數(shù)控車床螺紋加工的先進(jìn)技術(shù)

螺紋車削刀具已經(jīng)從全面改善車刀性能的涂層及材料等級(jí)方面所取得的共同進(jìn)步中獲益。此外，在螺紋車削刀片方面，人們進(jìn)行了更好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更佳的切屑控制。盡管發(fā)生了這些變化，制造工程師們傾向花很少的時(shí)間來優(yōu)化螺紋加工操作，將螺紋加工過程看成是一種無法不斷取得進(jìn)步的“黑匣子”。

???? 事實(shí)上，通過工程設(shè)計(jì)方式可以提高螺紋加工過程的效率。第一步應(yīng)該是理解螺紋加工中一些基本的主題。

為什么螺紋車削要求如此之高

???? 螺紋車削的要求要高于普通車削操作。切削力一般較高，螺紋刀片的切削端部半徑較小，比較薄弱。

???? 在螺紋加工中，進(jìn)給速度必須與螺紋的節(jié)距精確對(duì)應(yīng)。對(duì)于節(jié)距為8螺紋/英寸（tpi）的情況，刀具必須以8轉(zhuǎn)/英寸或者0.125英寸/轉(zhuǎn)的進(jìn)給速度前進(jìn)。與普通車削應(yīng)用（其中典型的進(jìn)給速度大約為0.012ipr）相比，螺紋車削的進(jìn)給速度要高出10倍。螺紋加工刀片刀尖處的作用力可能要高100～1,000倍。

圖2：多齒刀片，在一個(gè)系列中帶有多個(gè)齒，螺紋加工效率可能會(huì)提高，但切削力較高。

???? ?承受這種作用力的端部半徑一般為0.015英寸，而常規(guī)車削刀片的半徑為0.032英寸。對(duì)于螺紋加工刀片，該半徑受許可的螺紋形狀根部半徑（其大小由相關(guān)螺紋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定）的嚴(yán)格限制。它還受所需要的切削動(dòng)作限制，因?yàn)椴牧蠠o法經(jīng)受普通車削中的剪切過程，否則會(huì)發(fā)生螺紋變形。

???? 切削力較高和作用力聚集范圍較窄導(dǎo)致的結(jié)果 是：螺紋加工刀片要承受比一般車刀高得多的應(yīng)力。

部分與全輪廓刀片的比較

???? 部分輪廓刀片，有時(shí)候被稱作“非加頂式”刀片，它在不給螺紋加頂或裝牙頂?shù)那闆r下切削螺紋溝槽。（參見圖1）一把刀片可以產(chǎn)生一系列螺紋，直至最粗的節(jié)距－即每英寸螺紋數(shù)最少處為止-這是刀片端部半徑強(qiáng)度許可的。

????? 這種端部半徑設(shè)計(jì)得足夠小，刀片可以加工各種節(jié)距。對(duì)于小節(jié)距，端部半徑會(huì)顯得尺寸過小。這意味著刀片必須穿透得深一些。例如，用一把部分輪廓刀片加工一個(gè)8tpi的螺紋需要螺紋深度為0.108英寸，而用完全輪廓刀片產(chǎn)生的相同螺紋則只需要0.81英寸的指定深度。因此，全輪廓刀片可以產(chǎn)生強(qiáng)度更高的螺紋。此外，全輪廓刀片加工出螺紋的操作可以少4道。

多齒刀片

???? 多齒刀片連續(xù)地帶有系列齒，任何齒在螺紋溝槽中切削的深度都要比它前面的一個(gè)齒更深。（參見圖2）借助這些刀片，加工一個(gè)螺紋所需要的操作道數(shù)可以減少80%。刀具壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于單頂尖刀片，因?yàn)樽罱K的齒只加工某個(gè)給定螺紋一半或三分之一的
金屬。

???? 但是，由于它們存在較高的切削力，因此不提倡將這些刀片用于薄壁零件的加工-因?yàn)榭赡軙?huì)產(chǎn)生顫振。此外，用這些刀片加工工件的結(jié)構(gòu)必須具有足夠的螺紋間隙，以便所有齒退出切削。

圖3：橫切進(jìn)給方法的選擇對(duì)螺紋加工效率有很大影響

圖4：齒腹橫切不產(chǎn)生V形切屑，而是產(chǎn)生類似于普通車削中的切屑。

每道進(jìn)給

???? 每道的切削深度，或者說每道進(jìn)給，在螺紋加工中是非常關(guān)鍵的。每個(gè)相連的操作道都要嚙合刀片切削刃較大部分。如果每道進(jìn)給是恒定的（不推薦采用這種方式），則切削力和金屬去除率從上一道到下一道會(huì)劇烈增加。

???? ?例如，在采用恒定的0.010英寸進(jìn)給/道的速度加工一個(gè)60度螺紋形狀時(shí)，第二道去除的材料為第一道的3倍。與隨后每道操作一樣，去除的金屬量連續(xù)成指數(shù)上升。

