弱剛性結(jié)構(gòu)件螺紋孔數(shù)控加工方法

1

序言弱剛性結(jié)構(gòu)件是在加工過程中存在加工回彈的薄壁類焊接件，是工程機(jī)械行業(yè)較為常見的結(jié)構(gòu)形式。此類工件加工部位板厚小，且加工部位周圍無剛性加強(qiáng)，在刀具切入時(shí)，加工部位產(chǎn)生彈性變形，加工的孔徑與機(jī)床主軸產(chǎn)生夾角，刀具退出時(shí)，機(jī)床帶動(dòng)刀具往后拉，工件恢復(fù)原狀，刀具則受到較大的拉力，使刀具和工件容易受到損壞。為抵消加工過程中的變形，需采用軸向及周向均存在“游隙”的機(jī)床。目前行業(yè)內(nèi)普遍使用搖臂鉆床，搖臂鉆床雖操作簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)，但攻螺紋勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量較差，不利于加工自動(dòng)化率的提升，而常規(guī)的數(shù)控攻螺紋對(duì)機(jī)床精度及工件剛性有較高的要求，無法解決弱剛性結(jié)構(gòu)件數(shù)控攻螺紋存在的問題。因此筆者自制了一種非標(biāo)攻螺紋刀具，實(shí)現(xiàn)了弱剛性結(jié)構(gòu)件數(shù)控攻螺紋。2

工程機(jī)械行業(yè)常用攻螺紋方式目前工程機(jī)械行業(yè)大型結(jié)構(gòu)件螺紋孔的攻螺紋方式主要有：搖臂鉆床攻螺紋、數(shù)控機(jī)床剛性攻螺紋及數(shù)控機(jī)床柔性攻螺紋三種[1]，具體的實(shí)現(xiàn)方式如下。

2.1

搖臂鉆床攻螺紋搖臂鉆床是一種孔加工設(shè)備，其搖臂可繞立柱回轉(zhuǎn)和升降，主軸箱在搖臂上作水平移動(dòng)，可以用來鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋和修刮端面等。搖臂鉆床操作靈活，適用范圍廣，特別適用于大型零件多孔的單件或批量生產(chǎn)。使用搖臂鉆床攻螺紋（見圖1）需操作人員時(shí)刻在機(jī)床前操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工受人為因素影響較大，螺紋孔定位精度差，加工的螺紋孔精度較差（見圖2）。圖1

搖臂鉆床攻螺

圖2

搖臂鉆床攻螺紋精度較差另外，使用搖臂鉆床攻螺紋時(shí)，還要添加攻螺紋油，通常使用鉛油，可以降低切削溫度，增加攻螺紋潤(rùn)滑性，以保證切削精度及絲錐壽命。該操作步驟需操作人員手工涂抹，重復(fù)勞動(dòng)強(qiáng)度大，且攻螺紋油影響螺紋孔及工件的清潔度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響油漆附著力。2.2

數(shù)控機(jī)床剛性攻螺紋剛性攻螺紋是機(jī)床控制主軸的旋轉(zhuǎn)與Z軸的進(jìn)給一直保持同步的一種攻螺紋方法，剛性攻螺紋要求攻螺紋刀具和主軸嚴(yán)格固定，同伸縮，同旋轉(zhuǎn)。由于數(shù)控機(jī)床的刀柄是剛性的，沒有自動(dòng)調(diào)整間隙的功能，所以在主軸上安裝了位置編碼器，其原理為C軸編碼器走一圈，螺距轉(zhuǎn)一圈。攻螺紋精度高，加工效率高。剛性攻螺紋常使用的刀具為模式鉆柄加ER彈簧夾套，刀具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，如圖3所示。由于主軸轉(zhuǎn)角與Z軸進(jìn)給始終保持同步，因此，加工出的螺紋精度高，如圖4所示。絲錐夾頭與絲錐之間的聯(lián)接方式為剛性夾持，且主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給建立嚴(yán)格的直線比例關(guān)系，因此，刀具強(qiáng)度高，攻螺紋效率高。但是剛性攻螺紋對(duì)機(jī)床精度及工件的裝夾穩(wěn)定性有較高要求，不適合加工弱剛性結(jié)構(gòu)件的螺紋孔。圖3

