如何进行高效的多线蜗杆车削加工

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  摘要:多线蜗杆利用普通车床进行加工的效率和质量成了一个难题。本文针对多线蜗杆在加工过程中容易出现扎刀和分线精度难保证等问题进行分析,提出了在刀具角度和加工工艺上进行改进的对策,并就如何在保证精度要求的前提下进行快捷车削的技能与技巧进行了阐述。
  关键词:多线蜗杆;普通车床;分线精度;车刀角度蜗杆传动是一种常用的机械传动形式,广泛用于轴线交叉的减速传动中。在这种传动形式中,蜗杆是主动件,所以蜗杆的制造精度直接影响传动精度。下文就对多线蜗杆加工过程中所存在的问题进行分析,并提出解决的措施,以提高加工质量和加工效率。
  一、加工多线蜗杆过程中所存在的问题
  车削多线蜗杆是车削螺纹中较难的一个课题,在实际加工多线蜗杆的过程中容易出现以下几个问题。
  (1)车削时,由于蜗杆齿形较深,切削力过大,导程大通常会出现“扎刀”现象,影响表面粗糙度。
  (2)在车削过程中常被“多次循环分头,依次逐面车削”所困扰。每次分头用百分表也好,用块规也好,都要费很多功夫,并且车削过程须始终高度精力集中,才能及时发现误差和故障。
  (3)在精车阶段常出现各线齿厚和齿槽宽不一致,一时又难以找出哪个线余量多,哪个线余量少,即使找出又难以处理,因为变动齿厚又牵扯齿槽宽度,齿厚虽有余量但齿槽宽却没余量,导致零件不合格。
  (4)传统的车削方法生产效率较低,耗用工时多且工人劳动强度大,造成生产成本高。
  因此,我们在加工过程要想方法提高加工的效率,并针对工件在加工时出现的弊病,采取各项相应的工艺措施,如通过选择适合的刀具材料、改进角度及加工工艺设计等来提高加工速度。
  二、蜗杆车刀选用材料和几何角度
  多线蜗杆车刀车削方法与切削梯形螺纹很相似,但蜗杆的齿深较深,车削时比梯形螺纹较为困难。螺纹车刀所用材料通常有高速钢和硬质合金两种,在实际应用中高速钢车刀低速车削螺纹较多。因为高速钢车刀刃磨方便,切削刃锋利,韧性好,能承受较大的冲击力,低速车削时可获得较低的表面粗糙度值。蜗杆车刀采用水平装刀法:即车刀两侧刀刃处于水平状态,车刀头与蜗杆轴线等高。加工时为提高蜗杆的加工质量,一般采用粗车、精车两个阶段。
  1.蜗杆粗车所用的车刀几何角度。
  如图1中:车刀齿形角2a=40030,刀头宽度ef小于齿根宽,根椐经验大约小0.3~0.5mm,进给方向的后角为a0=(30~50) ¢为蜗杆螺旋升角,背向进给方向的后角为口a0=(30~50)-¢,径向前角γ0= =100~150;刀尖后角为60~80。
  2.精加工所用车刀的几何角度。
  精加工时采用水平装刀法,在车削中由于螺旋升角的影响,车刀两侧刀刃前角受到影响,一侧刀刃将变成负前角,后角也随之发生变化,加工中影响切屑排出,影响加工精度和表面粗糙度,很容易产生振动和扎刀现象。若在半精车刀和精车刀两刀刃上开着卷屑槽的话,第一,这对磨刀技能要求特别高;第二,由于车刀靠两侧刀刃精车两侧齿面,车刀的前端刀刃不能进行切削,螺纹槽底无法加工。对模数不太大(3~5mm)的三线蜗杆,要在车刀前刀面上开断屑槽非常困难。通过实际应用,采用两把精车刀车削的方法比较理想,即分车左侧面车刀和车右侧面车刀。
  (1)车削左侧面车刀。如图2所示,车刀左侧切削刃平直;刃倾角为00,刀刃前角为50~100;左侧后角为(30~50) ¢,前刀面粗糙度值Ra小于0.8μm;刀尖半角为200(左侧),刀尖角小于400;刀头宽度略小于槽底宽度。
  (2)车削右侧面车刀。如图3所示,车刀右侧切削刃平直;刃倾角为00,刀刃前角为100~150;右侧后角为(30~50)-¢;前刀面粗糙度值Ra小于0.8μm;刀尖半角为200(右侧),刀尖角小于400;刀头宽度略小于槽底宽度。
