内螺纹加工新技术_冯启高

内螺纹加

冯启高

1, 2

工

, 马利杰

2

新技术

*

(1. 河南科技学院机电系, 河南新乡 453003; 2. 江苏大学机械工程学院, 江苏镇江 212013)

摘 要:螺纹加工是机械加工的重要工序之一。内螺纹加工效率的高低和加工质量的好坏直接影响零件的生产效率和精度, 因此选

择合适的内螺纹加工方法就显得尤为重要。针对几种内螺纹加工新技术的原理、特点、应用场合等进行阐述和比较。

关键词:挤压攻丝; 铣削螺纹; 高速攻丝; 振动攻丝

中图分类号:TH161+. 1 文献标识码:B 文章编号:1007-4414(2005) 04-0010-02

1 传统的内螺纹加工技术

在工业应用中, 传统的内螺纹加工工艺是切削攻丝技术, 它属于刀具成形加工的范畴, 距今已有200多年的历史。切削攻丝技术是在车床、钻床、攻丝机等相应的机械加工设备上, 采用内螺纹车刀、丝锥等螺纹成形刀具进行螺纹孔的加工。

传统的切削攻丝技术与镗削、刨削等加工方法相比, 其仍存在许多问题:①切屑的状态不易控制、切屑不易排出、易划伤已加工表面; ②攻丝扭矩大, 轴向力控制困难, 易使孔径及螺距误差扩大, 易损坏刀具; ③刀具刚性差, 承载能力低, 加工速度低, 加工效率低等。

的主要参数之一。常用底孔直径计算公式:D d =D -0. 6t 其中, D d 为底孔直径; D 为加工螺纹的公称直径; t 为加工螺纹的螺距。但是由于工件材料的塑性变形、弹性变形的不同及挤压丝锥牙形角的影响, 计算出来的数值不一定是最佳值。如果所选定的底孔直径小, 其攻丝扭矩会大大增加。在这种情况下丝锥容易卡住, 甚至折断, 对于薄壁螺纹套还可能出现外径的膨胀现象。如果所选的底孔直径尺寸大于所要求的最大孔径, 螺纹内径尺寸会过大超差, 即不能保证螺纹牙形的最小高度。因此正确控制螺纹底孔直径是挤压攻丝的关键。

切削液的选择是否恰当不仅影响挤压丝锥的磨损快慢, 还会造成丝锥的异常折断。挤压攻丝的切削液应该选择以润滑为主的切削油, 避免因为润滑状况不好造成滞锥、断锥现象。而对于挤压攻丝冷却则不是必须的, 一方面, 良好的润滑不会产生过多的热量, 即使产生少量的热量对于金属的塑性变形也是无害的; 另一方面, 不均匀的冷却使得被挤金属各处性能不一致, 影响挤压成型的效果。

(2) 挤压攻丝的特点及应用场合 利用挤压攻丝方法加工的螺纹孔具有精度高、表面粗糙度低、内螺纹牙形的金属组织不被剪断、螺纹孔强度高等优点。同时, 此种方法有明显的局限性, 它不能用于脆性材料上的螺纹孔、斜螺纹孔、不完整螺纹孔及薄壁螺纹孔的加工, 并且挤压丝锥制作成本高, 加工扭矩大。因此, 对于一些重要零件上的内螺纹一般不采用这种方法加工。2. 2 螺纹孔铣削技术

螺纹铣削技术又俗称 旋风铣螺纹 , 是利用螺纹铣刀加工内外螺纹的方法[2]。作为一种先进的加工方式, 近年来, 螺纹铣削技术取得了飞速的发展, 尤其是在多轴数控机床和加工中心上, 螺纹铣削技术被广泛采用。

(1) 螺纹孔铣削的关键技术 在铣削螺纹时, 若转速与进刀量不匹配, 机构的某些缺陷可能不利于加工; 同时, 线速度越低, 刀具的压力就越高, 因此在螺纹的全长上, 铣刀承受

