賀玉嶺，田伍臣，雷寧寧，崔克誠

山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272073

賀玉嶺

1 序言

工程機械行業(yè)是裝備工業(yè)的重要組成部分，近年來工程機械市場需求逐漸向大功率大噸位趨勢轉化，隨著國內(nèi)外鐵路、公路等基礎設施的不斷建設，對于大功率大噸位工程機械產(chǎn)品的需求大幅提升。推土機是一種工程車輛，前方裝有大型金屬推土刀，使用時放下推土刀，向前鏟削并推送泥、沙及石塊等，推土刀位置和角度可調。推土機能單獨完成挖土、運土和卸土工作，具有操作靈活、轉動方便、所需工作面小及行駛速度快等特點。我公司研制的SD90大功率推土機（后橋箱見圖1）是我國工程機械高端制造的典型代表，是目前國內(nèi)最大功率、最高效率、最智能化的推土機產(chǎn)品之一，該款產(chǎn)品性能達到國際先進水平。

圖1 SD90后橋箱簡圖

我公司生產(chǎn)的SD32機型以上推土機，如SD60、SD90等，是大功率機型推土機。推土機后橋箱是焊接結構件，它承擔著將變速箱輸出的動力轉化為中央傳動裝置動力和終傳動裝置動力的任務，是整個推土機動力的核心。大功率推土機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。大功率機型橋箱由于特殊工況原因，螺紋孔需要很高的聯(lián)接強度，具有加工精度要求高的特點，這就給內(nèi)螺紋加工帶來很大困難?，F(xiàn)有大直徑內(nèi)螺紋加工工藝難以滿足工件加工質量要求，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 工藝改進背景

2.1 現(xiàn)場生產(chǎn)狀況

我公司螺紋加工設備主要為搖臂鉆床和攻螺紋機。搖臂鉆床是一種孔加工設備，可以用來鉆孔、擴孔、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，是一般機械加工車間常見的機床[1]。在我公司，搖臂鉆床承擔所有螺紋底孔的加工及M24mm以上螺紋的加工。攻螺紋機就是用絲錐加工內(nèi)螺紋的一種機床，它是應用最廣泛的一種內(nèi)螺紋加工機床，特點是輕便、靈活、高效。攻螺紋機主要承擔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，所以螺紋的整個加工過程中用到的刀具包括鉆頭、絲錐。我公司現(xiàn)在所用鉆頭材料為高速鋼，鉆頭的刃磨質量直接關系到鉆孔質量和鉆削效率，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/T 17984—2010中規(guī)定，麻花鉆頂角角度為118°±3°。在刃磨好的鉆頭中，隨機抽取φ27mm和φ30mm鉆頭，利用帕萊克對刀儀進行頂角的測量，測量結果顯示，頂角均大于國家標準規(guī)定。用所測量的麻花鉆進行鉆孔加工，孔徑均超差，對SD60后橋箱螺紋精度進行抽檢（見表1），SD60后橋箱螺紋孔均為搖臂鉆床加工，抽檢2臺SD60后橋箱共124個M30×3mm螺紋孔和40個M36×3mm螺紋孔，用通止規(guī)進行檢測，共有61個螺紋孔不合格，螺紋孔合格率為62.8%，螺紋孔合格率較低。

表1 SD60后橋箱螺紋孔抽檢表

2.2 工藝改進目的

為了提高大功率推土機后橋箱螺紋的加工質量及加工效率，同時為了實施公司智能制造的計劃，改進工藝，充分利用加工中心高效、高精度的特點，替代原搖臂鉆床進行螺紋加工。

3 改進措施

3.1 用加工中心攻螺紋

為提高螺紋孔合格率，試利用加工中心高效、高精度的特性，替代原搖臂鉆床進行攻螺紋加工，利用U鉆代替原高速鋼鉆頭。試驗設備為昆明道斯機床有限公司生產(chǎn)的落地式銑鏜加工中心，型號為WRD130Q，試驗工件為SD90后橋箱。利用U鉆鉆孔后，采用M30×3mm螺旋絲錐進行攻螺紋，試驗過程中由于加工螺紋直徑大、螺距大，加工時需要的切削力大，而機床功率不夠大，攻螺紋過程中無法轉動絲錐，造成絲錐在工件內(nèi)卡死，試驗無法繼續(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)點在于加工零件的螺紋質量穩(wěn)定，零件尺寸易于控制。銑削螺紋所用的機床需要具備三軸以上的聯(lián)動功能，因為銑削螺紋是通過螺紋插補功能實現(xiàn)的，實際上就是使用成形螺紋銑刀沿螺旋插補軌跡進行銑削加工的過程[2]。機床運行數(shù)控程序G03/G02X軸和Y軸圓弧插補一圈時，Z軸同步移動一個螺距的量[3]。在螺紋銑削過程中圓周運動形成螺紋直徑，而同步的直線運動形成螺距[4]。

用螺紋銑刀銑削螺紋時，刀具的進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（沿圓弧進給），同時沿Z軸插補；3→4：整圓切削，刀具插補一周，同時軸向移動距離為一個螺距。

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留下明顯的刀痕，有利于保護刀具和螺紋表面，因此在加工精密螺紋時一般使用該方法[5]。在圓弧切入切出的同時，采用圖3所示的徑向遞減進刀方式（D1＞D2＞D3＞D4），根據(jù)螺紋的牙型，通過刀補使得吃刀量逐漸減小，即實現(xiàn)了粗加工—半精加工—精加工。

