大功率機(jī)型推土機(jī)后橋箱內(nèi)螺紋加工工藝改進(jìn)

以大功率機(jī)型推土機(jī)后橋箱法蘭面內(nèi)螺紋加工為例，對(duì)設(shè)備選擇和組合刀具兩方面進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，充分利用加工中心設(shè)備高效、高精度的特點(diǎn)，引入螺紋銑刀、螺紋車刀等新型孔加工刀具，將螺紋加工工藝由搖臂鉆床攻螺紋改為加工中心螺紋銑削，為提高螺紋加工效率和保證螺紋質(zhì)量，又改為螺紋鏜削，最終大幅提升螺紋加工質(zhì)量及加工效率。1序言工程機(jī)械行業(yè)是裝備工業(yè)的重要組成部分，近年來工程機(jī)械市場(chǎng)需求逐漸向大功率大噸位趨勢(shì)轉(zhuǎn)化，隨著國(guó)內(nèi)外鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，對(duì)于大功率大噸位工程機(jī)械產(chǎn)品的需求大幅提升。推土機(jī)是一種工程車輛，前方裝有大型金屬推土刀，使用時(shí)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(jī)能單獨(dú)完成挖土、運(yùn)土和卸土工作，具有操作靈活、轉(zhuǎn)動(dòng)方便、所需工作面小及行駛速度快等特點(diǎn)。筆者公司研制的SD90大功率推土機(jī)（后橋箱見圖1）是我國(guó)工程機(jī)械高端制造的典型代表，是目前國(guó)內(nèi)最大功率、最高效率、最智能化的推土機(jī)產(chǎn)品之一，該款產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。圖1SD90后橋箱簡(jiǎn)圖筆者公司生產(chǎn)的SD32機(jī)型以上推土機(jī)，如SD60、SD90等，是大功率機(jī)型推土機(jī)。推土機(jī)后橋箱是焊接結(jié)構(gòu)件，它承擔(dān)著將變速箱輸出的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為中央傳動(dòng)裝置動(dòng)力和終傳動(dòng)裝置動(dòng)力的任務(wù)，是整個(gè)推土機(jī)動(dòng)力的核心。大功率推土機(jī)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(jī)型橋箱由于特殊工況原因，螺紋孔需要很高的聯(lián)接強(qiáng)度，具有加工精度要求高的特點(diǎn)，這就給內(nèi)螺紋加工帶來很大困難。現(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(jìn)背景2.1現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀況筆者公司螺紋加工設(shè)備主要為搖臂鉆床和攻螺紋機(jī)。搖臂鉆床是一種孔加工設(shè)備，可以用來鉆孔、擴(kuò)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(jī)械加工車間常見的機(jī)床。在筆者公司，搖臂鉆床承擔(dān)所有螺紋底孔的加工及M24mm以上螺紋的加工。攻螺紋機(jī)就是用絲錐加工內(nèi)螺紋的一種機(jī)床，它是應(yīng)用最廣泛的一種內(nèi)螺紋加工機(jī)床，特點(diǎn)是輕便、靈活、高效。攻螺紋機(jī)主要承擔(dān)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(gè)加工過程中用到的刀具包括鉆頭、絲錐。筆者公司現(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/T17984—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(jī)抽取φ27mm和φ30mm鉆頭，利用帕萊克對(duì)刀儀進(jìn)行頂角的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示，頂角均大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。用所測(cè)量的麻花鉆進(jìn)行鉆孔加工，孔徑均超差，對(duì)SD60后橋箱螺紋精度進(jìn)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(tái)SD60后橋箱共124個(gè)M30×3mm螺紋孔和40個(gè)M36×3mm螺紋孔，用通止規(guī)進(jìn)行檢測(cè)，共有61個(gè)螺紋孔不合格，螺紋孔合格率為62.8%，螺紋孔合格率較低。表1SD60后橋箱螺紋孔抽檢表2.2工藝改進(jìn)目的為了提高大功率推土機(jī)后橋箱螺紋的加工質(zhì)量及加工效率，同時(shí)為了實(shí)施公司智能制造的計(jì)劃，改進(jìn)工藝，充分利用加工中心高效、高精度的特點(diǎn)，替代原搖臂鉆床進(jìn)行螺紋加工。3改進(jìn)措施3.1用加工中心攻螺紋為提高螺紋孔合格率，試?yán)眉庸ぶ行母咝?、高精度的特性，替代原搖臂鉆床進(jìn)行攻螺紋加工，利用U鉆代替原高速鋼鉆頭。試驗(yàn)設(shè)備為昆明道斯機(jī)床有限公司生產(chǎn)的落地式銑鏜加工中心，型號(hào)為WRD130Q，試驗(yàn)工件為SD90后橋箱。利用U鉆鉆孔后，采用M30×3mm螺旋絲錐進(jìn)行攻螺紋，試驗(yàn)過程中由于加工螺紋直徑大、螺距大，加工時(shí)需要的切削力大，而機(jī)床功率不夠大，攻螺紋過程中無法轉(zhuǎn)動(dòng)絲錐，造成絲錐在工件內(nèi)卡死，試驗(yàn)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(shí)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(diǎn)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(jī)床需要具備三軸以上的聯(lián)動(dòng)功能，因?yàn)殂娤髀菁y是通過螺紋插補(bǔ)功能實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上就是使用成形螺紋銑刀沿螺旋插補(bǔ)軌跡進(jìn)行銑削加工的過程。機(jī)床運(yùn)行數(shù)控程序G03/G02X軸和Y軸圓弧插補(bǔ)一圈時(shí)，Z軸同步移動(dòng)一個(gè)螺距的量。在螺紋銑削過程中圓周運(yùn)動(dòng)形成螺紋直徑，而同步的直線運(yùn)動(dòng)形成螺距。