如何在數控車床上車削多線蝸桿齒形
2018-4-28 來源： 湖南省湘西民族職業技術學院 作者： 方媛州
在車削加工培訓實踐中，車削蝸桿，特別是車削大模數、多線蝸桿，其主要難點在于齒形切削面積大、切削抗力大；另外，其多次周而復始、緊張單調的操作，使得勞動強度增大，并容易出現始料未及的問題，因此車削多線蝸桿往往令人望而生畏。在數控車床上車削多線大模數蝸桿時，如果我們采用普通車床的車削加工方法，不能充分利用數控機床的特點。為此，我們收集、總結蝸桿齒形車削刀具方面的經驗，嘗試利用數控車床的宏程序設計功能，解決車削多線大模數蝸桿這一加工難題。
數控系統宏程序，是以變量的組合，通過各種算術和邏輯運算、轉移和循環等指令而編制的一種可以靈活運用的程序，其只需改變變量的值，即可實現同類型不同尺寸的加工和操作。以FANUC 0i數控系統為例，在數控車床上加工普通螺紋，一般使用的指令有G32單行程螺紋車削和螺紋切削循環與G92、G76等幾種，但在車削大導程、多線蝸桿時，應用該指令編程其功能是不能實現的。因為該指令為斜進法切削，其適合切削的刀尖角度只有80°，60°，55°，30°，29°，0°共六種，而常用蝸桿的齒形角度為40°，如果使用直進法進刀G32指令和G92指令方式，則加工難度較大，容易出現“扎刀”現象。但如果使用宏程序功能即可解決這一問題。為此筆者探討在數控車床上對車削蝸桿齒形的車刀與操作方法進行改進，以及用宏程序編制車削大導程、多線蝸桿的加工程序。多線蝸桿零件如圖1所示。
圖1 多線蝸桿零件
一、多線蝸桿加工工藝要求及車削刀具分析
1.多線蝸桿加工工藝要求如圖1所示，多線蝸桿為模數4m，線數3線，導程37.699mm、導程角8°58′21″、齒全高8.8mm的阿基米德蝸桿。該蝸桿切削面積大，要求工件剛性好，故需采用一夾一頂的裝夾方式車削。
2.車削刀具分析多線蝸桿車削加工采取“分層切削”的方式，需法向安裝車刀（阿基米德蝸桿齒形是一種軸向直廓齒形，精車時應軸向安裝車刀，并且為正常發揮車刀各角度的作用、提高功效，需采用法向裝刀方式）。車削刀具特點如下。
（1）蝸桿粗車刀。蝸桿齒形粗車刀采用W18Cr4V材料，刀具各角度如圖2所示。為提高粗車刀刀尖強度，刀具切削刃的刀尖部分需用油石修研-5°倒棱。此倒棱寬度值視蝸桿模數、工件材料而定。在導程大、吃刀深度大、材料較硬時，倒棱則可取大些。粗車時，蝸桿粗車刀的刀尖角采用35°，這樣粗車后便于用精車刀精車，其精車余量如圖3所示。
圖2 蝸桿粗車刀
如圖2所示，蝸桿粗車刀刀尖特點是：①采用圓弧形刀尖，增強了刀尖強度，刀尖散熱得到了改善；②采用圓弧形排屑槽，增大了實際前角，改善了排屑條件；③刀尖的倒棱可在很大程度上防止沖擊損壞刀尖，且不易崩刃。
蝸桿粗車刀可直接壓裝或安裝在普通彈簧刀柄上車削。
（2）蝸桿半精車、精車車刀。蝸桿半精車和精車刀如圖4所示，該刀頭采用圓弧前角。此前角是在內圓磨床上用指形砂輪磨出的，如圖5所示。其刀尖寬度略小于蝸桿牙底槽寬度。車削時采用“單邊直進刀”，只切削蝸桿牙形的一個面，一面車完后再車第二個面。此時如加注合適的切削液，會使切削變得更加輕快，從而達到較小的表面結構值和較高的表面質量。
圖3 精車刀牙形角與精車余量的關系
