性能卓越——同步車銑復合加工工藝

位于德國卡爾斯魯厄市的wbk 生產技術機構和Index公司、Paul Horn公司（硬質合金刀具廠）和Smith & Nephew公司（施樂輝醫用產品公司）共同合作“同步車銑復合加工工藝”，不僅能夠縮短加工時間，而且為螺紋的表面質量帶來提升。

旋風銑削是對螺紋進行精加工的一種螺紋切削方式，尤其適用于對表面質量要求非常高的螺紋，比如精密絲杠、模型螺桿、擠出機螺桿和螺桿部件、螺旋式壓縮機轉子或者接骨螺釘。帶內齒的刀盤高速圍繞慢速的工件孔軸線作螺旋運動。根據螺紋的螺旋參數，調整刀盤偏轉角β，同時使刀盤沿工件軸線移動（圖1a）。

圖1. 螺紋旋風銑削的運動過程（a）和旋風銑削切除的材料量（b）（圖源：wbk 機構）

旋風銑削是在1942年由Karl Burgsmueller發明的，屬于銑削加工中的一種。這種螺紋旋風銑削的優勢具體表現在：表面質量非常高；光滑無毛刺；和其他加工方式比如用螺紋梳刀切螺紋相比，切屑更短；能夠加工圓錐形螺紋。

由于慢轉速部件的加工工藝特殊性，無法使用固定的刀具進行同步加工，比如車削加工。因此迄今為止，要么采用外部形狀車削和螺紋旋風銑削相結合的兩道加工工序，要么使用旋風銑頭從一個切口鉆入，加工全部材料。這樣會導致，如果想要使用旋風銑削加工出原本所需要的螺距，需要去除非常多的材料（圖1b）。而這樣的加工方式由于加工過程中作用力大、切削刃磨損快、切屑排出困難，生產效率會大幅度降低。

新工藝能夠大幅度降低成本

為了解決傳統旋風銑削的上述問題，由德國聯邦教育及研究部（BMBF）資助的“GeWinDe”項目正在研究一種新型的同步車銑復合工藝流程，將會大大提升螺紋部件的生產效率。這套工藝流程的主體構思以Karl Burgsmueller的多線螺紋加工的專利為基礎。盡管同步旋風銑削具有上述所提到的優點，在迄今為止的實際生產加工中仍然很少使用，這是因為在生產過程中，比如生產滾珠絲杠時，不需要進行車削，因此也不需要進行同步加工。

圖2. 車銑復合加工的原理（a）和車銑復合加工切除的材料量（b）（圖源：wbk 機構）

同步車銑復合加工原理請見圖2a。和傳統的旋風銑削不同的是，車銑復合加工會根據螺距和刀片數量之間的關系將工件的轉速和旋風銑頭的轉速同步，以免產生額外的旋轉運動導致增加進給量。于是在兩次刀片嚙合之間，工件會完成一次完整的旋轉。工件轉速明顯上升并達到和旋風銑削時相同的轉速。在自動縱向車床的夾具旁邊安裝刀具來插補旋風銑頭和導向軸套之間的缺口。

如圖2b，旋風銑頭對螺距進行切削。工件直徑和螺紋外部直徑之間的材料在車削過程中被切成屑狀。旋風銑頭的切屑量、作用力和刀片磨損都明顯降低了。之后再同步進行螺紋槽的車削加工和頂部形狀的旋風銑削。同步加工和減少刀具更換次數大大縮短了主要加工時間和非生產時間。

通過減少加工時間完成車銑復合加工的流程整合。此外還延長了車銑復合加工的刀具使用壽命，因為刀片需要切除的材料量明顯減少。由于車銑復合加工的嚙合條件發生變化，提高了進給量，表面質量保持不變，刀具負荷更小。

以切削加工技術要求高的鈦合金接骨螺釘為例進行車銑復合加工技術的測試和優化。對于終端用戶施樂輝公司來說，使用車銑復合加工技術能夠讓他們更加合理地安排他們的生產加工?！拔覀兊纳a力提高了大約20%到30%，產品質量并沒有因此而下降”，德國圖特林根市的施樂輝公司的工藝主管Markus Abendschein這樣強調。

不一樣的流程運動學

由于刀具和工件的轉速發生了改變，車銑復合加工的流程運動學也隨之發生了改變。在傳統的旋風銑削中，旋風銑頭可以在一定角度范圍內對螺旋升角進行自動調整。旋風銑削根據工件螺距沿著工件進行軸向運動（見圖3a）。在這種情況下的工件轉速非常慢，可以忽略不計。

圖3. 旋風銑削（a）和車銑復合加工（b）時的刀具和工件速度的矢量圖（圖源：wbk 機構）

在車銑復合加工中，切削速度由銑刀的轉速決定，而工件轉速和切削速度一致。圖3b為車銑復合加工的矢量結構圖。車銑復合加工的邊界條件為最終切削速度Vrel方向必須和螺紋方向一致。和傳統的旋風銑削一樣，旋風銑頭的角度根據工件速度進行Vwst調整。工件速度和刀具速度Vwkz 相加得到最終的車銑復合加工速度Vrel。因此，刀具的幾何外形也要配合流程進行相應的改變。

明顯降低運動粗糙度

由于運動結構發生了變化，刀片和部件的嚙合情況也發生了相應的改變。圖4對傳統旋風銑削（a）和車銑復合加工（b）的刀片嚙合范圍進行了說明。嚙合范圍決定了加工完成后的螺紋表面的運動粗糙度。從圖4可以看出，原本在傳統旋風銑削中就有優勢的相對較長的嚙合范圍，在車銑復合加工時明顯更長。因為在車銑復合加工中這兩種圓周運動互相重疊，和傳統旋風銑削相比，產生的接觸角更大。因此其加工而成的螺紋的運動粗糙度更低。

圖4. 傳統旋風銑削（a）和車銑復合加工（b）的嚙合情況（圖源：wbk 機構）

嚙合范圍延長的另一個優點是能夠降低切屑離開工件前的厚度。通過車銑復合加工，能夠在保證表面性能穩定的同時提高進給速度。這種復合加工的嚙合條件使得刀具設計更加自由?！斑@種加工的潛力是巨大的。為了開發它的潛力，我們將長期以來的刀片研發經驗和先進的模擬技術相結合”，Horn公司的研發主管Matthias Luik工程博士這樣解釋道。

加工而成的螺紋的表面性能非常出色

在研發過程中，Index-Werke公司向wbk機構提供了一臺縱向車削機床Traub TNL-18 7B。 使用這臺機床進行車銑復合加工時，其參數可調范圍更大，更適合進行研究。在圖5中展示了在這臺研究用機床上進行車銑復合加工得到的螺紋效果。并使用共焦顯微鏡對螺紋進行幾何學分析。

圖5. 使用六刃刀盤車銑M6 螺紋（圖源：wbk 機構）

車銑復合加工而成的螺紋的表面質量非常出色。幾何學分析顯示，所有加工而成的螺紋的尺寸都沒有超過公差。此外還滿足了施樂輝公司提出的提高生產率和優化流程參數的要求。

試驗結果證明了車銑復合加工的潛力。在后續的研究過程中，wbk機構會繼續關注過程變量，合作伙伴會繼續對批量生產的流程運行提供支持。此外，wbk機構將會和Index公司一起開發用于設計和優化刀具幾何外形和流程參數的模擬程序。