數控車(chē)床螺紋加工的先進(jìn)技術(shù)

螺紋車(chē)削刀具已經(jīng)從全面改善車(chē)刀性能的涂層及材料等級方面所取得的共同進(jìn)步中獲益。此外，在螺紋車(chē)削刀片方面，人們進(jìn)行了更好的結構設計，實(shí)現了更佳的切屑控制。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(lái)優(yōu)化螺紋加工操作，將螺紋加工過(guò)程看成是一種無(wú)法不斷取得進(jìn)步的“黑匣子”。 部分輪廓刀片可以通過(guò)穿透不同深度而加工出一系列螺紋，刀片可以加工的節距精細度是由小端部半徑的尺寸決定的（沒(méi)有在該示意圖中表示），刀片可以加工的節距有多粗是由該半徑的強度決定的。 事實(shí)上，通過(guò)工程設計方式可以提高螺紋加工過(guò)程的效率。第一步應該是理解螺紋加工中一些基本的主題。 為什么螺紋車(chē)削要求如此之高 螺紋車(chē)削的要求要高于普通車(chē)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距精確對應。對于節距為8螺紋/英寸（tpi）的情況，刀具必須以8轉/英寸或者0.125英寸/轉的進(jìn)給速度前進(jìn)。與普通車(chē)削應用（其中典型的進(jìn)給速度大約為0.012ipr）相比，螺紋車(chē)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。 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，而常規車(chē)削刀片的半徑為0.032英寸。對于螺紋加工刀片，該半徑受許可的螺紋形狀根部半徑（其大小由相關(guān)螺紋標準規定）的嚴格限制。它還受所需要的切削動(dòng)作限制，因為材料無(wú)法經(jīng)受普通車(chē)削中的剪切過(guò)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致的結果 是：螺紋加工刀片要承受比一般車(chē)刀高得多的應力。 部分與全輪廓刀片的比較 部分輪廓刀片，有時(shí)候被稱(chēng)作“非加頂式”刀片，它在不給螺紋加頂或裝牙頂的情況下切削螺紋溝槽。（參見(jiàn)圖1）一把刀片可以產(chǎn)生一系列螺紋，直至最粗的節距－即每英寸螺紋數最少處為止-這是刀片端部半徑強度許可的。 這種端部半徑設計得足夠小，刀片可以加工各種節距。對于小節距，端部半徑會(huì )顯得尺寸過(guò)小。這意味著(zhù)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(jiàn)圖2）借助這些刀片，加工一個(gè)螺紋所需要的操作道數可以減少80%。刀具壽命要遠遠長(cháng)于單頂尖刀片，因為最終的齒只加工某個(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-因為可能會(huì )產(chǎn)生顫振。此外，用這些刀片加工工件的結構必須具有足夠的螺紋間隙，以便所有齒退出切削。 橫切進(jìn)給方法的選擇對螺紋加工效率有很大影響 齒腹橫切不產(chǎn)生V形切屑，而是產(chǎn)生類(lèi)似于普通車(chē)削中的切屑。 每道進(jìn)給 每道的切削深度，或者說(shuō)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，去除的金屬量連續成指數上升。 為了避免這種切除量增加并維持比較現實(shí)的切削力，切深應該隨著(zhù)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(jiàn)圖3）很少有人發(fā)現這些方法中某種方法對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(xiàn)垂直），因此金屬從螺紋齒腹兩側去除，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(wèn)題。此外，由于刀片端部?jì)蓚纫惺茌^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(zhù)刀具沿30度直線(xiàn)進(jìn)給。切屑與普通車(chē)削中產(chǎn)生的類(lèi)似。（參見(jiàn)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，導致表面粗糙度很差，甚至發(fā)生顫振現象。 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(lèi)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(lái)的問(wèn)題。291/2度的橫切角一般會(huì )產(chǎn)生最佳結果，但在現實(shí)操作中，25～291/2度范圍內的橫切角都是可以接受的。 通過(guò)調節刀片螺旋角，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(lái)形成螺紋。這種方法可以保證較長(cháng)的刀具壽命，因為使用的是刀片端部?jì)蓚?。但也可能導致切屑流?wèn)題-這種問(wèn)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距和（英制）梯形及斜四邊形螺紋等。 間隙角補償 某些螺紋加工刀片和刀夾系統具有這樣的能力，即通過(guò)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，因為它可以防止刀片摩擦螺紋的齒腹。它還可以提供較長(cháng)的刀具壽命，因為切削力均勻分布在切削刃的整個(gè)長(cháng)度上。 沒(méi)有按這種方式傾斜的刀片-讓切削刃與工件中心線(xiàn)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(jiàn)圖5）特別是對比較粗的節距，這種不等性可能會(huì )引起齒腹發(fā)生摩擦。 可調式系統允許通過(guò)刀夾頭定位（一般采用填隙片）而傾斜刀片的角度。精確調節會(huì )獲得類(lèi)似的前刃和后刃角，確保刃的磨損進(jìn)展均勻。 這種客戶(hù)定制螺紋切削刀具被用來(lái)在一臺六主軸車(chē)床上加工兩個(gè)獨立的螺紋，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(lái)是設想用于螺紋銑刀的，但卻在這里用作車(chē)削刀片。 微型化和專(zhuān)用化 現在市面上已經(jīng)推出對直徑大約為0.3英寸的孔進(jìn)行內螺紋車(chē)削加工的轉位刀片式刀具。 通過(guò)車(chē)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，刀片結構允許切屑流出孔而很少損傷螺紋，且可以對刀片進(jìn)行分度，因此刀具成本較低。 用于這些應用場(chǎng)合的硬質(zhì)合金的等級一般是允許以較低的表面速度進(jìn)行加工的那種。對于在小孔中進(jìn)行內螺紋加工，機床方面所存在的限制一般是低表面速度以外的其他問(wèn)題。 人們取得的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)擴大了螺紋車(chē)刀的應用范圍，而進(jìn)入到小孔內螺紋車(chē)削加工就是其中一個(gè)實(shí)例。但是，盡管擴大了標準刀具的應用范圍，制造廠(chǎng)家仍然要遇到特定的問(wèn)題，這就為定制刀具的存在創(chuàng )造了空間。（參見(jiàn)圖6）與刀具供應商合作開(kāi)發(fā)的特殊刀具是在針對特定作業(yè)而搜索正確螺紋加工刀具時(shí)不可忽略的一種選項。