内螺旋滚道铣削加工自制刀具的探讨
摘 要：介绍我公司内螺旋滚道加工自制刀具的设计、改进和使用过程。讨论针对特殊零件的机加工涉及的自制刀具的应用和推广。
湖北飞宁方向机有限责任公司系汽车转向器专业生产厂家，主导产品为液压助力循环球转向器和机械式循环球转向器,年产能在20万台以上。“飞宁”牌转向器在行业内具有很大的知名度和市场占有率。
一、问题的提出
螺杆螺母副为转向器总成中最为重要的部件之一，其中转向齿条和螺杆轴两种零件的关键结构就是螺旋滚道。螺旋滚道加工是机加工行业中公认比较困难的工序之一，而内螺旋滚道的加工就显得更为困难.我公司涉及内螺旋滚道加工的产品数量非常多,主要表现为多种螺距、多种中径。我公司通常工序安排为:滚道拉刀拉削----粗磨滚道保证形状和中径----精磨滚道.滚道加工占据了总工序生产周期的五成以上。并且，滚道拉刀的使用成本也较高，使用要求也非常严格，这些均成为产能提升的短板，不适应提高生产率、降低生产成本的发展战略要求。
螺旋滚道由两段偏心圆弧组成(如图3)，滚道底孔最小的仅有φ29，有多种螺距(螺距t=11、10、9.525、…)，滚道加工时存在断续切削。我公司原生产工艺采用专用螺旋拉刀拉削加工，单件消耗工时4分钟。螺旋拉刀自身就是一种比较复杂且昂贵的专用刀具,使用时对冷却环境、工装调校精度、机床导轨精度、刀具自身刃磨等要求均非常高，并且
随着刀具自身的使用磨损,零件尺寸也随之变化。不得不通过粗磨工序来保证尺寸和修正滚道形状.这些直接导致生产成本非常高，不利于提高生产效率。
二、初步方案
为了推动公司产能提升，我考虑采用其他高效率加工。首先想到用玉米齿螺旋铣刀加工内螺旋滚道.但经于相关刀具工程师探讨，结合零件自身结构特点，针对玉米齿螺旋铣刀不适应多螺距、成本高等特点。最后决定自行开发刀具采用铣削螺纹的加工工艺方案。在各方经验的整合下，结合产品螺旋滚道大螺距、复杂截面形状的特点，借鉴外螺旋滚道的加工现状，我用YT15硬质合金刀片制作成成型刀片(如图4)，将四片刀体焊接到刀杆上再进行刃磨修正。试用时取切削速度υ=65m/min，刀具转速ν刀 = 800n/min,工件转速ν工 = 32n/min.调整好设备开始试加工。铣削一件耗时3.5分钟，稍快于拉削工艺消耗工时。铣削后滚道表面粗糙度Ra6.3μm。滚道70mm内中径误差达到0.08mm，但可以接受。经连续加工10件后发现刀片顶刃后角开始磨损，工件螺旋滚道出现振纹。连续加工40件后刀片顶刃后角严重磨损出现扎刀嘶叫声，便停止试验。
三、方案的进一步优化
经过分析，发现有如下因素影响刀具的耐用度：①内螺旋滚道中径偏小，仅有φ30；②因为零件自身结构，刀具存在断续切削；③切削深度太大，达3.5mm；④刀杆材料选型不合理，结构刚度不够； ⑤自制成型刀片的几何精度存在较大误差。针对众多不利因素，我决定将刀片材料由YT15硬质合金改为高速钢HSS材料， 并将刀杆设计成整体式锥度结构以提高刀体刚度，修改刀头相关参数，提供刀具图纸由专业刀具厂家外协生产，由刀具厂家保证切削刃形状及精度。很快刀具厂家送来两件合格刀具，刀具单件报价110元。
第二轮试用时， 借鉴刀具厂家建议修改切削参数,取切削速度υ=37m/min，刀具转速ν刀 = 400n/min，工件转速ν工 = 20n/min.采用3-5%乳化液进行冷却。连续加工30件后，刀具开始出现磨损.再一次停止试验。刃磨刀具后针对情况再调整切削参数：切削速度为υ=25m/min，刀具转速ν刀 = 250n/min，工件转速ν工 = 24n/min。 考虑到一次吃刀深度太大，决定分两次进给，第一刀吃刀深度为2.5mm，第二刀为1-1.5mm。再一次试加工, 滚道表面粗糙度可达到Ra3.2-Ra6.3μm，滚道前后中径误差在0.05mm范围内.单件生产工时约4分钟，与拉削工艺单件耗时持平.连续加工80件后才出现顶刃后角磨损.试验证明，改进效果非常明显,采取办法非常对路。
