1、旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧表面质量差异分析及铣刀设计旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧表面质量差异分析及铣刀设计作者：湖南工程学院 谭立新1 引言 高速切削、强力切削可显著提高加工效率，是现代制造技术的重要发展趋势之一。但随着切削速度的提高，在某些加工场合也带来了加工质量方面的问题。如采用旋风铣削法高速铣削内、外螺纹时(见图1)，虽然加工效率高、刀具冷却效果好，但加工出的螺纹精度并不高，且螺纹牙槽两侧面的表面质量存在较大差异。对于粗加工工序，螺纹牙侧表面加工精度影响不大，但对于一次完成全牙深切削的最终加工而言，这一问题不容忽视。为此，本文对旋风铣削丝杠螺纹时牙槽两侧面的表面质量进行了分析计算，并介绍了
2、旋风铣刀的设计方法。 a)铣削外螺纹(b)铣削内螺纹 图1 旋风铣削内、外螺纹 2 牙槽两侧面表面质量的计算与分析 1) 牙槽两侧面表面特征 旋风铣削丝杠螺纹时，当铣削速度提高到2000r/min 以上，螺纹牙槽底面(沟底)及其中一侧面的表面质量明显提高。由加工结果可知，无论是采用刀具进给方式、由车床改装的旋风铣削装置，还是采用工件进给方式的专用丝杠加工设备，均为迎向铣刀的牙槽一侧(记为A侧)的表面加工质量明显优于相对的另一侧(记为B侧)。A侧表面光滑锃亮；B侧表面光泽不明显，用手触摸有细微粗糙感。 2) A侧表面粗糙度计算 如图2所示，设刀刃位于水平线OO时为零时刻，经过时间t后，铣刀盘转过
3、一齿，则有 Ft+t=1/Z式中，F、分别为铣刀和工件的转动角速度，Z为装刀数。设转速比=F/=nF/n(nF，n分别为铣刀和工件的转速)，则可得 t=1(/+1)Z图2 牙槽侧面粗糙度分析设被加工螺纹螺距为P，则经过时间t后，刀具的轴向进给位移量为 S1=tP=P(/+1)Z与此同时，工件转过的角度为 =2t=2(/+1)Z刀具下降高度为 Y=2(R-h/2)sin(/2)=2(R-h/2)sin(/+1)Z则刀具的横向位移量为 S2=Ytan=2(R-h/2)tansin(/+1)Z式中，R为丝杠直径，h为牙槽深度，为螺旋升角。由此可得A侧表面的理论粗糙度值为 Rz1=S2=2(R-h/2
4、)tansin(/+1)Z3) B侧表面粗糙度计算 由于刀具加工时既有横向位移又有进给位移，因此经过时间t后，铣刀盘转过一齿时，刀具切入点的位移量为轴向进给位移与向后的横向位移之和，则B侧表面的理论粗糙度值为 Rz2=S1+S2=P(/+1)Z+2(R-h/2)tansin(/+1)Z4) 两侧面表面质量差异分析 铣刀作轴向进给运动时，A侧面在铣刀侧刃挤压下被高速铣削。当切削速度达20003000r/min时，加工区火花四溅，切屑局部呈柑红色，表明该处切削温度已达800以上(通过计算也可得出此结论)，此时金属原子热振动振幅增大，原子间键力减弱，导致工件材料的硬度和强度降低，同时切削时的弹性变形
5、、塑性变形和摩擦力也明显减小。由于大部分切削热被切屑带走，传入工件表层的切削热很少，渗入层很薄，表面层物理力学性能的变化在允许范围内，因此A侧面的表面质量得到提高。此外，由于每齿切削厚度和进给量减小，A侧相当于在被铣削的同时也被研磨，使表面质量进一步提高。而B侧被铣削时，由于存在进给运动，刀具在该时刻已离开被铣部位，因此不存在挤压与研磨作用。可见，切削力作用形式的差异也给两侧的表面质量带来不同的影响。 根据上述计算与分析可知，由于Rz1 Rz2，加上A、B两侧铣削作用力的不同影响，故A侧表面质量优于B侧，这与在实际加工中的观察结果一致。 3 旋风铣刀的设计 刀具材料的选用 当铣削速度达到200