2 内螺纹加工的新技术

当前, 精密和超精密加工、高效加工是机械制造的发展趋势, 这当然也成为螺纹加工的主要研究方向。近些年来, 出现了许多内螺纹加工的新技术和新方法, 例如:挤压攻丝技术、螺纹孔铣削技术、高速攻丝技术、振动攻丝技术等。2. 1 挤压攻丝技术

挤压攻丝技术是根据金属材料受力后发生塑性变形和流动的特性, 在预制好的工件底孔上利用挤压丝锥加工出螺纹孔的方法[1]。图1是挤压丝锥的挤压示意图, 在挤丝过程中, 由于丝锥牙尖的挤压, 材料沿丝锥牙的两侧从大的螺纹根部挤向空间较小的螺纹顶部, 与丝锥接触处的晶粒受力比螺纹牙芯部的晶粒大, 宏观表现在与挤压丝锥接触处晶粒的滑移量远大于芯部滑移量。可见挤压攻丝的过程表现为金属材料

塑性变形的过程。

图1 挤压丝锥的挤压示意图

(1) 挤压攻丝的关键技术 挤压攻丝的关键技术主要有2个方面, 它们是螺纹底孔的计算和切削液的选择。

底孔直径的正确选择是保证挤压出优质、高精度内螺纹

的压力相对较高。如果切削用量大, 会导致刀具弯曲, 甚至折断。所以, 如何减小铣削力成为保证螺纹铣削质量的关键技术之一。此外, 铣削参数如螺旋角、刀具转速、进刀量的选择与优化也是制约该项技术应用的关键。

(2) 螺纹孔铣削的特点及应用场合 采用螺纹孔铣削加

*收稿日期:2005-04-11

作者简介:冯启高(1964-), 男, 河南灵宝人, 副教授, 研究方向为机械制造和自动控制。

工方法可以避免攻丝加工的丝锥破损等问题, 这是因为螺纹孔铣刀比螺纹孔小, 因此, 容屑空间比攻丝时大得多, 而切屑却更短更小, 易于排出; 切削液能进入切削区, 润滑条件比攻丝时大大改善; 用螺纹铣削可以加工出牙高100%的螺纹孔, 而普通攻丝只能加工到60%~75%高度的螺纹孔, 甚至50%高度的螺纹孔, 这有助于增强螺纹的密封性能及提高螺纹的连接强度; 对于深螺纹孔加工, 由于可以采用单刃刀具, 因而轴线偏斜误差可以得到纠正, 而这在攻丝过程中难以实现。用铣刀加工盲孔内螺纹和锥螺纹孔具有很多优势, 至少加工盲孔内螺纹时底孔不需要像攻丝时那样深, 而且用铣削方法加工锥螺纹孔时在螺纹表面不会出现停刀的痕迹。

实践证明, 用铣削方法加工直径较大的螺纹孔(M 12以上) 时十分有效, 但在加工小螺纹孔时有较大难度。这是因为铣刀刀杆直径很小, 刀杆所受横向切削力不能得到平衡, 刀杆会产生较大的弯曲变形。随着刀具磨损的增大, 切削力会发生变化, 刀杆的变形也发生变化, 从而使得被加工螺纹孔的尺寸精度受到影响, 加工质量难以控制。2. 3 高速攻丝技术

高速攻丝技术是一项令人振奋的螺纹孔加工技术。应用高速攻丝技术在加工45钢上的螺纹孔时可以达到100~150m /mi n 的切削速度, 在切削高温合金和不锈钢上的螺纹孔时也可达到30m /min 的速度, 而普通切削攻丝的速度一般在2~10m /min 。由此可见, 高速攻丝的速度比普通攻丝的速度提高了10倍以上。高速攻丝的关键技术在于:高速丝锥、高速可反转攻丝夹头和高速螺旋插补机构的设计与制造以及高压切削液的供给方法的实现。