将实际试用情况与刀具生产厂家进行沟通， 决定再一次对刀具相关参数进行改进：将顶刃后角由原来6°加大到8°，将前角调小到4°(如图6)。再次试用后效果非常明显，连续加工100-150件刀具才需刃磨修整。班产量略高于拉削加工，可以定型生产。经批量制造刀具，刀具单件成本降到了80元。
四、效果比较
此铣削工艺的使用，经过9个月的正常生产验证，生产一线反映较好，得到了车间领导和工人的好评。经调查统计，针对此工序的工艺创新，使车间在产量提升、节能降耗方面得到很多实惠，主要有如下优点：
1、自制铣刀铣滚道较拉刀拉削节约了刀具成本，核算到单件零件上可使成本降低18%；
2、 完全可以统一零件滚道中径尺寸，避免了以前因拉刀磨损存在各种不同尺寸的混乱局面；
3、 同一种铣刀可以适用各种不同螺距、不同中径的零件加工，舍弃了不同产品需多种拉刀加工的局面；
4、由于铣削滚道质量和尺寸的保证，取消了滚道粗磨工序，大大缩短了生产周期，节约了设备人员等资源。更直接地提升了产能。
五、前景展望
考虑到整体式刀具使用后刀柄部分随之丢弃浪费了一定的成本,经于刀具厂家进一步沟通，准备下一步将整体式HSS铣刀改为如图7所示的刀盘结构，使用定位键定位， M6螺钉夹紧,制作成分体式结构。刀具磨损后仅修磨小刀盘，刀杆完整无缺。这样可以更进一步节约刀具成本和减少换刀时间。 考虑到分体式刀具的整体刚度，采用不同内孔(滚道中径不同)制作对应杆径系列的刀杆来解决。
铣削工艺在滚道类产品上成功使用后，我准备下一步将此工艺推广到公司其他类产品加工上,如:接头内螺纹的加工，迷宫型密封槽的加工等。为飞宁公司“工艺创新，提升产品质量”作出更大的贡献！
湖北飞宁方向机有限责任公司系汽车转向器专业生产厂家，主导产品为液压助力循环球转向器和机械式循环球转向器,年产能在20万台以上。“飞宁”牌转向器在行业内具有很大的知名度和市场占有率。
一、问题的提出
螺杆螺母副为转向器总成中最为重要的部件之一，其中转向齿条和螺杆轴两种零件的关键结构就是螺旋滚道。螺旋滚道加工是机加工行业中公认比较困难的工序之一，而内螺旋滚道的加工就显得更为困难.我公司涉及内螺旋滚道加工的产品数量非常多,主要表现为多种螺距、多种中径。我公司通常工序安排为:滚道拉刀拉削----粗磨滚道保证形状和中径----精磨滚道.滚道加工占据了总工序生产周期的五成以上。并且，滚道拉刀的使用成本也较高，使用要求也非常严格，这些均成为产能提升的短板，不适应提高生产率、降低生产成本的发展战略要求。
螺旋滚道由两段偏心圆弧组成(如图3)，滚道底孔最小的仅有φ29，有多种螺距(螺距t=11、10、9.525、…)，滚道加工时存在断续切削。我公司原生产工艺采用专用螺旋拉刀拉削加工，单件消耗工时4分钟。螺旋拉刀自身就是一种比较复杂且昂贵的专用刀具,使用时对冷却环境、工装调校精度、机床导轨精度、刀具自身刃磨等要求均非常高，并且
随着刀具自身的使用磨损,零件尺寸也随之变化。不得不通过粗磨工序来保证尺寸和修正滚道形状.这些直接导致生产成本非常高，不利于提高生产效率。
二、初步方案