剛性攻螺紋刀具

圖4

剛性攻螺紋樣品2.3

數(shù)控機(jī)床柔性攻螺紋柔性攻螺紋也稱浮動(dòng)攻螺紋，是主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給沒有嚴(yán)格的同步比例關(guān)系的一種攻螺紋方式。這種方式絲錐是軸向浮動(dòng)的，絲錐的軸向運(yùn)動(dòng)由其切入工件的螺紋來驅(qū)動(dòng)，依靠絲錐的自導(dǎo)向能力，只需提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即可。加工中心柔性攻螺紋常采用帶柔性攻螺紋夾頭的刀具，如圖5所示，使用西門子840D系統(tǒng)MCALLCYCLE840柔性攻螺紋循環(huán)進(jìn)行數(shù)控攻螺紋。攻螺紋刀具夾持部位帶過載保護(hù)離合器，當(dāng)攻螺紋轉(zhuǎn)矩超過刀具設(shè)定轉(zhuǎn)矩時(shí)，過載保護(hù)離合器斷開，絲錐停止進(jìn)給，以防止絲錐斷裂。圖5

柔性攻螺紋刀具柔性攻螺紋因?yàn)榇嬖诶鄯e誤差，主軸轉(zhuǎn)速較剛性攻螺紋低，所以加工中心柔性加工效率較低，適用于中小批量生產(chǎn)。柔性攻螺紋的機(jī)床參數(shù)較少，直接調(diào)用柔性攻螺紋循環(huán)即可，對(duì)調(diào)試人員要求不高。但當(dāng)加工弱剛性結(jié)構(gòu)件時(shí)，螺紋孔加工部位產(chǎn)生局部變形，導(dǎo)致攻螺紋轉(zhuǎn)矩超出刀具設(shè)定轉(zhuǎn)矩，無法完成正常攻螺紋。3

弱剛性結(jié)構(gòu)件螺紋孔加工卷揚(yáng)框架是起重機(jī)上一種重要的結(jié)構(gòu)件，如圖6所示，該結(jié)構(gòu)由法蘭盤與立板焊接而成，且兩側(cè)立板較薄，當(dāng)加工法蘭盤上的螺紋孔時(shí)，工件受軸向及徑向切削力，由于加工部位剛性差，攻螺紋刀具相對(duì)于后尾產(chǎn)生相對(duì)作用力，致使后尾立板變形。螺紋底孔的軸線與刀具絲錐的軸線偏差，如圖7所示。圖6

卷揚(yáng)框架圖7

螺紋底孔的軸線與刀具絲錐的軸線偏差經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，使用剛性攻螺紋刀具加工卷揚(yáng)框架螺紋孔時(shí)，由于立板變形，當(dāng)絲錐退出時(shí)，機(jī)床帶動(dòng)絲錐往后拉，工件恢復(fù)原狀，絲錐則受到工件較大的拉力，導(dǎo)致斷裂，如圖8所示。使用柔性攻螺紋刀具加工卷揚(yáng)框架螺紋孔時(shí)，由于立板變形，絲錐受到較大的軸向及徑向的反作用力，攻螺紋轉(zhuǎn)矩超出攻螺紋刀具設(shè)定的轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致絲錐空轉(zhuǎn)，無法完成攻螺紋，如圖9所示。

圖8剛性攻螺紋試驗(yàn)圖9

柔性攻螺紋試驗(yàn)通過上述分析可知，無論是剛性攻螺紋刀具還是帶柔性夾頭的攻螺紋刀具，均無法實(shí)現(xiàn)此類工件的螺紋孔數(shù)控攻螺紋，因此，需設(shè)計(jì)制造一種非標(biāo)攻螺紋刀具，以解決標(biāo)準(zhǔn)攻螺紋刀具存在的問題，實(shí)現(xiàn)加工中心數(shù)控攻螺紋，提升結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化水平。4

自制攻螺紋刀具4.1

自制攻螺紋刀具結(jié)構(gòu)根據(jù)公司弱剛性結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造一種柔性攻螺紋刀具[2]。該刀具主要由刀柄、滑動(dòng)軸、緩沖彈簧和絲錐夾頭組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖10所示。刀柄2通過加長(zhǎng)螺栓1與螺紋座3（周向帶彈簧銷）聯(lián)接；緩沖彈簧4通過螺紋座5（周向帶彈簧銷）與滑動(dòng)軸7聯(lián)接，緩沖彈簧4通過螺紋座3（周向帶彈簧銷）與刀柄2聯(lián)接；刀夾8與滑動(dòng)軸7聯(lián)結(jié)，同時(shí)安裝絲錐9；螺栓6保證滑動(dòng)軸7在刀柄2內(nèi)腔軸向滑動(dòng)。圖10