6、0r/min以上时，刀具与工件接触时间约为0.003s，而切削热在钢中的传播速度约为0.5mm/s，即在刀具与工件接触时间内热量传播距离仅为1.5m 左右，因此仅有极少量切削热传入刀具中。此外，由于刀刃空行程较长，使刀刃承受的热脉冲大大降低，因此铣刀刃部温度始终保持在300左右，不易引起刀具硬度降低，刀具磨损较小。但是，由于刀刃工作方式为高速断续切削，整个工艺系统振动较大，刀刃部位需要承受较强的正压力脉冲和弯曲应力脉冲，因此要求刀具材料具有较好韧性。综合考虑上述加工特点，刀具材料不宜选用硬质合金，选用65Mn淬火钢较好。 图3 铣刀盘装配图图4 刀夹结构图刀具结构设计 为提高加工效率，笔者设计
7、了图3所示铣刀盘结构和图4所示刀夹。刀夹上开有装刀槽，将长条形刀片置于其中，上面盖压一带槽薄板，然后装入铣刀盘刀槽中，用内六角螺钉压紧，即可进行铣削加工。当刀片磨损后，松开压紧螺钉，取出长条形刀片，对切削刃部分重新刃磨后即可重复使用。如切削时刀片有后退倾向，可在铣刀盘上加装可调挡块。与焊接式或其它刀具结构相比，这种可转位铣刀盘结构可减少刃磨、装卸和对刀工时，刀片可重复利用，具有加工效率高、加工成本低等优点。(end) 高度自动化的发动机叶轮加工作者：瑞士GF阿奇夏米尔集团Turbocam公司是一家全球性的复杂精密涡轮机械零部件生产商，在美国设有两家工厂、在英国和印度各设有一家工厂，专业从事内燃
8、机涡轮增压器叶轮和喷气机发动机的叶轮制造。Turbocam公司也是少数几家能够按照重型卡车和乘用汽车制造商的一些特殊要求制造涡轮增压器叶轮的公司之一。随着内燃机功率和排放标准的不断变化，加之汽车及发动机市场对涡轮增压器的需求迅速提高，Turbocam公司逐步发展成为了一个内燃机涡轮增压器叶轮的核心制造公司。目前，在欧洲带有涡轮增压器的汽车已经占到了50%左右，美国、亚洲等地对涡轮增压器的需求也都在迅速增长，Turbocam公司当然不能错过这样旺盛发展的市场机遇。 从浇铸到实心加工 历史上早期的涡轮增压器结构比较简单，对叶轮的精度要求也不高，因而叶轮通常采用成本非常低的传统的浇铸方式制造，而不是
9、机械加工制造。 随着发动机功率的不断提高，发动机的转速范围以及空气流量都发生了很大变化，各种排放法规也越来越苛刻，这些都对涡轮增压器也提出了相应的新要求。现代涡轮增压器叶轮具有1230个叶片，呈放射线状曲线排列，叶片具有复杂的三维曲面形状，壁厚小于0.5mm。显然，传统的浇铸方式已不能满足现代产品的工艺要求。 五轴联动加工方案 发动机技术以及加工工艺的进步都是飞速的，而且相得益彰，当硬度更高、性能更优异、能够耐受1000左右高温的材料用于发动机及涡轮增压器时，柔性化生产、五轴加工、高速加工等技术正逐步发展成熟。 经过不断的探索，Turbocam公司的技术团队对涡轮增压器叶轮加工的现代化加工工艺