为了推动公司产能提升，我考虑采用其他高效率加工。首先想到用玉米齿螺旋铣刀加工内螺旋滚道.但经于相关刀具工程师探讨，结合零件自身结构特点，针对玉米齿螺旋铣刀不适应多螺距、成本高等特点。最后决定自行开发刀具采用铣削螺纹的加工工艺方案。在各方经验的整合下，结合产品螺旋滚道大螺距、复杂截面形状的特点，借鉴外螺旋滚道的加工现状，我用YT15硬质合金刀片制作成成型刀片(如图4)，将四片刀体焊接到刀杆上再进行刃磨修正。试用时取切削速度υ=65m/min，刀具转速ν刀 = 800n/min,工件转速ν工 = 32n/min.调整好设备开始试加工。铣削一件耗时3.5分钟，稍快于拉削工艺消耗工时。铣削后滚道表面粗糙度Ra6.3μm。滚道70mm内中径误差达到0.08mm，但可以接受。经连续加工10件后发现刀片顶刃后角开始磨损，工件螺旋滚道出现振纹。连续加工40件后刀片顶刃后角严重磨损出现扎刀嘶叫声，便停止试验。
三、方案的进一步优化
经过分析，发现有如下因素影响刀具的耐用度：①内螺旋滚道中径偏小，仅有φ30；②因为零件自身结构，刀具存在断续切削；③切削深度太大，达3.5mm；④刀杆材料选型不合理，结构刚度不够； ⑤自制成型刀片的几何精度存在较大误差。针对众多不利因素，我决定将刀片材料由YT15硬质合金改为高速钢HSS材料， 并将刀杆设计成整体式锥度结构以提高刀体刚度，修改刀头相关参数，提供刀具图纸由专业刀具厂家外协生产，由刀具厂家保证切削刃形状及精度。很快刀具厂家送来两件合格刀具，刀具单件报价110元。
第二轮试用时， 借鉴刀具厂家建议修改切削参数,取切削速度υ=37m/min，刀具转速ν刀 = 400n/min，工件转速ν工 = 20n/min.采用3-5%乳化液进行冷却。连续加工30件后，刀具开始出现磨损.再一次停止试验。刃磨刀具后针对情况再调整切削参数：切削速度为υ=25m/min，刀具转速ν刀 = 250n/min，工件转速ν工 = 24n/min。 考虑到一次吃刀深度太大，决定分两次进给，第一刀吃刀深度为2.5mm，第二刀为1-1.5mm。再一次试加工, 滚道表面粗糙度可达到Ra3.2-Ra6.3μm，滚道前后中径误差在0.05mm范围内.单件生产工时约4分钟，与拉削工艺单件耗时持平.连续加工80件后才出现顶刃后角磨损.试验证明，改进效果非常明显,采取办法非常对路。
将实际试用情况与刀具生产厂家进行沟通， 决定再一次对刀具相关参数进行改进：将顶刃后角由原来6°加大到8°，将前角调小到4°(如图6)。再次试用后效果非常明显，连续加工100-150件刀具才需刃磨修整。班产量略高于拉削加工，可以定型生产。经批量制造刀具，刀具单件成本降到了80元。
四、效果比较
此铣削工艺的使用，经过9个月的正常生产验证，生产一线反映较好，得到了车间领导和工人的好评。经调查统计，针对此工序的工艺创新，使车间在产量提升、节能降耗方面得到很多实惠，主要有如下优点：
1、自制铣刀铣滚道较拉刀拉削节约了刀具成本，核算到单件零件上可使成本降低18%；
2、 完全可以统一零件滚道中径尺寸，避免了以前因拉刀磨损存在各种不同尺寸的混乱局面；
3、 同一种铣刀可以适用各种不同螺距、不同中径的零件加工，舍弃了不同产品需多种拉刀加工的局面；
4、由于铣削滚道质量和尺寸的保证，取消了滚道粗磨工序，大大缩短了生产周期，节约了设备人员等资源。更直接地提升了产能。
五、前景展望
考虑到整体式刀具使用后刀柄部分随之丢弃浪费了一定的成本,经于刀具厂家进一步沟通，准备下一步将整体式HSS铣刀改为如图7所示的刀盘结构，使用定位键定位， M6螺钉夹紧,制作成分体式结构。刀具磨损后仅修磨小刀盘，刀杆完整无缺。这样可以更进一步节约刀具成本和减少换刀时间。 考虑到分体式刀具的整体刚度，采用不同内孔(滚道中径不同)制作对应杆径系列的刀杆来解决。
铣削工艺在滚道类产品上成功使用后，我准备下一步将此工艺推广到公司其他类产品加工上,如:接头内螺纹的加工，迷宫型密封槽的加工等。为飞宁公司“工艺创新，提升产品质量”作出更大的贡献！
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