起重機車架螺紋孔加工應用方案研究
2022-6-29 來源：- 作者：-
摘要 : 本文重點對工程機械行業(yè)中起重機車架螺紋孔加工進行研究，根據(jù)車架座圈法蘭內(nèi)螺紋加工的特點、難點，分別對螺紋銑削以及多種螺紋攻絲等方式進行了對比分析，針對車架螺紋孔加工中最常見的纏屑問題，使用西門子數(shù)控系統(tǒng)的斷屑攻絲循環(huán)進行了實際加工測試，防纏屑效果顯著，在延長刀具使用壽命的同時，保持了加工效率，并維護了操作者的安全。
關鍵詞 : 起重機，車架，螺紋孔，螺紋銑刀，擠壓絲錐，螺尖絲錐，螺旋槽絲錐，攻絲，斷屑
1.引言
車架是汽車起重機的關鍵部件之一，它與上車部件轉(zhuǎn)臺共同配合完成起重機臂架的轉(zhuǎn)向運動（如圖 1）。對于車架的加工，主要包含座圈平面的銑削和座圈端面螺紋孔的鉆孔、攻絲，其中車架座圈法蘭螺紋孔加工過程中的纏屑問題，一直是生產(chǎn)制造過程中的技術難題，本文通過實際加工測試案例，重點探討解決螺紋孔加工中纏屑問題的相關工藝和方法。
圖 1 車架示意圖
2. 車架加工要求及工藝特點
與普通汽車的車架不同，為了滿足重載荷的要求，起重機車架是專門設計制造的，采用低碳高強度鋼板焊接而成。板材通常選用 HG70 這一類的焊接結(jié)構(gòu)鋼，屈服強度大于 590MPa，抗拉強度大于 685MPa，具有良好的焊接性及低溫沖擊韌性。同時板材硬度較高，約為 HRC35，因此焊接后的車架整體剛性高、抗扭性強。由于車架體積十分龐大，大直徑座圈端面需要進行銑削，座圈上端面還要進行大量的鉆孔和攻絲，完成所有這些加工需要在中型以上的龍門加工中心上進行。
圖 2 龍門加工中心加工車架座圈法蘭
座圈端面通常均勻分布著數(shù)十個規(guī)格在M20~M27 的螺紋孔，以某型號車架為例（如圖 3所示）需要加工座圈端面的 48 個深度約為 55 毫米的 M24 螺紋孔。
圖 3 座圈端面圓弧陣列螺紋孔
3. 螺紋加工方法分析
對于內(nèi)螺紋加工主要有兩類加工方法，一類是用螺紋銑刀進行螺紋銑削，另一類是使用絲錐進行攻絲。絲錐攻絲時比較常用的切削刀具主要有擠壓絲錐、螺尖絲錐和螺旋槽絲錐等?，F(xiàn)將各自特點及適用場合總結(jié)如下 :
綜上所述，根據(jù)現(xiàn)場車架的實際加工需求，以及對毛坯材料的硬度、螺紋孔直徑、以及機床性能和編程方法的綜合考慮，M24 的螺紋孔還是選擇使用螺旋槽絲錐進行攻絲的方式比較實用。
螺旋槽絲錐在使用中最常見的問題就是切屑容易纏繞刀具。雖然螺旋槽絲錐為了排出切屑專門設計了螺旋形導向槽，但是對于加工鋼件的絲錐，為了加強絲錐的強度，螺旋升角一般限制在30度，切屑離開螺紋孔后即快速向水平方向伸展，如果鋼材韌性較好，一旦切屑遇到阻礙便會阻滯后續(xù)切屑的運動，導致長切屑纏繞到絲錐上。后續(xù)切屑不能及時地順利排出，便會加劇絲錐與工件之間的摩擦，從而降低刀具使用壽命。如果切屑阻塞嚴重，還容易導致絲錐被折斷。
產(chǎn)生上述情況的原因，通常是由于用戶使用傳統(tǒng)的一刀到底攻絲模式（如圖 4 所示），采用這種方式對長屑材料進行攻絲，纏屑現(xiàn)象是難以避免的。
圖 4 螺旋切削絲錐纏屑現(xiàn)象
表 1 常用螺紋加工方法對比
通常在使用切削絲錐進行攻絲的過程中，為了防止切屑纏繞刀具，可以選擇以下兩種防止絲錐纏屑的工藝方法其中之一 : 孔外排屑或者孔內(nèi)斷屑。圖 5 和圖 6 分別為西門子攻絲循環(huán)中，排屑法與斷屑法的設置界面。
圖 5 孔外排屑攻絲模式
圖 6 孔內(nèi)斷屑攻絲模式
采用孔外排屑的攻絲模式，是將整個攻絲過程劃分為幾個固定的深度，每次攻入一個固定深度后，就將絲錐反轉(zhuǎn)至完全退出螺紋孔外，將切屑全部甩出。雖然使用這種方式對切屑的排除非常徹底，并極大減少了切屑對螺紋表面的劃傷，但是使用這種方式會導致加工的空行程較多，對加工效率影響較大，通常只用于對螺紋表面質(zhì)量要求較高的情況。
孔內(nèi)斷屑的攻絲方式是在剛性攻絲過程中，每攻入一定的距離，絲錐就進行一次極短距離的反轉(zhuǎn)回退，使切屑在螺孔中斷開。雖然此時切屑并沒有完全排出孔外，但長切屑已經(jīng)被分解為短小的切屑（如圖7所示），不再具備纏繞刀具的條件。
圖 7 孔內(nèi)斷屑后切屑不再纏繞刀具
與孔外排屑的攻絲模式相比，使用孔內(nèi)斷屑的攻絲模式避免了攻絲過程中長距離往復的空行程動作，更為節(jié)省加工時間。于此同時，通過系統(tǒng)測試、優(yōu)化主軸以及 Z 軸的動態(tài)特性（如圖 8所示），使主軸與 Z 軸的插補效果更好，大幅度提高絲錐回退時的主軸轉(zhuǎn)速及其相應的加速度和加
加速度，進一步節(jié)省了加工時間，保證了加工效率。
圖 8 主軸與 Z 軸跟隨誤差測試
4. 實際測試結(jié)果
經(jīng)過上述對比分析，最終在使用西門子攻絲循環(huán)時，采用了既能滿足斷屑要求，又能節(jié)省加工時間的孔內(nèi)斷屑攻絲模式。
通過現(xiàn)場實際切削測試，使用傳統(tǒng)一刀到底攻絲模式和斷屑攻絲模式的加工效果對比如下 :
表 2 加工時間及刀具壽命對比
由此可見，采用斷屑攻絲模式后，絲錐使用壽命提高了 55%，車架座圈端面銑削、鉆孔及攻絲的總加工時間基本保持不變。
5. 結(jié)論
針對不同的螺紋規(guī)格以及不同的金屬材料，螺紋加工刀具及其工藝選擇具有一定的特殊性，選擇適合的加工方式才能保證良好的加工質(zhì)量和較高的加工效率。本文介紹的螺紋斷屑方式已經(jīng)大量應用在車架實際加工中，實踐證明，很好地解決了螺紋纏屑問題，在保證加工時間基本不變的情況下，達到了避免刀具纏屑，延長刀具使用壽命及保護機床操作人員安全的目的。
來源：
三一汽車起重機械有限公司 李興林 張 朋
西門子（中國）有限公司 武 坤 李曉暉
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