自制攻螺紋刀具

1—加長(zhǎng)螺栓

2—刀柄

3、5—螺紋座（周向帶彈簧銷）

4—緩沖彈簧

6—螺栓

7—滑動(dòng)軸

8—刀夾

9—絲錐4.2

攻螺紋原理該自制刀具是一種軸向及周向均存在“游隙”的攻螺紋刀具，可有效抵消加工過程中存在的變形回彈力，具體刀具攻螺紋原理如下。（1）攻螺紋過程

絲錐旋入工件過程中，彈簧壓縮，向內(nèi)產(chǎn)生壓力，抵消了結(jié)構(gòu)件的變形，使切削力方向與攻螺紋方向一致，保證絲錐順利懸入工件，如圖11所示。a）絲錐導(dǎo)向部分開始進(jìn)入絲孔

b）完成攻螺紋圖11

攻螺紋過程（2）絲錐退出

絲錐退出過程中，彈簧拉伸，向外產(chǎn)生拉力，抵消了結(jié)構(gòu)件的變形，使切削力方向與刀具退出方向一致，保證絲錐順利退出工件，如圖12所示。

a）絲錐完成攻螺紋

b）絲錐退出絲孔

圖12

攻螺紋退出4.3

攻螺紋刀具制造該攻螺紋刀具的主要加工部件為刀柄及滑動(dòng)軸，其尺寸精度及幾何公差要求較高。（1）刀柄加工

具體加工過程及注意事項(xiàng)如下。1）刀柄的關(guān)鍵尺寸主要有錐柄的尺寸及錐度、拉釘安裝孔尺寸、滑腔內(nèi)外圓尺寸以及兩端部的同軸度。2）具體加工工藝流程為：鋸料車滑腔外圓內(nèi)孔留精鏜加工余量車錐柄外圓尺寸車?yán)敯惭b孔車刀柄圓環(huán)槽銑鍵槽精鏜滑腔內(nèi)孔。3）加工工藝流程如圖13所示。圖13刀柄加工工藝流程（2）滑動(dòng)軸加工

具體加工過程及注意事項(xiàng)如下。1）滑動(dòng)軸的關(guān)鍵尺寸主要有外圓、內(nèi)孔以內(nèi)外圓的同軸度。2）具體加工工藝流程為：鋸料車削絲錐安裝部分一側(cè)（外螺紋、錐孔）至圖樣要求車削過渡裝置車削滑動(dòng)軸滑動(dòng)部分。3）加工工藝流程及注意事項(xiàng)如圖14所示。圖14

滑動(dòng)軸加工工藝流程4.4攻螺紋過程將自制絲錐裝到主軸上，輸入MCALLCYCLE840攻螺紋循環(huán)程序[3]，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速300～400r/min，執(zhí)行程序指令，機(jī)床開始自動(dòng)攻螺紋。導(dǎo)向頭旋入螺紋底孔后，工件產(chǎn)生局部變形，絲錐頭部受到彈簧的壓力，沿著刀柄滑槽滑動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)完成對(duì)間隙的浮動(dòng)補(bǔ)償，抵消了結(jié)構(gòu)件的變形。攻螺紋結(jié)束后，機(jī)床主軸反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲錐懸出螺紋孔，絲錐頭部分受到彈簧的拉力，使絲錐自然沿著螺紋反轉(zhuǎn)出，避免了因焊接件回彈帶來的螺紋孔亂牙、絲錐破損等問題。4.5攻螺紋試驗(yàn)結(jié)果使用自制絲錐現(xiàn)場(chǎng)批量驗(yàn)證，如圖15所示。對(duì)公司各種不同的產(chǎn)品進(jìn)行攻螺紋試驗(yàn)，各型號(hào)后尾均能在臥式加工中心進(jìn)行數(shù)控攻螺紋，且絲錐壽命可達(dá)到理論攻螺紋壽命，加工效率較搖臂鉆攻螺紋提升6倍，且螺紋孔的加工精度及表面粗糙度較好，由此可見，此刀具可滿足起重