???? 為了避免這種切除量增加并維持比較現(xiàn)實(shí)的切削力，切深應(yīng)該隨著各道操作而減少。

橫切進(jìn)給法

????至少有四種橫切進(jìn)給法。（參見圖3）很少有人發(fā)現(xiàn)這些方法中某種方法對(duì)螺紋加工操作有效性的沖擊到底有多大。

• 徑向橫切進(jìn)給
  
• 盡管這可能是加工螺紋最常用的方法，但確是最不提倡采用的一種方法。由于刀具是徑向進(jìn)給的（與工件中心線垂直），因此金屬?gòu)穆菁y齒腹兩側(cè)去除，從而產(chǎn)生V形切屑。這種切屑很難斷裂，因此切屑流動(dòng)是一個(gè)問題。此外，由于刀片端部?jī)蓚?cè)要承受較高的熱和壓力，因此刀具壽命通常比其他橫切進(jìn)給法中要短。
  
• 齒腹橫切進(jìn)給
  
  在這種方法中，橫切方向與螺紋齒腹之一平行，這一般意味著刀具沿30度直線進(jìn)給。切屑與普通車削中產(chǎn)生的類似。（參見圖4。）與徑向橫切相比，這種方法中產(chǎn)生的切屑比較容易成形，并且易于從切削刃中排出，熱擴(kuò)散性更好。但是，在這種橫切進(jìn)給法中，刀片后緣會(huì)摩擦齒腹而不會(huì)進(jìn)行切削。這樣會(huì)燒傷螺紋，導(dǎo)致表面粗糙度很差，甚至發(fā)生顫振現(xiàn)象。
  
• 修改的齒腹橫切進(jìn)給（推薦采用）
  
  這種方法與齒腹橫切進(jìn)給法類似，不同的是橫切角度小于螺紋角度-即小于30度。這種方法保留了齒腹橫切法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又避免了刀片后緣帶來的問題。291/2度的橫切角一般會(huì)產(chǎn)生最佳結(jié)果，但在現(xiàn)實(shí)操作中，25～291/2度范圍內(nèi)的橫切角都是可以接受的。
  

  圖5：通過調(diào)節(jié)刀片螺旋角，如右邊“傾斜”的刀片，可以平衡刀片前刃和后刃下的間隙角，這樣可以產(chǎn)生比較均勻的磨損。

• 交替式齒腹橫切進(jìn)給
  這種方法沿兩個(gè)螺紋齒腹交替進(jìn)給，因此它采用刀片的兩個(gè)齒腹來形成螺紋。這種方法可以保證較長(zhǎng)的刀具壽命，因?yàn)槭褂玫氖堑镀瞬績(jī)蓚?cè)。但也可能導(dǎo)致切屑流問題-這種問題可能影響表面粗糙度和刀具壽命。這種方法通常只用于大節(jié)距和（英制）梯形及斜四邊形螺紋等。
  

間隙角補(bǔ)償

???? 某些螺紋加工刀片和刀夾系統(tǒng)具有這樣的能力，即通過改變螺旋角而按切削的方向精確地傾斜刀片。這種特征可以加工出較高質(zhì)量的螺紋，因?yàn)樗梢苑乐沟镀Σ谅菁y的齒腹。它還可以提供較長(zhǎng)的刀具壽命，因?yàn)榍邢髁鶆蚍植荚谇邢魅械恼麄€(gè)長(zhǎng)度上。

???? 沒有按這種方式傾斜的刀片-讓切削刃與工件中心線平行的方式-會(huì)在刀片的前刃和后刃下形成不相等的間隙角。（參見圖5）特別是對(duì)比較粗的節(jié)距，這種不等性可能會(huì)引起齒腹發(fā)生摩擦。

???? 可調(diào)式系統(tǒng)允許通過刀夾頭定位（一般采用填隙片）而傾斜刀片的角度。精確調(diào)節(jié)會(huì)獲得類似的前刃和后刃角，確保刃的磨損進(jìn)展均勻。

圖6：這種客戶定制螺紋切削刀具被用來在一臺(tái)六主軸車床上加工兩個(gè)獨(dú)立的螺紋，以前螺紋是一次加工一個(gè)。這里使用的刀片實(shí)際上原來是設(shè)想用于螺紋銑刀的，但卻在這里用作車削刀片

微型化和專用化

???? 現(xiàn)在市面上已經(jīng)推出對(duì)直徑大約為0.3英寸的孔進(jìn)行內(nèi)螺紋車削加工的轉(zhuǎn)位刀片式刀具。

???? 通過車削方式將這樣的小孔加工出螺紋具有很多優(yōu)點(diǎn)。所加工的螺紋質(zhì)量通常比較高，刀片結(jié)構(gòu)允許切屑流出孔而很少損傷螺紋，且可以對(duì)刀片進(jìn)行分度，因此刀具成本較低。

???? 用于這些應(yīng)用場(chǎng)合的硬質(zhì)合金的等級(jí)一般是允許以較低的表面速度進(jìn)行加工的那種。對(duì)于在小孔中進(jìn)行內(nèi)螺紋加工，機(jī)床方面所存在的限制一般是低表面速度以外的其他問題。

???? 人們?nèi)〉玫募夹g(shù)進(jìn)步已經(jīng)擴(kuò)大了螺紋車刀的應(yīng)用范圍，而進(jìn)入到小孔內(nèi)螺紋車削加工就是其中一個(gè)實(shí)例。但是，盡管擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)刀具的應(yīng)用范圍，制造廠家仍然要遇到特定的問題，這就為定制刀具的存在創(chuàng)造了空間。（參見圖6）與刀具供應(yīng)商合作開發(fā)的特殊刀具是在針對(duì)特定作業(yè)而搜索正確螺紋加工刀具時(shí)不可忽略的一種選項(xiàng)。