數(shù)控機(jī)床攻絲銑絲現(xiàn)狀調(diào)查

呂再捷 肖麟 張超龍

摘要：隨著“中國(guó)制造2025”計(jì)劃戰(zhàn)略的提出，車間對(duì)生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新勢(shì)在必行，這不僅響應(yīng)了國(guó)家政策的號(hào)召，也是生產(chǎn)過(guò)程中降本增效、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路。結(jié)合車間生產(chǎn)方面的實(shí)際情況，我們計(jì)劃從數(shù)控機(jī)床攻絲和銑絲工藝入手，初步了解這一工藝和目前的業(yè)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，為接下來(lái)工藝的改進(jìn)工作打下良好的基礎(chǔ)。

Abstract： With the "Made in China 2025" plan strategy proposed， it is imperative for the workshop to innovate the production process. This not only responds to the call of the national policy， but is also the only way to reduce costs and increase efficiency in the production process and improve the competitiveness of enterprises. Combining the actual production situation in the workshop， we plan to start with the CNC machine tool tapping and milling process to get a preliminary understanding of this process and the current development status of the industry， so as to lay a good foundation for the next process improvement.

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;攻絲;銑絲

Key words： CNC machine tools;tapping;milling

中圖分類號(hào)：TG62? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0066-02

1? 背景

先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的不斷更新?lián)Q代促進(jìn)了制造行業(yè)對(duì)機(jī)械零件材料性能的要求日益苛刻，各種高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫材料不斷涌現(xiàn)市場(chǎng)，例如鈦合金和高溫合金。這些性能突出的材料都屬于典型的難加工材料，本身具有較高的抗拉強(qiáng)度和硬度。在攻絲過(guò)程中，極大的切削力會(huì)使刀具更易磨損和折斷，絲錐與工件由于切削接觸面溫度過(guò)高而相熔，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量差、螺紋精度低、廢品率高，攻螺紋和銑螺紋工作困難重重[1]。

時(shí)代巨輪穩(wěn)步前行，隨著機(jī)械制造領(lǐng)域數(shù)控技術(shù)不斷發(fā)展、軟件更新?lián)Q代和三軸聯(lián)動(dòng)或多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生以及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床儼然成為眼下螺紋制造工作的主力軍。我們可以嘗試在把握攻螺紋和銑螺紋工藝基本原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用操作，找到解決問(wèn)題的突破口，使攻絲、銑絲效率得到一定程度的提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到保證。

2? 攻絲和銑絲過(guò)程

螺紋的主要作用是連接、調(diào)整、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，在機(jī)械行業(yè)中運(yùn)用廣泛，發(fā)揮作用巨大，因此加工出高品質(zhì)螺紋是車間提高工件質(zhì)量的途徑之一。在機(jī)加過(guò)程中，對(duì)工件小孔功能面進(jìn)行螺紋攻絲具有工時(shí)短、工價(jià)低的優(yōu)勢(shì)。值得注意的是，螺紋加工一般是整個(gè)生產(chǎn)流程中的最后一步，如果在這項(xiàng)工序時(shí)出了差錯(cuò)將會(huì)導(dǎo)致工件的報(bào)廢，整個(gè)工件加工過(guò)程功虧一簣，同時(shí)也會(huì)給企業(yè)帶來(lái)時(shí)間、人力、經(jīng)濟(jì)成本的增加和資源的浪費(fèi)。這種形勢(shì)迫使技術(shù)人員不斷改進(jìn)螺紋加工過(guò)程，完善加工方法[2]。

車間螺紋加工常常采用絲錐攻絲、車削、板牙手工攻絲和銑絲等方法來(lái)進(jìn)行作業(yè)，其中加工內(nèi)螺紋會(huì)根據(jù)孔的大小來(lái)選擇攻絲和銑絲工藝。

當(dāng)內(nèi)螺紋直徑較小時(shí)，采用絲錐攻絲工藝。具體操作是根據(jù)絲錐的標(biāo)稱螺距，用一定的扭矩將絲錐旋入目標(biāo)孔中加工出內(nèi)螺紋，弊端在于一把刀具只能加工螺距和直徑一定的內(nèi)螺紋。

