合金钢曲轴大直径螺纹加工研究

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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