高速攻丝可以分成高速浮动攻丝(fl o at tappi ng) 与高速刚性攻丝(r i g i d tappi ng) 2种。高速浮动攻丝一般采用高速可反转攻丝夹头实现。但由于没有轴向位移的控制措施, 螺纹孔的螺距难以得到精确保证, 因此浮动攻丝方法只能用来加工一般质量的螺纹孔。高速刚性攻丝是使机床主轴直接带动丝锥作高速正向螺旋运动和回退运动而实现攻丝加工的方法。这种方法有利于提高螺纹孔的加工质量, 但由于主轴惯性大, 加速和减速时间长, 因此平均攻丝速度不易于提高。这种方法不适于大批量生产, 只适合于少量螺纹孔的加工

[3]

加了一个可控的周期振动, 从而使原来连续的攻丝过程变为脉冲地、瞬时地、重复地切削过程[4]。图2是振动攻丝的原理图。从图2(a) 可以看出:丝锥在以角速度 瞬时针旋转的同时, 又以振动频率f 和振幅A 作往复振动, 当振动速度和切削速度之间满足一定的关系时, 便形成了特殊的脉冲切削过程。图2(b) 表明了丝锥的运动规律, 在1个周期内, 丝锥的实际切削长度只有L T , 接着从切削区后退L G 的长度, 然后继续前进L G +L T 形成1个新的切削单元, 如此往复, 完成整个螺纹孔的加工。振动攻丝的关键技术主要是丝锥脉冲切削的实现和攻

丝参数的合理选择与优化。

(a) 丝锥相对工件的转动 (b ) 丝锥上刀齿的运动轨迹

图2 振动攻丝的原理图

由于振动攻丝特殊的切削机理, 它可以将有限的能量集中为脉冲形式释放出来, 从而改善了材料的切削性能; 丝锥的往复运动可以对已加工表面进行重复切削; 同时, 由于刀齿从切削区周期的分离从而改善了润滑状况[5]。因此, 该项技术具有很多独有的优点, 如, 降低了攻丝扭矩、提高了内螺纹质量、延长了丝锥的寿命等。因此, 该项技术必将在难加工材料上的螺纹孔、深螺纹孔、小直径螺纹孔的加工方面发挥不可替代的作用。

3 结束语

随着现代工业中对内螺纹加工精度要求的提高及更多新材料的应用, 如挤压攻丝技术、内螺纹铣削技术、高速攻丝技术、振动攻丝技术必将发挥越来越大的作用, 并将在使用中得到提高和完善。与此同时, 必将有更新、更高效的内螺纹加工技术出现。

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-18.

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机械工业出版社, 1985.

[5] 李样林, 薛万夫, 张日升. 振动切削及其在机械加工中的应用

[M].北京:科学技术出版社, 1985.

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。同时,

高速攻丝方法并不能显著减少攻丝扭矩。因此, 与普通攻丝相比, 在加工难加工材料的螺纹孔和小螺纹孔时, 丝锥破损的问题仍然存在, 并不能得到根本的改善。2. 4 振动攻丝技术

振动攻丝技术是20世纪60年代日本的隈部淳一郎教授提出的一项新的精密加工技术, 该技术是振动切削技术的一部分。它在传统攻丝回转运动的基础上, 沿螺旋升角方向叠

N e w technology of m achini n g inside t hread

Feng Q i-gao , M a Li-jie

(1. D e p art m ent of mechanical and electronic engineer i ng, H enan science and techno logy co llege , X i nx iang H enan 453003, China ;

2. School of m echanical engineering , J i angsu universit y, Zhenjiang J i angsu 212013, China )

Abstrac t :M ach i ni ng t hread is one o f i m portant pro cedure of m ach i ne . T he effic i ency and qua lity of ins i de thread i nfl uence directl y pro -duction ra te and ra ti o o f prec i s i on . Therefore ,

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pr i nciple , cha racte r , appli ed range of severa l new techno logy of m ach i ning i nside thread . K ey word s :squeez i ng tapping ; m illing tap ; h i gh-speed tapp i ng ; v i bratory tappi ng