當(dāng)內(nèi)螺紋直徑相對(duì)較大時(shí)，采用銑絲工藝，一把螺紋銑刀可以加工多種不同旋向的內(nèi)、外螺紋，且加工時(shí)不受螺紋結(jié)構(gòu)和螺紋旋向的限制，靈活度高且耐用度是絲錐的十多倍[3]，有效降低了成本。具體工作流程為：高速旋轉(zhuǎn)的螺紋銑刀刀尖始終與內(nèi)螺紋底徑處于內(nèi)接狀態(tài)，程序通過(guò)圓弧插補(bǔ)功能實(shí)現(xiàn)刀具繞工件孔軸線作螺旋運(yùn)動(dòng)，在工件孔壁上切出螺紋槽，實(shí)現(xiàn)絲孔螺紋加工[4]。

攻絲時(shí)，絲錐深入工件中，在半封閉狀態(tài)下進(jìn)行銑削，常常出現(xiàn)以下問(wèn)題：

①由于絲錐齒數(shù)多，切削和排屑過(guò)程均在有限的空間內(nèi)進(jìn)行，容屑空間狹小，因此常常會(huì)出現(xiàn)絲錐崩齒、折斷，或是工件加工質(zhì)量良莠不齊的現(xiàn)象[5]。

②在加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種意外狀況，例如加工材料彈性變形的回復(fù)、絲錐軸向偏移、絲錐的磨損以及機(jī)攻切削速度不穩(wěn)定等都會(huì)影響攻絲過(guò)程的順利進(jìn)行。

③隨著攻絲的軸向切入深度增加，冷卻液和潤(rùn)滑劑難以進(jìn)入切削表面，切削液的冷卻潤(rùn)滑效果無(wú)法作用到切削面，攻絲過(guò)程將產(chǎn)生干摩擦[6]。在加工深孔內(nèi)螺紋時(shí)，切削面溫度急劇上升，使絲錐表面和工件相熔，切屑易發(fā)生粘刀現(xiàn)象，排屑過(guò)程更加困難。

3? 機(jī)動(dòng)與手動(dòng)攻絲、銑絲的區(qū)別

絲錐加工方式可以分為手動(dòng)攻絲和機(jī)動(dòng)攻絲，兩種方式均存在優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。其中機(jī)攻可以分為剛性攻絲和柔性攻絲，兩者區(qū)別見(jiàn)表1。

過(guò)去，機(jī)加車間的螺紋加工工作都是由操作工人來(lái)完成的，手動(dòng)攻絲在開(kāi)始階段精度較高，質(zhì)量能得到保證。但是由于操作師傅的體力和精力有限，隨著工作時(shí)間的拉長(zhǎng)絲錐軸線越來(lái)越難對(duì)準(zhǔn)，攻絲力度不均勻，導(dǎo)致工作效率降低、生產(chǎn)的工件質(zhì)量也參差不齊[8]。其次，工人長(zhǎng)期進(jìn)行攻絲工作，手臂需要承受很大的力氣，工人過(guò)度勞動(dòng)極易造成工傷。此外，進(jìn)行手動(dòng)攻絲時(shí)，不僅切削狀態(tài)難以控制，而且切屑排出非常困難。綜上，對(duì)于零件中帶有大量?jī)?nèi)孔和內(nèi)螺紋的生產(chǎn)加工工藝需求，采用人工手動(dòng)方式存在生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高等問(wèn)題，適合單件、小批量的加工生產(chǎn)。

機(jī)動(dòng)攻絲銑絲是操作工人運(yùn)用高速鉆孔和攻絲機(jī)床進(jìn)行零件加工，適合于批量生產(chǎn)。在數(shù)控裝置中，一般采用直線插補(bǔ)運(yùn)算來(lái)控制銑刀和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而使它們的軌跡形成螺紋，具有生產(chǎn)加工上的諸多優(yōu)勢(shì)[9]，主要為：

①機(jī)動(dòng)攻絲銑絲加工螺紋精度高、加工效率高，例如使用三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行銑削螺紋加工工作時(shí)，線速度可達(dá)80-200m/min。

②加工表面光潔度好，由于在銑削的過(guò)程中，主軸高速旋轉(zhuǎn)，吃刀量較小，并且螺紋銑刀刀刃鋒利，銑削時(shí)所產(chǎn)生的切削力使切削可以快速飛離工作表面，因而可以獲得較高的表面質(zhì)量。

