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摘 要:螺纹的加工方式一般分为攻丝、车削和铣削,在实际生产应用中,需要根据基体材料、螺纹大小和深度的实际情况选择相应的加工方式。本文以采用锻钢为材料的G32柴油发动机曲轴等为例,从加工效率、成本、加工质量等方面对各种加工方式的优劣进行对比,并着重阐述铣削螺纹的应用。
关键词:螺纹铣削;刀具耐用度;加工质量;加工效率
由于技术的发展以及市场的变化,船用柴油发动机产品系列从过去的300、320、230发展到如今比较先进的G32。多年来,随着产品单位功率的不断提升,以及对产品的稳定性、可靠性及耐用性要求的日益提升,对于曲轴等部件的刚度、强度、耐疲劳等方面的要求也越来越高。
发动机中的曲轴如图1所示,由于在工作过程中高速旋转,对于动平衡的要求较高,一般都是采用在曲轴上附加平衡块的方式,来调节曲轴的动平衡性能。而在通常情况下,平衡块大都是以螺纹联接的方式安装在曲轴上,如图2、3所示,其中图2-a为曲轴平衡块安装位置加工完毕后的螺孔,图2-b为在曲轴上安装双头螺柱。图3-a为平衡块在曲轴上的码合示意图,图3-b为平衡块码合现场图。
通常情况下,在加工时都会优先选用攻螺纹的方式,尤其是在基体材料为铸铁、螺纹公称直径小、导程小、旋合长度短、对于螺纹精度、垂直度要求不高的情况下。然而,采用42CrMoA锻钢材料的G32曲轴,需要加工M45X3-6H的螺纹(盲孔),螺纹深度达60mm,基体材料加工难度大、螺纹公称直径大,且为了保证联接质量,对于垂直度要求高。在这种情况下,选择攻螺纹就不很理想了。为了找到高效、高质量、相对低成本的加工方式,笔者及技术团队就该螺纹的加工进行了一系列实验,并进行了对比总结(不讨论联接面的铣削、螺纹底孔加工)。
1 攻螺纹
因为螺纹尺寸较大,所以采用头攻、二攻和三攻的方式进行。在加工过程中,为了冷却和排屑,需多次退刀,并辅以人工清理(盲孔),加工效率极低。一般完整加工一条曲轴需要三班制连续工作一个星期。且在加工过程中,因切削力大,基体材料有一定的粘性,多次出现丝锥卡死、甚至崩断的情况,给加工过程造成极大的困扰。
对照设计要求螺纹孔对联接面⊥0.2,要求联接面接触面积≥60%,在试切削加工完毕后进行实测,符合相关图纸的设计要求。但经过多次加工后发现,通过攻丝加工螺纹,比较容易出现垂直度超差,从而使得旋合长度、平衡块与曲轴联接面不符合要求的情况。
2 铣削螺纹
鉴于攻螺纹不理想,笔者及技术团队开始尝试采用铣削的方式加工螺纹,主要过程如下:
2.1 采用整体式螺纹铣刀加工
为保证加工质量,并在一定程度上提升刀具的耐用度,加工时采用含Co整体高速钢材料,带TiAlN涂层的整体螺纹铣刀,外形如图4所示。
采用整体式螺纹铣刀可以在一定程度上提供生产效率,降低工人的劳动强度,并提高产品质量的稳定性。在进行产品试制的过程中,平均大概25min可以加工完一个螺纹孔。经过实测,新刀基本上可以保证加工的质量,到第四个孔以后,容易发生超差,一般需要修改刀具补偿值后,再用原加工程序补走一刀。
当螺纹孔深度比较大时,因刀具整体受力大,容易产品弯曲变形,故会产生锥度,需要严格控制刀具伸出部分的长度,尽量降低锥度。另外,整体式螺纹铣刀在加工过程中,所有刀刃均在加工,排屑不畅和冷却不到位,损耗比较快,而且因为刃磨存在难度,一般无返修的价值。
经过在其他公称直径和深度的螺纹孔上进行加工,我们得出结论:整体式螺纹铣刀优点是结构紧凑,装夹和校正便捷,比较适合加工中、小直径,深度较短的螺纹。但不很适合类似G32曲轴上面M45X3-6H这类螺纹的加工。
