数控车床螺纹加工的先进技术

数控车床螺纹加工的先进技术

螺纹车削刀具已经从全面改善车刀性能的涂层及材料等级方面所取得的共同进步中获益。此外，在螺纹车削刀片方面，人们进行了更好的结构设计，实现了更佳的切屑控制。尽管发生了这些变化，制造工程师们倾向花很少的时间来优化螺纹加工操作，将螺纹加工过程看成是一种无法不断取得进步的“黑匣子”。

     事实上，通过工程设计方式可以提高螺纹加工过程的效率。第一步应该是理解螺纹加工中一些基本的主题。

为什么螺纹车削要求如此之高

     螺纹车削的要求要高于普通车削操作。切削力一般较高，螺纹刀片的切削端部半径较小，比较薄弱。

     在螺纹加工中，进给速度必须与螺纹的节距精确对应。对于节距为8螺纹/英寸（tpi）的情况，刀具必须以8转/英寸或者0.125英寸/转的进给速度前进。与普通车削应用（其中典型的进给速度大约为0.012ipr）相比，螺纹车削的进给速度要高出10倍。螺纹加工刀片刀尖处的作用力可能要高100～1,000倍。

图2：多齿刀片，在一个系列中带有多个齿，螺纹加工效率可能会提高，但切削力较高。

      承受这种作用力的端部半径一般为0.015英寸，而常规车削刀片的半径为0.032英寸。对于螺纹加工刀片，该半径受许可的螺纹形状根部半径（其大小由相关螺纹标准规定）的严格限制。它还受所需要的切削动作限制，因为材料无法经受普通车削中的剪切过程，否则会发生螺纹变形。

     切削力较高和作用力聚集范围较窄导致的结果 是：螺纹加工刀片要承受比一般车刀高得多的应力。

部分与全轮廓刀片的比较

     部分轮廓刀片，有时候被称作“非加顶式”刀片，它在不给螺纹加顶或装牙顶的情况下切削螺纹沟槽。（参见图1）一把刀片可以产生一系列螺纹，直至最粗的节距－即每英寸螺纹数最少处为止-这是刀片端部半径强度许可的。

      这种端部半径设计得足够小，刀片可以加工各种节距。对于小节距，端部半径会显得尺寸过小。这意味着刀片必须穿透得深一些。例如，用一把部分轮廓刀片加工一个8tpi的螺纹需要螺纹深度为0.108英寸，而用完全轮廓刀片产生的相同螺纹则只需要0.81英寸的指定深度。因此，全轮廓刀片可以产生强度更高的螺纹。此外，全轮廓刀片加工出螺纹的操作可以少4道。

多齿刀片

     多齿刀片连续地带有系列齿，任何齿在螺纹沟槽中切削的深度都要比它前面的一个齿更深。（参见图2）借助这些刀片，加工一个螺纹所需要的操作道数可以减少80%。刀具寿命要远远长于单顶尖刀片，因为最终的齿只加工某个给定螺纹一半或三分之一的
金属。

     但是，由于它们存在较高的切削力，因此不提倡将这些刀片用于薄壁零件的加工-因为可能会产生颤振。此外，用这些刀片加工工件的结构必须具有足够的螺纹间隙，以便所有齿退出切削。

图3：横切进给方法的选择对螺纹加工效率有很大影响

图4：齿腹横切不产生V形切屑，而是产生类似于普通车削中的切屑。

每道进给

     每道的切削深度，或者说每道进给，在螺纹加工中是非常关键的。每个相连的操作道都要啮合刀片切削刃较大部分。如果每道进给是恒定的（不推荐采用这种方式），则切削力和金属去除率从上一道到下一道会剧烈增加。