③刀具折損容易處理。使用絲錐時(shí)，由于切削力較大、排屑不暢、磨損等原因易造成絲錐折斷，從工件小孔中取出絲錐將變得非常麻煩;而螺紋銑刀比螺紋孔尺寸小，銑削加工時(shí)容屑情況較好，切屑能夠順利排出，取出壞刀具也相對(duì)容易許多。

④機(jī)床的功率要求低。螺紋銑削時(shí)，由于僅刀尖部分與工件做局部接觸，切削力小、銑削螺紋所需的扭矩較小，所需要的機(jī)床功率小。

4? 攻絲銑絲實(shí)例

對(duì)于不同的材料，我們應(yīng)該針對(duì)其特性來(lái)制定行之有效的加工方案。

鈦合金材料小孔攻絲難度很大，主要表現(xiàn)為攻絲時(shí)的總扭矩大約是45鋼的2倍，絲錐刀齒易被卡死，刀齒過(guò)快地磨齒、崩刃，甚至扭斷絲錐。張利軍等[10]基于不同的絲錐結(jié)構(gòu)，合理選用絲錐材料、切削速度、結(jié)構(gòu)參數(shù)、切削液，提高絲錐的耐用度，降低攻絲扭矩，保證鈦合金殼體零件的攻絲質(zhì)量。

玻璃鋼材料具有密度小、強(qiáng)度高以及高硬度質(zhì)點(diǎn)多的特性，北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司為了解決公司YW1普通螺紋車刀加工時(shí)出現(xiàn)起層和掉渣現(xiàn)象，研究設(shè)計(jì)了一套在普通車床上使用的銑絲裝備，如圖1所示。該裝置的使用不但保證了加工質(zhì)量，刀具也較以前壽命增長(zhǎng)，生產(chǎn)效率也有所提高。該示例有助于拓展我們的工作思路，為嘗試設(shè)計(jì)銑絲裝備提供一些幫助。

臥式加工中心的高速剛性攻絲廣泛用于汽車、船用等發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的加工和各種箱體類機(jī)械零部件的加工。

沈陽(yáng)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司KIMI系列數(shù)控臥式銑鏜床、XK（H）系列數(shù)控龍門(mén)銑鏜床使用FSSB高速剛性攻絲功能，在機(jī)械條件均不變化的狀態(tài)下，僅通過(guò)配置FSSB高速剛性攻絲功能參數(shù)，攻絲速度可達(dá)到指令速度2000r/min，攻絲誤差從原使用傳統(tǒng)攻絲功能時(shí)的20～30降低至3～6，并通過(guò)了實(shí)際切削驗(yàn)證，大幅提高了剛性攻絲速度和質(zhì)量，同時(shí)也提高了加工中心的使用性能。此外，公司研究人員還通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床Z軸和主軸進(jìn)行伺服優(yōu)化調(diào)整，然后增加使用力矩前饋控制、軸沖擊限制功能，并采用耦合軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)試，最后通過(guò)實(shí)際加工應(yīng)用證實(shí)該方法可以大幅減小高速剛性攻絲中Z軸和主軸的跟隨誤差，提高攻絲效率和質(zhì)量，切實(shí)做到了降本增效。

周伯秀[7]在對(duì)加工中心攻、銑螺紋進(jìn)行分析與研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐生產(chǎn)證明，螺紋的加工比在普機(jī)上效率提升了2-3倍，質(zhì)量和精度也達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，刀具成本也得到了縮減，因此加工中心攻絲銑絲也應(yīng)該成為車間進(jìn)行內(nèi)螺紋加工的思路之一。

董兆鵬[3]在SINUMERIK840D立式車銑加工中心運(yùn)用宏程序銑直螺紋和錐螺紋，通過(guò)修改數(shù)控機(jī)床的刀具半徑補(bǔ)償值來(lái)控制螺紋的尺寸，修改R參數(shù)值來(lái)滿足不同型號(hào)的螺紋加工，在滿足技術(shù)和使用要求的同時(shí)，為企業(yè)的生產(chǎn)降本增效，也為立式車銑加工中心銑螺紋提供了思路和方法。

攻絲質(zhì)量和效率往往對(duì)工件的整體加工質(zhì)量影響巨大，提高攻絲的質(zhì)量與速度將有助于機(jī)械制造企業(yè)提高產(chǎn)能、平衡工序、降低成本，因此我們需要不斷摸索新方法，走出新道路，創(chuàng)造新局面。

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