用螺紋銑刀銑削螺紋時(shí)，刀具的進(jìn)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(jìn)給），同時(shí)沿Z軸插補(bǔ)；3→4：整圓切削，刀具插補(bǔ)一周，同時(shí)軸向移動(dòng)距離為一個(gè)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(huì)留下明顯的刀痕，有利于保護(hù)刀具和螺紋表面，因此在加工精密螺紋時(shí)一般使用該方法。在圓弧切入切出的同時(shí)，采用圖3所示的徑向遞減進(jìn)刀方式（D1＞D2＞D3＞D4），根據(jù)螺紋的牙型，通過刀補(bǔ)使得吃刀量逐漸減小，即實(shí)現(xiàn)了粗加工—半精加工—精加工。圖3徑向遞減進(jìn)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(jìn)行螺紋加工試驗(yàn)。首先利用單齒Vargus螺紋銑刀對(duì)圓鋼試件進(jìn)行銑削試驗(yàn)，如圖5所示，試件材質(zhì)為Q235，試驗(yàn)用設(shè)備為落地式銑鏜加工中心，型號(hào)為WRD130Q，試驗(yàn)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(cè)試（見圖6），經(jīng)測(cè)試所試驗(yàn)螺紋孔合格，螺紋銑削加工效果如圖7所示。a）Vargus螺紋銑刀b）CPT螺紋梳刀圖4螺紋銑削刀具圖5螺紋銑削試驗(yàn)圖6螺紋塞規(guī)測(cè)試圖7螺紋銑削加工效果試件試驗(yàn)合格后，對(duì)大功率機(jī)型后橋箱加工產(chǎn)品進(jìn)行工藝試驗(yàn)如圖8所示，試驗(yàn)對(duì)象為SD90后橋箱，材質(zhì)為板材焊合件，試驗(yàn)用設(shè)備為落地式銑鏜加工中心，型號(hào)為WRD130Q，切削方式為從內(nèi)向外，試驗(yàn)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(shí)間13min，效率為4.6mm/min。利用螺紋塞規(guī)測(cè)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。a）正面b）背面圖8單齒銑刀螺紋銑削加工工藝試驗(yàn)a）整體效果b）局部效果圖9單齒銑刀螺紋銑削效果利用CPT螺紋梳刀對(duì)SD90后橋箱進(jìn)行螺紋工藝試驗(yàn)，如圖10所示，試驗(yàn)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(shí)間9.33min，效率為6.43mm/min。加工效率比單齒銑刀高，但是當(dāng)螺紋銑刀切入接近全牙型時(shí)，由于刀具與工件接觸面積大，試驗(yàn)過程中刀具振動(dòng)嚴(yán)重，無法保證螺紋的表面質(zhì)量及螺紋精度，所以對(duì)于大功率機(jī)型后橋箱的螺紋加工，我公司只能采用單齒螺紋銑刀進(jìn)行螺紋加工。圖10CPT螺紋梳刀銑削試驗(yàn)經(jīng)過試驗(yàn)跟蹤，螺紋銑削加工效率較低，以SD90后橋箱為例，單個(gè)螺紋孔平均銑削時(shí)間11.6min，法蘭面上82個(gè)螺紋孔的銑削時(shí)間約為15.9h。3.3用加工中心進(jìn)行螺紋鏜削鏜削是指將工件預(yù)制孔擴(kuò)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(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，切削刃的運(yùn)動(dòng)軌跡就形成了工件的螺紋加工過程，在車床上車削螺紋時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)，刀具做軸向進(jìn)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(duì)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(shí)在軸向上移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，切削刃的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(jìn)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(jìn)行試驗(yàn)，如圖16所示。試件材質(zhì)為Q235，試驗(yàn)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(hào)為GLU23×30，試件為Q235鋼板，試驗(yàn)參數(shù)為vf=3mm/min，n=300r/min。進(jìn)刀方式為側(cè)式不等距進(jìn)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(cè)，螺紋表面質(zhì)量良好，加工精度高。圖14NBH2084精密鏜頭圖15山高螺紋車刀桿及刀片圖16螺紋鏜削試驗(yàn)試件試驗(yàn)合格后，對(duì)大功率機(jī)型后橋箱加工產(chǎn)品進(jìn)行工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為SD90后橋箱，如圖17所示，材質(zhì)為板材焊合件，試驗(yàn)用設(shè)備為落地式銑鏜加工中心，型號(hào)為WRD130Q，切削方式為側(cè)式不等距進(jìn)刀，總吃刀量按照刀具樣本推薦值分12刀（見表2）。試驗(yàn)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(shí)間0.8min，效率為75mm/min。經(jīng)過計(jì)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(cè)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。a）整體b）局部圖17SD90后橋箱螺紋鏜削圖18

螺紋鏜削效果表2ISO公制外螺紋吃刀量推薦

（單位：mm）4工藝改進(jìn)效果對(duì)比采用螺紋鏜削工藝持續(xù)對(duì)SD90后橋箱進(jìn)行加工跟蹤，進(jìn)行5臺(tái)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(gè)螺紋孔鏜削加工時(shí)間為1.1min，法蘭面上82個(gè)螺紋孔的鏜削時(shí)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。與搖臂鉆攻螺紋及加工中心螺紋銑削進(jìn)行對(duì)比見表4，可以得出如下結(jié)論。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(gè)螺紋加工時(shí)間為1.1min，相比螺紋銑削加工時(shí)間降低91.58%。表3SD90后橋箱螺紋孔抽檢情況表4改進(jìn)前后效果對(duì)比3）加工中心螺紋鏜削生產(chǎn)成本相比螺紋銑削降低9