10、以及机床、CAM软件等进行了认真的分析，最终得出的结论：对于具有复杂且非标准形状的叶轮的大批量加工，必须采用高速、高自动化的五轴联动加工方案，随后，Turbocam公司专门成立了自动化生产系统部（TAPS），并很快在来自瑞士GF 阿奇夏米尔集团的高性能米克朗HSM 400U型五轴联动加工中心上成功进行了24h无人看守、连续加工卡车涡轮增压器叶轮的试验。无论整体加工速度、加工精度，还是工件的自动更换，米克朗HSM 400U型机床都完全满足了Turbocam公司的要求。 Turbocam公司的叶轮加工业务在持续拓展。前不久，TAPS搬到了其全球总部所在地的一座新的具有世界水平的制造中心。在这个新的
11、制造中心里，18台米克朗HSM 400U五轴联动高速加工中心专门从事以不锈钢、钛钢坯等为材料的20余种卡车涡轮增压器叶轮的生产，而且多数加工中心安装了托盘交换装置，使得生产效率更高，机床利用率更高，TAPS的叶轮年产量可达几十万件。 加工利器米克朗HSM 400U 米克朗HSM 400U型五轴联动加工中心是瑞士GF 阿奇夏米尔集团铣削技术部新一代高速铣床的杰作之一，瑞士GF 阿奇夏米尔集团铣削技术部甚至凭借它在五轴联动高速加工领域建立了新的标准。这些标准包括动态特性（包括所有5个轴）、工件加工精度、人机友好界面、自动化和过程可靠性以及优越的操作性能等，其中最吸引人的特性是，对于各轴、高速回转/
12、摆动工作台均配有液冷式直接驱动装置，这种直接驱动技术可使回转/摆动工作台的动态特性达到新的水平。该机可配工件托盘交换装置，实现无人化自动加工。显然，米克朗HSM 400U为用户将来的发展提供了高度的附加值。 对于Turbocam公司的叶轮加工而言，米克朗HSM 400U所表现出的多种先进技术使其在多方面大大受益。 1、高性能主轴与高速加工 高速加工是Turbocam公司的一贯作风，速度是其在生产中的各个阶段都需要不断加快的。 HSM 400U型机床的回转/摆动工作台采用了线性电机驱动技术，旋转轴的设计和结构使其速度能够达到传统旋转工作台速度的25倍。主轴电机采用混合陶瓷滚珠轴承液体冷却技术，从
13、而实现了在TAPS应用中40000r/min的高转速可靠运行。 2、高精确性和高动态性的刀具系统 HSM 400U型机床配备有激光测量系统，可以对刀具的长度和半径进行准确监测，同时，玻璃光栅尺线性测量系统可以确保极高的定位精度，从而带来极其精确的动态加工特性，并可满足快速连续加工复杂的螺旋形叶轮时加工所需的大于1g的加速度或减速度。 3、完美的表面加工质量 HSM 400U型机床具有的混凝土聚合床身为加工过程提供了极高的刚性、良好的减振效果以及极高的热稳定性，为实现更高的零件表面光洁度和精度提供了保障，同时也减小了刀具磨损。 夹紧、定位、工件交换和先进的控制系统也都处处体现着HSM 400U型
14、机床的优秀特性，从而更加确保了零件加工完毕时的表面质量。 4、先进的控制系统和CAM软件 HSM 400U型机床采用海德汉iTNC530控制系统，具有较高的信息处理速度，可以运行包含有零件几何形状等信息在内的2MB子程序。此外，该系统还具有许多标准特性与配置，如3D图形和3D刀具补偿仿真、1.5G硬盘和以太网接口等。 当然，Turbocam公司成功的关键因素还包括他们定制和编写五轴CAM软件的能力。 在米克朗HSM 400U型机床的实际生产中，Turbocam公司和加拿大CAMplete Solutions Inc软件公司合作开发出了更为先进的TruePath软件，全面优化了HSM系列机床的五
