數控車床螺紋加工的先進技術

螺紋車削刀具已經從全面改善車刀性能的涂層及材料等級方面所取得的共同進步中獲益。此外，在螺紋車削刀片方面，人們進行了更好的結構設計，實現了更佳的切屑控制。盡管發生了這些變化，制造工程師們傾向花很少的時間來優化螺紋加工操作，將螺紋加工過程看成是一種無法不斷取得進步的“黑匣子”。 部分輪廓刀片可以通過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。 事實上，通過工程設計方式可以提高螺紋加工過程的效率。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/轉的進給速度前進。與普通車削應用（其中典型的進給速度大約為0.012ipr）相比，螺紋車削的進給速度要高出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，在一個系列中帶有多個齒，螺紋加工效率可能會提高，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（其大小由相關螺紋標準規定）的嚴格限制。它還受所需要的切削動作限制，因為材料無法經受普通車削中的剪切過程，否則會發生螺紋變形。 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，有時候被稱作“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。（參見圖1）一把刀片可以產生一系列螺紋，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8tpi的螺紋需要螺紋深度為0.108英寸，而用完全輪廓刀片產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齒更深。（參見圖2）借助這些刀片，加工一個螺紋所需要的操作道數可以減少80%。刀具壽命要遠遠長于單頂尖刀片，因為最終的齒只加工某個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-因為可能會產生顫振。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。 橫切進給方法的選擇對螺紋加工效率有很大影響 齒腹橫切不產生V形切屑，而是產生類似于普通車削中的切屑。 每道進給 每道的切削深度，或者說每道進給，在螺紋加工中是非常關鍵的。每個相連的操作道都要嚙合刀片切削刃較大部分。如果每道進給是恒定的（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劇烈增加。 例如，在采用恒定的0.010英寸進給/道的速度加工一個60度螺紋形狀時，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的切削力，切深應該隨著各道操作而減少。 橫切進給法 至少有四種橫切進給法。（參見圖3）很少有人發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。由于刀具是徑向進給的（與工件中心線垂直），因此金屬從螺紋齒腹兩側去除，從而產生V形切屑。這種切屑很難斷裂，因此切屑流動是一個問題。此外，由于刀片端部兩側要承受較高的熱和壓力，因此刀具壽命通常比其他橫切進給法中要短。 齒腹橫切進給 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度直線進給。切屑與普通車削中產生的類似。（參見圖4。）與徑向橫切相比，這種方法中產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，在這種橫切進給法中，刀片后緣會摩擦齒腹而不會進行切削。這樣會燒傷螺紋，導致表面粗糙度很差，甚至發生顫振現象。 修改的齒腹橫切進給（推薦采用） 這種方法與齒腹橫切進給法類似，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點，同時又避免了刀片后緣帶來的問題。291/2度的橫切角一般會產生最佳結果，但在現實操作中，25～291/2度范圍內的橫切角都是可以接受的。 通過調節刀片螺旋角，如右邊“傾斜”的刀片，可以平衡刀片前刃和后刃下的間隙角，這樣可以產生比較均勻的磨損。 交替式齒腹橫切進給 這種方法沿兩個螺紋齒腹交替進給，因此它采用刀片的兩個齒腹來形成螺紋。這種方法可以保證較長的刀具壽命，因為使用的是刀片端部兩側。但也可能導致切屑流問題-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。它還可以提供較長的刀具壽命，因為切削力均勻分布在切削刃的整個長度上。 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）特別是對比較粗的節距，這種不等性可能會引起齒腹發生摩擦。 可調式系統允許通過刀夾頭定位（一般采用填隙片）而傾斜刀片的角度。精確調節會獲得類似的前刃和后刃角，確保刃的磨損進展均勻。 這種客戶定制螺紋切削刀具被用來在一臺六主軸車床上加工兩個獨立的螺紋，以前螺紋是一次加工一個。這里使用的刀片實際上原來是設想用于螺紋銑刀的，但卻在這里用作車削刀片。 微型化和專用化 現在市面上已經推出對直徑大約為0.3英寸的孔進行內螺紋車削加工的轉位刀片式刀具。 通過車削方式將這樣的小孔加工出螺紋具有很多優點。所加工的螺紋質量通常比較高，刀片結構允許切屑流出孔而很少損傷螺紋，且可以對刀片進行分度，因此刀具成本較低。 用于這些應用場合的硬質合金的等級一般是允許以較低的表面速度進行加工的那種。對于在小孔中進行內螺紋加工，機床方面所存在的限制一般是低表面速度以外的其他問題。 人們取得的技術進步已經擴大了螺紋車刀的應用范圍，而進入到小孔內螺紋車削加工就是其中一個實例。但是，盡管擴大了標準刀具的應用范圍，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造了空間。（參見圖6）與刀具供應商合作開發的特殊刀具是在針對特定作業而搜索正確螺紋加工刀具時不可忽略的一種選項。