2.2 采用多槽可转位螺纹铣刀加工
综合考虑所加工的基体材料等,选择型号为BRTMC2530-80S4的刀杆,以及硬质合金外敷TiCN(金属陶瓷)的刀片,外观如图5所示。经查验资料,这种涂层材料比氮化钛涂层硬度高,耐磨性好,而且进给速度和切削速度分别高出40%和60%。
实际加工过程中,我们发现,在许可的切削速度下,涂敷金属陶瓷的刀片去除材料效率高,而且表面粗糙度质量高。通常情况下,加工1个螺纹孔需要26min。刀具可连续加工48个螺纹孔,但从第6个螺纹孔开始容易产生偏差,需要修改刀补后再走一程。
相比使用整体式螺纹铣刀加工来说,多槽可转位螺纹铣刀加工单孔螺纹的时间略长,但因为刀片相对耐用,需要的辅助时间少,所以整体加工效率进一步提升。另外由于实际参与切削的刀具齿数少,刀具受力相比小,变形小,加工精度和表面质量也比较高。另外,在刀片失效后,只需更换刀片即可,大大降低了使用的成本。
经过试验,多槽可转位螺纹铣刀加工效率高,在机床主轴功率足够大,排屑和冷却条件良好的前提下,比较适合用于螺纹孔的加工。
2.3 采用单齿螺纹铣刀加工
单齿螺纹铣刀又称深孔加工螺纹铣刀,外观如图6所示。通常在刀杆径向上分布2-4个加工刀片。与传统螺纹铣刀不同的是,因传统螺纹铣刀刀刃上有多个螺纹加工齿,加工过程刀具与工具接触面积大,受力也大,从而导致刀杆挠度增加,影响加工质量,而单齿螺纹铣刀则在一定程度上解决了这个问题。
为了提高加工效率,延长刀具的使用寿命,同时也具备可比性,单齿螺纹铣刀刀片也采用硬质合金外敷TiCN。
经过现场试验,加工1个螺纹孔大概用时27min。刀具基本上可以连续加工48个螺孔,并且基本不用做调整即可以满足尺寸和形状精度的要求。
同理,相对于多槽可转位螺纹铣刀来说,单齿螺纹铣刀加工单孔的时间略长(加工速度高,但同时参与切削的齿少),但其加工的质量更加稳定,大大减少辅助加工时间,刀片成本更加低廉,整体上来说还是更加优越的。
3 各种螺纹加工形式对比
为便于讨论,现将上述螺纹加工方式的基本情况整理列表如下(表1:加工效率和质量,表2:刀具损耗成本,表3:综合评价),从加工效率和质量、刀具损耗成本等方面进行比对。通过比对不难看出,四种不同的加工方式加工G32曲轴平衡块的螺纹孔,采用单齿螺纹铣刀最适合。
综上所述,在加工G32曲轴平衡块联接螺纹等较大尺寸、基体材料比较难加工、对精度要求较高的螺纹时,铣削螺纹比攻螺纹好。与此同时,综合考虑加工成本、质量和效率,采用单齿螺纹铣刀加工的效果最佳。
4 结论
在实际生产中,要综合考虑基体材料、螺纹公称直径、螺纹长度、冷却方式等因素,采用相对应的加工方式,切不可以偏概全。通过实际加工试验,比对各项数据,可以找到比较适合加工某类螺纹孔工艺。
另外,在查询各类文献和与其他企业交流生产工艺规范时,可以发现,目前铣削螺纹的应用还不是特别广泛,在某些专业和工艺标准文献中,甚至没有提及螺纹铣削。然而,在当前加工制造业高速发展的今天,很多大规格、难加工材料的螺纹,已经广泛使用铣削螺纹的方式进行加工。
必须说明的是,无论是何种途径加工螺纹,冷却都是至关重要的环节。本文所加工的G32曲轴的螺纹孔,因为刀具高速旋转,又是盲孔,采用外部冷却时冷却液难以进入加工区域,基本起不到冷却的作用,所以都是采用内部冷却的方式。与此同时,刀具的刚性对于加工质量也非常重要,一般来说,加工螺纹的长径比不宜超过3,如果超过,需要采用其他辅助方式进行加工,避免出现垂直度超差、圆柱度超差、表面粗糙度不满足要求等。另外,即使长径比不超差,,刀杆的外伸长度也应该尽量短。
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