15、轴加工精度、速度和质量。在用CAM编程以后，Turbocam公司的工程技术人员利用TruePath检查和优化HSM 400U型机床的刀具路径，从而可以减少错误、估计周期时间并优化计算出的进给速度等。 无人看守的可靠运行 总之，瑞士GF 阿奇夏米尔集团的米克朗HSM 400U型机床为Turbocam公司提供了在一个生产周期内，80的时间可以无人看守、100正常运行的高可靠性。 在Turbocam公司位于美国巴灵顿（Barrington）的另一个工厂里，有6个由ABB机器人和3R机械手组成的机器人工作单元，其中的3个机械手与来自瑞士GF 阿奇夏米尔集团的加工中心配合使用，实现工件的自动传送。在这里
16、，小型叶轮的加工时间通常仅需0.5h，如果采用两台机床加工150个工件，机床可以为用户提供37.5h的无人看守运行时间。 (end) 螺纹加工的两种切削加工和滚压加工介绍2009-4-1 来源： 中国机床商务网 在工件上加工出内、外螺纹的方法，主要有切削加工和滚压加工两类。简史螺纹原理的应用可追溯到公元前 220年希腊学者阿基米德创造的螺旋提水工具。公元4世纪,地中海沿岸国家在酿酒用的压力机上开始应用螺栓和螺母的原理。当时的外螺纹都是用一条绳子缠绕到一根圆柱形棒料上,然后按此标记刻制而成的。而内螺纹则往往是用较软材料围裹在外螺纹上经锤打成形的。1500年左右,意大利人列奥纳多达芬奇绘制的螺纹加
17、工装置草图中，已有应用母丝杠和交换齿轮加工不同螺距螺纹的设想。此后，机械切削螺纹的方法在欧洲钟表制造业中有所发展。1760年，英国人J.怀亚特和W.怀亚特兄弟获得了用专门装置切制木螺钉的专利。1778年，英国人J.拉姆斯登曾制造一台用蜗轮副传动的螺纹切削装置，能加工出精度很高的长螺纹。1797年，英国人H.莫兹利在由他改进的车床上，利用母丝杠和交换齿轮车削出不同螺距的金属螺纹，奠定了车削螺纹的基本方法。19世纪20年代，莫兹利制造出第一批加工螺纹用的丝锥和板牙。20世纪初，汽车工业的发展进一步促进了螺纹的标准化和各种精密、高效螺纹加工方法的发展，各种自动张开板牙头和自动收缩丝锥相继发明，螺纹铣
18、削开始应用。30年代初，出现了螺纹磨削。螺纹滚压技术虽在19世纪初期就有专利，但因模具制造困难，发展很慢，直到第二次世界大战时期(19421945)，由于军火生产的需要和螺纹磨削技术的发展解决了模具制造的精度问题，才获得迅速发展。螺纹切削一般指用成形刀具或磨具在工件上加工螺纹的方法，主要有车削、铣削、攻丝、套丝、磨削、研磨和旋风切削等。车削、铣削和磨削螺纹时，工件每转一转，机床的传动链保证车刀、铣刀或砂轮沿工件轴向准确而均匀地移动一个导程。在攻丝或套丝时,刀具(丝锥或板牙)与工件作相对旋转运动，并由先形成的螺纹沟槽引导着刀具(或工件)作轴向移动。螺纹车削(图1)在车床上车削螺纹可采用成形车刀或
19、螺纹梳刀(见螺纹加工工具)。用成形车刀车削螺纹，由于刀具结构简单，是单件和小批生产螺纹工件的常用方法；用螺纹梳刀车削螺纹，生产效率高，但刀具结构复杂，只适于中、大批量生产中车削细牙的短螺纹工件。普通车床车削梯形螺纹的螺距精度一般只能达到89级(JB2886-81，下同);在专门化的螺纹车床上加工螺纹，生产率或精度可显著提高。螺纹铣削(图2)在螺纹铣床上用盘形铣刀或梳形铣刀进行铣削。盘形铣刀主要用于铣削丝杆、蜗杆等工件上的梯形外螺纹。梳形铣刀用于铣削内、外普通螺纹和锥螺纹，由于是用多刃铣刀铣削、其工作部分的长度又大于被加工螺纹的长度，故工件只需要旋转1.251.5转就可加工完成,生产率很高。螺纹