  三、多线蜗杆工艺要求
  1.轴向或法向齿厚、齿形必须符合图样要求。
  2.各线的齿厚、齿槽宽必须相应统一在规定的精度之内。
  3.蜗杆径向圆跳动应在允许范围内。
  四、多线蜗杆的车削工艺
  在车削多线蜗杆过程中,不仅要保证多线蜗杆的尺寸精度和形状精度(每条螺纹的小径要相等,每条螺纹的牙型角也要相等),而且还要保证几条螺纹的相互位置精度(分线精度)。多线蜗杆各螺旋槽在轴向是等距分布的,在端面上螺旋线的起点是等角度分布的。若螺纹分线出现误差,则会直接影响蜗杆与蜗轮的啮合精度,轻则增加不必要的磨损,降低使用寿命,重则造成无法安装,工件报废。由此可以看出,车削多线蜗杆时,主要是考虑分线方法和车削步骤协调。教材中讲:“根据多线螺纹和多线蜗杆在轴向和圆周上分布的特点,分线方法有轴向分线法和圆周分线法两种。”不管用哪一种分线方法,都可以获得准确的分线。但在实践操作中,如果没有正确的操作方法和操作经验,是难以保证分线精度的。有时会出现粗车时就造成分线误差大,工件报废的情况。因此,我们要注意怎样合理安排多线蜗杆的加工工艺以及在加工过程可能出现的问题。
  车削多线蜗杆时,绝不可将一条螺旋槽车好后,再车另一个螺旋槽,而必须进行全部粗车,因为先车好一个螺旋糟后,再去粗、精车另一条螺旋糟,很难保证分线精度,从而造成工件报废。所以要先进行全部粗车。在粗车时,如何掌握住每条螺旋槽的相互位置呢?教材中对这个问题表述得不太清楚,说分线时,粗车第一条螺旋槽,记住中、小滑板的进刀刻度值,来作为车削第二条螺旋槽的依据。实际车削中,中滑板的刻度值较容易记住,因为车刀切入深度是多少,牙型高度是多少,给每条螺旋槽所留精车余量要保持一致,所以容易记住。小滑板的刻度值就不太容易记住,例如,车削轴向模数mx=4毫米的双线蜗杆,在粗车螺旋槽时,要反复多次左右移动小滑板进行车削。虽然按照教材中所讲,车削每条螺旋糟时车刀的左右移动量(借刀量)相等,一旦“赶刀”完毕,还要用斜进刀法或逐层切削法逐渐把螺旋糟深度车够。当把第一条螺旋槽粗车成以后,别说没记住原来小滑板刻度值,就是记住了,也没多大作用,因为车床的小拖手本身也有间隙,再者,粗车后的螺旋槽两侧面,粗糙度大,也不太规则,就是依据原来的小滑板刻度进行分线,也是比较困难的。根据以上操作可能出现的问题,在加工多线蜗杆要先安排好加工工艺。现在以车削线数n=3,模数mx=3为例。   (1)粗车。
  先按多头蜗杆的齿距分头划线。可用三角螺纹车刀在工件外圆以背吃刀量0.05—0.01mm划出痕迹线,见图4,再轴向用小滑板分别移动一个齿距p划线2、3,之后再轴向移动一个齿顶宽fx=0.843mx 0.6mm划线,其中0.6mm留为精加工的余量,为第4头,再分别轴向移动一个齿距划出第5、6头结束。这时可要在划出的齿槽线内将各槽粗车出。我们知道每个齿顶宽还留有0.6mm的余量,可以用粗车车刀来先即把第一条螺旋槽粗车成以后,注意车削槽宽时要看准画线,因为槽宽的两侧都有精车余量,每侧各留约O.3毫米,依据齿顶圆在槽的最边缘位置,用小滑板将车刀轴向前移到画线2位置,开始粗车第二条螺旋槽。在左右车削时要注意小滑板前移和后移,当使第二条螺旋槽齿顶宽接近第一条螺旋槽齿顶宽时(注意仔细测量一下),确保第二条螺旋槽齿顶宽不少于或相等于第一条螺旋槽齿宽,把槽深车够就可以了。接着用同样的方法车出第三条螺旋槽。这样能保证三螺旋槽的齿顶宽而且有足够的精车余量。学生们普遍反映这种方法效果好,操作方便,容易掌握。
  (2)精车多线蜗杆。