圖3 徑向遞減進刀方式

分別購買了圖4所示瓦格斯（Vargus）螺紋銑刀及CPT螺紋梳刀進行螺紋加工試驗。首先利用單齒Vargus螺紋銑刀對圓鋼試件進行銑削試驗，如圖5所示，試件材質為Q235，試驗用設備為落地式銑鏜加工中心，型號為WRD130Q，試驗參數(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)測試（見圖6），經(jīng)測試所試驗螺紋孔合格，螺紋銑削加工效果如圖7所示。

圖4 螺紋銑削刀具

圖5 螺紋銑削試驗

圖6 螺紋塞規(guī)測試

圖7 螺紋銑削加工效果

試件試驗合格后，對大功率機型后橋箱加工產(chǎn)品進行工藝試驗如圖8所示，試驗對象為SD90后橋箱，材質為板材焊合件，試驗用設備為落地式銑鏜加工中心，型號為WRD130Q，切削方式為從內(nèi)向外，試驗參數(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間13min，效率為4.6mm/min。利用螺紋塞規(guī)測量32×M30×3mm螺紋孔，合格率為100%，且螺紋孔表面質量良好，無切屑、毛刺，如圖9所示。

圖8 單齒銑刀螺紋銑削加工工藝試驗

圖9 單齒銑刀螺紋銑削效果

利用CPT螺紋梳刀對SD90后橋箱進行螺紋工藝試驗，如圖10所示，試驗參數(shù)為f=0.2mm/r，n=1500r/min，加工螺紋尺寸為M30×3mm，孔深60mm，加工時間9.33min，效率為6.43mm/min。加工效率比單齒銑刀高，但是當螺紋銑刀切入接近全牙型時，由于刀具與工件接觸面積大，試驗過程中刀具振動嚴重，無法保證螺紋的表面質量及螺紋精度，所以對于大功率機型后橋箱的螺紋加工，我公司只能采用單齒螺紋銑刀進行螺紋加工。

圖10 CPT螺紋梳刀銑削試驗

經(jīng)過試驗跟蹤，螺紋銑削加工效率較低，以SD90后橋箱為例，單個螺紋孔平均銑削時間11.6min，法蘭面上82個螺紋孔的銑削時間約為15.9h。

3.3 用加工中心進行螺紋鏜削

鏜削是指將工件預制孔擴大到需求的孔徑，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）是工件旋轉一周，車刀沿工件軸線移動一個導程，切削刃的運動軌跡就形成了工件的螺紋加工過程，在車床上車削螺紋時，工件旋轉，刀具做軸向進給。在加工中心上加工螺紋，如果以旋轉的刀具為參考，工件相對來說也是旋轉的，這樣我們就可以把內(nèi)螺紋車刀桿應用到微調精密鏜頭上，刀桿旋轉一周，同時在軸向上移動一個導程，切削刃的運動軌跡就形成了工件的螺紋加工過程，通過調節(jié)車刀的回轉直徑，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 螺紋鏜削進刀方式

分別購買了德克NBH2804微調精密鏜刀、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行試驗，如圖16所示。試件材質為Q235，試驗用設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，型號為GLU23×30，試件為Q235鋼板，試驗參數(shù)為vf=3mm/min，n=300r/min。進刀方式為側式不等距進刀，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，螺紋表面質量良好，加工精度高。

圖14 NBH2084精密鏜頭

圖15 山高螺紋車刀桿及刀片

圖16 螺紋鏜削試驗

試件試驗合格后，對大功率機型后橋箱加工產(chǎn)品進行工藝試驗，試驗對象為SD90后橋箱，如圖17所示，材質為板材焊合件，試驗用設備為落地式銑鏜加工中心，型號為WRD130Q，切削方式為側式不等距進刀，總吃刀量按照刀具樣本推薦值分12刀（見表2）。試驗參數(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間0.8min，效率為75mm/min。經(jīng)過計算，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)測量32×M30×3mm螺紋孔，螺紋的合格率為100%，且螺紋孔表面質量良好，無切屑、毛刺，如圖18所示。

表2 ISO公制外螺紋吃刀量推薦 （單位：mm）

圖17 SD90后橋箱螺紋鏜削

圖18 螺紋鏜削效果

4 工藝改進效果對比

采用螺紋鏜削工藝持續(xù)對SD90后橋箱進行加工跟蹤，進行5臺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。單個螺紋孔鏜削加工時間為1.1min，法蘭面上82個螺紋孔的鏜削時間為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。

表3 SD90后橋箱螺紋孔抽檢情況

與搖臂鉆攻螺紋及加工中心螺紋銑削進行對比見表4，可以得出如下結論。

表4 改進前后效果對比

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螺紋加工時間為1.1min，相比螺紋銑削加工時間降低91.58%。

3）加工中心螺紋鏜削生產(chǎn)成本相比螺紋銑削降低91.55%。

因而工藝改進效果明顯，可以采用鏜螺紋方法進行批量生產(chǎn)。

5 結束語

在大功率推土機后橋箱內(nèi)螺紋的加工中，通過引入螺紋銑刀、螺紋車刀等先進螺紋加工刀具，充分發(fā)揮刀具組合新模式，采用傳統(tǒng)鏜刀及螺紋車刀組合成直徑可調螺紋鏜刀刀具，充分發(fā)揮數(shù)控機床的高精度、高效率及數(shù)控化的優(yōu)勢，仿照螺紋車削，在加工中心進行螺紋鏜削，通過一系列工藝試驗的驗證，螺紋鏜削加工效率是螺紋銑削加工效率的16倍，且螺紋鏜削能很好地保證螺紋精度要求，實現(xiàn)了螺紋鏜削代替攻螺紋和螺紋銑削的加工工藝改進。