20、铣削的螺距精度一般能达89级，表面粗糙度为Ra50.63微米。这种方法适用于成批生产一般精度的螺纹工件或磨削前的粗加工。螺纹磨削主要用于在螺纹磨床上加工淬硬工件的精密螺纹(图3), 按砂轮截面形状不同分单线砂轮和多线砂轮磨削两种。单线砂轮磨削能达到的螺距精度为56级，表面粗糙度为Ra1.250.08微米，砂轮修整较方便。这种方法适于磨削精密丝杠、螺纹量规、蜗杆、小批量的螺纹工件和铲磨精密滚刀。多线砂轮磨削又分纵磨法和切入磨法两种。纵磨法的砂轮宽度小于被磨螺纹长度，砂轮纵向移动一次或数次行程即可把螺纹磨到最后尺寸。切入磨法的砂轮宽度大于被磨螺纹长度，砂轮径向切入工件表面，工件约转1.25转就可磨
21、好，生产率较高，但精度稍低，砂轮修整比较复杂。切入磨法适于铲磨批量较大的丝锥和磨削某些紧固用的螺纹。螺纹研磨用铸铁等较软材料制成螺母型或螺杆型的螺纹研具，对工件上已加工的螺纹存在螺距误差的部位进行正反向旋转研磨，以提高螺距精度。淬硬的内螺纹通常也用研磨的方法消除变形，提高精度。攻丝和套丝攻丝(图4)是用一定的扭距将丝锥旋入工件上预钻的底孔中加工出内螺纹。套丝(图5)是用板牙在棒料(或管料)工件上切出外螺纹。攻丝或套丝的加工精度取决于丝锥或板牙的精度。加工内、外螺纹的方法虽然很多，但小直径的内螺纹只能依靠丝锥加工。攻丝和套丝可用手工操作，也可用车床、钻床、攻丝机和套丝机。螺纹滚压用成形滚压模具使
22、工件产生塑性变形以获得螺纹的加工方法。螺纹滚压一般在滚丝机。搓丝机或在附装自动开合螺纹滚压头的自动车床上进行，适用于大批量生产标准紧固件和其他螺纹联接件的外螺纹。滚压螺纹的外径一般不超过 25毫米，长度不大于100毫米，螺纹精度可达2级(GB197-63),所用坯件的直径大致与被加工螺纹的中径相等。滚压一般不能加工内螺纹，但对材质较软的工件可用无槽挤压丝锥冷挤内螺纹(最大直径可达30毫米左右)，工作原理与攻丝类似。冷挤内螺纹时所需扭距约比攻丝大1倍,加工精度和表面质量比攻丝略高。 螺纹滚压的优点是：表面粗糙度小于车削、铣削和磨削；滚压后的螺纹表面因冷作硬化而能提高强度和硬度；材料利用率高；生产
23、率比切削加工成倍增长，且易于实现自动化；滚压模具寿命很长。但滚压螺纹要求工件材料的硬度不超过HRC40;对毛坯尺寸精度要求较高；对滚压模具的精度和硬度要求也高，制造模具比较困难；不适于滚压牙形不对称的螺纹。按滚压模具的不同，螺纹滚压可分搓丝和滚丝两类。搓丝两块带螺纹牙形的搓丝板错开1/2螺距相对布置，静板固定不动，动板作平行于静板的往复直线运动。当工件送入两板之间时，动板前进搓压工件，使其表面塑性变形而成螺纹(图6)。 滚丝有径向滚丝、切向滚丝和滚压头滚丝3种。径向滚丝：2个(或3个)带螺纹牙形的滚丝轮安装在互相平行的轴上,工件放在两轮之间的支承上,两轮同向等速旋转(图7)，其中一轮还作径向进给运动。工件在滚丝轮带动下旋转，表面受径向挤压形成螺纹。对某些精度要求不高的丝杠，也可采用类似的方法滚压成形。切向滚丝：又称行星式滚丝，滚压工具由1个旋转的中央滚丝轮和3块固定的弧形丝板组成(图8)。滚丝时，工件可以连续送进，故生产率比搓丝和径向滚丝高。滚丝头滚丝：在自动车床上进行，一般用于加工工件上的短螺纹。滚压头中有34个均布于工件外周的滚丝轮(图9)。滚丝时,工件旋转，滚压头轴向进给，将工件滚压出螺纹。文章链接：中国机床商务网