  在粗车完后如果效果理想应该是如图5所示,那么在精车之前要先定那一个侧面先车削,教材中讲:“在采用左右车削法时,一般先车削牙型的各左侧面,再车削牙型的各右侧面。”如果是理想状态螺旋槽两侧都是相等,那么车削就应该没有什么问题,但是在实际加工时,由于刀具的磨损、测量误差、工件的振动等客观原因存在,这时就可能出现螺旋槽两侧不相等,这时就可以出现把一条螺旋槽的左侧面精车成了,也就是说侧面达到了粗糙度要求,再精车另一条螺旋槽的左侧面,当把车刀精确移动一个螺距(周节)精车另一侧面时,则发现这个侧面没有了余量,或者是有余量,没有车几刀,侧面还没有达到粗糙度要求,就车够了尺寸。是粗车后留有余量小了,还是由其他操作出现了问题?经检查测量发现,是第一条螺旋槽的左侧面留下的余量太多,而导致另一条螺旋槽余量较小,所以精车另一条螺旋槽侧面时,粗糙度还没达到要求,尺寸就已车够的现象。为了保证质量,还得把精车过的第一个螺旋槽左侧面再精车一次,造成不必要的重复操作,降低了生产效率,增加了误差几率。怎样才能有效地保证质量,避免上述现象的发生?笔者在教学中是这样处理的,在确定先精车哪个侧面之前,首先测量出哪一个牙型中齿顶宽较小,其次再测量这个齿型两边的哪一个螺旋槽相对较宽,应选择螺旋槽较宽的齿顶宽较小的那个牙型侧面作为精车的第一个侧面,也就是选择了余量较小的一个牙型侧面作为精车的开始。把这个牙型侧面车成,达到了粗糙度要求,再去精确移动一个螺距(周节),精车另一条螺旋槽同一侧面,就不会出现余量不够的现象了。
  五、分线精度的测量
  前面提到,若分线出现误差,则会直接影响配合性能,轻则增加磨损,降低使用寿命,重则导致工件报废。准确的测量分线精度(螺距、周节精度)在教学中常采用控制或测量每条螺旋槽齿厚相等的基础上,测量一个螺距加一个齿厚的方法。也就是测量两个法向齿厚加上一个螺旋槽宽度,记下这个数值后,再把齿厚卡尺向前(或向后)移动一个牙型,再测量一次,比较两次测量的结果,它们的差值就是分线误差。在两条螺旋槽法向齿厚相等的情况下,说明组成导程的两个螺距(周节)不一样大。此方法用在测量2~4线螺纹(蜗杆)的分线上,都可以测到较准确的结果。如在测量时,发现分线精度有误差,当法向齿厚在公差范围内还有余量可车削,可以对多线螺纹和多线蜗杆进行微量修正,以减少误差,提高分线精度。在修正之前,首先要确定修正位置,要根据每条螺旋线齿厚和槽宽具体情况来选择修正位置。例如:按前面提到的方法进行测量,如差值为O.1毫米,而两个齿型厚度又相等,就可以把两个螺旋槽中较小的一个螺旋槽车宽O.1毫米。车削时要把O.1毫米的余量均分到螺旋槽的两个侧面上,这样槽车宽了,与另一条螺旋槽宽度相等了,两个齿厚这时也薄了,仍然保持相同厚度,分线误差就消除了。修正时要注意,在车宽螺旋槽时,切不可只车宽螺旋槽的一个侧面,那样会造成槽宽相同、而齿型厚度又不相等了,误差依然还会存在。
  用这种工艺之所以快捷是因为次序简捷,测检控制偏差的方法也很方便,对于车削过程中的误差影响因素都能及时发现,判断准确并及时处理。车削过程中,中小滑板刻度值、背吃刀量、次数不必频繁记录和一致,具体的背吃刀量由测检该处的结果给定。经过实践,上述方法可将加工效率提高2-3倍。
  当然,加工蜗杆的方法还很多,按本文所述方法进行加工,经过多次实际操作应用取得较好效果,能有效提高产品的质量和精度,减少了废品的产生。
  (作者单位:开平机电中等职业技术学校)
  参考文献:
  [1]彭德荫.车工工艺与技能训练[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2001.
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  [3]陈宏钧,马素敏.车工操作技能手册[M].北京:机械工业出版社,2004.
  责任编辑何丽华
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