圖4 蝸桿齒形精車刀
蝸桿精車刀刀尖各角度，如圖4所示。刀頭材料選用W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2。此刀特點是，刀頭強度好，刃口鋒利，排屑順暢，切屑變形小，散熱條件好。裝刀時可用樣板或萬能角尺對刀，使車刀兩刀刃夾角的平分線與蝸桿軸線垂直。
（3）半精車和精車刀安裝于彈簧刀桿上。彈簧刀桿選用彈性和強度較好的材料，如圖6所示，這樣半精車和精車時不需扳角度。
圖5 車刀頭前刀面刃磨
圖6 彈性刀桿
普通彈性刀桿在較大的軸向切削力影響下會發生扭轉變形，使所車蝸桿的軸向齒形角和螺距發生變化產生誤差，從而降低加工精度。而現在，采用彈性和強度較好的刀桿則大大提高了刀體的剛性。刀體上選用12mm×12mm方孔，該方孔用線切割加工，這樣用12mm×12mm高速鋼刀頭與刀體方孔配合，提高了刀頭與刀體方孔的配合精度，從而減小了加工過程中刀頭在刀體中的扭轉、竄動。
二、多線蝸桿加工方法及走刀方式
在車削蝸桿時切除的金屬量大，而且粗車時一般是刀具的幾個切削刃同時工作，使得排屑不暢，切削力較大。因此，利用宏程序和G92指令結合編程,變換進給方式，可以實現不同齒形和深度的蝸桿加工，這對降低切削力，提高切削效率，保證加工質量十分重要。
1.粗車車削時，使用粗車刀，主軸轉速n=200r/min。
車削方法主要是以“分層車削”的方式，如圖7所示。這種分層加工方法，每次走刀的切削深度不大，刀尖受力狀態和散熱情況均得到較大的改善，而且利于排屑，不易“扎刀”，同時可以選用較高的切削用量，使切削效率得以成倍提高。
圖7 粗車分層車削法
圖8 精車兩側面直進刀方法
2.半精車、精車
在半精車、精車蝸桿齒形，安裝車刀頭時，利用蝸桿牙形樣板或萬能角度尺對刀。采用的進刀方式為直進刀方式，分別精車蝸桿齒形的側面，如圖8所示，這樣可以保證得到較高的加工精度和較小的表面結構值。
在半精車蝸桿齒形時，可將齒底圓車至齒根圓尺寸φ66.4mm，并用游標卡尺測量控制齒厚尺寸，留精車余量0.2～0.5mm。
三、多線蝸桿數控加工程序設計
在FANUC 0i數控系統上，利用G92螺紋加工指令，編制蝸桿切削加工宏程序，分粗加工和半精加工、精加工幾部分。車削如圖1所示的多線蝸桿實例，對蝸桿齒形部分的車削進行程序編制，見表1、表2、表3。蝸桿加工成型后的三維圖如圖9所示。
表1 蝸桿加工（主程序）實例程序及說明
表2 蝸桿粗加工（子程序）實例程序及說明
表3 蝸桿精加工（子程序）實例程序及說明
圖9 多線蝸桿車削三維圖
四、小結
在車削蝸桿的實際生產和教學中，我們采用改進刀具，大膽改變編程思路，通過用G92數控指令結合宏變量、分層編程加工蝸桿的方法，比較成功地解決了在數控車床上車削大導程、多線蝸桿的技術難題，從根本上解決了“扎刀”“悶車”等問題，提高了蝸桿的尺寸精度、分線精度，極大地提高了生產效率，大幅度減輕了操作者的勞動強度。實踐說明，我們不但要借鑒前人傳承下的極其寶貴的豐富經驗，而且還要結合目前的先進設備，不斷學習、探討，這樣才能使我們的技術水平得到更大提高。
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