試驗合格后，對大功率機型后橋箱加工產(chǎn)品進行工藝試驗，試驗對象為SD90后橋箱，如圖17所示，材質(zhì)為板材焊合件，試驗用設(shè)備為落地式銑鏜加工中心，型號為WRD130Q，切削方式為側(cè)式不等距進刀，總吃刀量按照刀具樣本推薦值分12刀（見表2）。試驗參數(shù)為f=3mm/r，n=300r/min，加工螺紋大小為M30×3mm，孔深60mm。單孔平均鏜削所需加工時間0.8min，效率為75mm/min。經(jīng)過計算，螺紋鏜削加工效率是單齒螺紋銑削加工效率的16.3倍，加工效率相比螺紋銑削大大提高。利用螺紋塞規(guī)測量32×M30×3mm螺紋孔，螺紋的合格率為100%，且螺紋孔表面質(zhì)量良好，無切屑、毛刺，如圖18所示。

表2 ISO公制外螺紋吃刀量推薦 （單位：mm）

圖17 SD90后橋箱螺紋鏜削

圖18 螺紋鏜削效果

4 工藝改進效果對比

采用螺紋鏜削工藝持續(xù)對SD90后橋箱進行加工跟蹤，進行5臺SD90后橋箱加工后抽檢M30和M33螺紋孔，螺紋合格率為100%，螺紋抽檢的情況見表3。單個螺紋孔鏜削加工時間為1.1min，法蘭面上82個螺紋孔的鏜削時間為90.2min，約為1.5h。相比螺紋銑削加工，單件加工就可節(jié)省14.4h，螺紋孔加工效率大大提升，縮短了加工周期，降低了生產(chǎn)制造成本。

表3 SD90后橋箱螺紋孔抽檢情況

與搖臂鉆攻螺紋及加工中心螺紋銑削進行對比見表4，可以得出如下結(jié)論。

表4 改進前后效果對比

1）螺紋的合格率顯著提升，原來搖臂鉆攻螺紋為62.8%，采用螺紋銑削及螺紋鏜削后提高到

100%。

2）加工中心螺紋鏜削平均單個螺紋加工時間為1.1min，相比螺紋銑削加工時間降低91.58%。

3）加工中心螺紋鏜削生產(chǎn)成本相比螺紋銑削降低91.55%。

因而工藝改進效果明顯，可以采用鏜螺紋方法進行批量生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

在大功率推土機后橋箱內(nèi)螺紋的加工中，通過引入螺紋銑刀、螺紋車刀等先進螺紋加工刀具，充分發(fā)揮刀具組合新模式，采用傳統(tǒng)鏜刀及螺紋車刀組合成直徑可調(diào)螺紋鏜刀刀具，充分發(fā)揮數(shù)控機床的高精度、高效率及數(shù)控化的優(yōu)勢，仿照螺紋車削，在加工中心進行螺紋鏜削，通過一系列工藝試驗的驗證，螺紋鏜削加工效率是螺紋銑削加工效率的16倍，且螺紋鏜削能很好地保證螺紋精度要求，實現(xiàn)了螺紋鏜削代替攻螺紋和螺紋銑削的加工工藝改進。