      例如，在采用恒定的0.010英寸进给/道的速度加工一个60度螺纹形状时，第二道去除的材料为第一道的3倍。与随后每道操作一样，去除的金属量连续成指数上升。

     为了避免这种切除量增加并维持比较现实的切削力，切深应该随着各道操作而减少。

横切进给法

    至少有四种横切进给法。（参见图3）很少有人发现这些方法中某种方法对螺纹加工操作有效性的冲击到底有多大。

• 径向横切进给
  
• 尽管这可能是加工螺纹最常用的方法，但确是最不提倡采用的一种方法。由于刀具是径向进给的（与工件中心线垂直），因此金属从螺纹齿腹两侧去除，从而产生V形切屑。这种切屑很难断裂，因此切屑流动是一个问题。此外，由于刀片端部两侧要承受较高的热和压力，因此刀具寿命通常比其他横切进给法中要短。
  
• 齿腹横切进给
  
  在这种方法中，横切方向与螺纹齿腹之一平行，这一般意味着刀具沿30度直线进给。切屑与普通车削中产生的类似。（参见图4。）与径向横切相比，这种方法中产生的切屑比较容易成形，并且易于从切削刃中排出，热扩散性更好。但是，在这种横切进给法中，刀片后缘会摩擦齿腹而不会进行切削。这样会烧伤螺纹，导致表面粗糙度很差，甚至发生颤振现象。
  
• 修改的齿腹横切进给（推荐采用）
  
  这种方法与齿腹横切进给法类似，不同的是横切角度小于螺纹角度-即小于30度。这种方法保留了齿腹横切法的优点，同时又避免了刀片后缘带来的问题。291/2度的横切角一般会产生最佳结果，但在现实操作中，25～291/2度范围内的横切角都是可以接受的。
  

  图5：通过调节刀片螺旋角，如右边“倾斜”的刀片，可以平衡刀片前刃和后刃下的间隙角，这样可以产生比较均匀的磨损。

• 交替式齿腹横切进给
  这种方法沿两个螺纹齿腹交替进给，因此它采用刀片的两个齿腹来形成螺纹。这种方法可以保证较长的刀具寿命，因为使用的是刀片端部两侧。但也可能导致切屑流问题-这种问题可能影响表面粗糙度和刀具寿命。这种方法通常只用于大节距和（英制）梯形及斜四边形螺纹等。
  

间隙角补偿

     某些螺纹加工刀片和刀夹系统具有这样的能力，即通过改变螺旋角而按切削的方向精确地倾斜刀片。这种特征可以加工出较高质量的螺纹，因为它可以防止刀片摩擦螺纹的齿腹。它还可以提供较长的刀具寿命，因为切削力均匀分布在切削刃的整个长度上。

     没有按这种方式倾斜的刀片-让切削刃与工件中心线平行的方式-会在刀片的前刃和后刃下形成不相等的间隙角。（参见图5）特别是对比较粗的节距，这种不等性可能会引起齿腹发生摩擦。

     可调式系统允许通过刀夹头定位（一般采用填隙片）而倾斜刀片的角度。精确调节会获得类似的前刃和后刃角，确保刃的磨损进展均匀。

图6：这种客户定制螺纹切削刀具被用来在一台六主轴车床上加工两个独立的螺纹，以前螺纹是一次加工一个。这里使用的刀片实际上原来是设想用于螺纹铣刀的，但却在这里用作车削刀片

微型化和专用化

     现在市面上已经推出对直径大约为0.3英寸的孔进行内螺纹车削加工的转位刀片式刀具。

     通过车削方式将这样的小孔加工出螺纹具有很多优点。所加工的螺纹质量通常比较高，刀片结构允许切屑流出孔而很少损伤螺纹，且可以对刀片进行分度，因此刀具成本较低。

     用于这些应用场合的硬质合金的等级一般是允许以较低的表面速度进行加工的那种。对于在小孔中进行内螺纹加工，机床方面所存在的限制一般是低表面速度以外的其他问题。

     人们取得的技术进步已经扩大了螺纹车刀的应用范围，而进入到小孔内螺纹车削加工就是其中一个实例。但是，尽管扩大了标准刀具的应用范围，制造厂家仍然要遇到特定的问题，这就为定制刀具的存在创造了空间。（参见图6）与刀具供应商合作开发的特殊刀具是在针对特定作业而搜索正确螺纹加工刀具时不可忽略的一种选项。