螺纹的高效加工

1 概述

螺纹加工是生产流程的终端工序之一，螺纹加工中的质量问题有可能使之前已经过昂贵加工过程的工件毁于一旦。在竞争激烈的市场环境下，要求实现快速、有效和可靠的螺纹加工。高效螺纹加工（High Performance Threading, HPT）是指在攻丝和螺纹成形加工时采用高效切削（HPC）技术，它需要考虑所有相关要素，而不仅仅只是刀具。在攻丝和螺纹成形加工中，为了退出刀具，机床主轴通常需要反转，这就使能够采用的切削速度受到限制。在引入高效螺纹加工（HPT）技术时，由于提高切削速度的作用受限，因此其他要素就变得更为重要。除了切削或成形刀具以外，还需要考虑螺纹加工原理、刀具夹头与刀具夹持、加工工艺、冷却润滑，以及更进一步考虑加工过程的监控和产品的检测、计量和量具校准。加工时间、辅助时间、安装时间和检测时间也必须予以考虑。只有将所有这些要素很好地组合到一起，才有可能实现高效螺纹加工。本文将对上述要素进行评述，介绍成功实现高效螺纹加工并最终转化为高盈利性螺纹加工的解决方案。

2 高效螺纹加工

高效切削已成为一个众所周知的概念。但是，对于各种不同的切削工艺，高效切削的关注重点也有所不同。其中，螺纹加工是一种非常特殊的加工方式。本文试图回答以下问题：什么是高效螺纹加工？怎样实现高效螺纹加工？高效螺纹加工有什么益处？

高效螺纹加工意味着提高总的刀具加工效率（这里主要指单位时间加工的螺纹数量）。为了实现高效螺纹加工，当然需要提高切削速度。但攻丝和螺纹成形加工通常需要机床主轴反转以退出刀具，由于机床能力所限，这就限制了切削速度的提高幅度。因此，其他一些要素（如加工时间、辅助时间、安装时间和检测时间）就变得更为重要。

高效螺纹加工还意味着加工质量、避免报废或将返工率降至最低，这就包括了螺纹检测以及量具校准。最后，还必须通过监测螺纹加工过程，在各种问题出现之前及时预测和防范，从而避免出现难以预见的非生产时间。为了成功地实现高效螺纹加工，就必须全面考虑螺纹加工的全过程。

3 螺纹廓形与螺纹加工方法

有许多种不同的螺纹廓形，包括外螺纹和内螺纹。螺纹加工方法也很多，本文主要讨论3种最重要的内螺纹加工技术：攻丝、螺纹成形加工和螺纹铣削。这些加工方法的工艺特点如下：

（1）攻丝加工：①有屑切削加工；②连续切削；③主轴反转；④加工内螺纹；⑤通过切削刃分层切削→螺旋拉削过程去除材料；⑥刀具材料主要为高性能高速钢（HSS-E），有时也采用硬质合金；⑦使用不涂层和涂层刀具；⑧适合加工材料：HSS-E刀具≤HRC55；硬质合金刀具≤HRC63。

（2）螺纹成形加工：①少屑加工；②分步（分层）成形加工；③主轴反转；④加工内螺纹；⑤通过材料转移形成螺纹；⑥刀具材料主要为高性能高速钢（HSS-E）有时也采用硬质合金；⑦使用不涂层和涂层刀具；⑧适合加工材料：≤1200N/m2；破裂应变≥8％。

（3）螺纹铣削加工：①有屑切削加工；②断续切削；③主轴不反转；④加工内、外螺纹；⑤通过三维碎屑去除材料；⑥刀具材料主要为硬质合金，有时也采用HSS-E；⑦通常使用涂层刀具；⑧适合加工材料：硬质合金刀具≤HRC60。

4 螺纹铣削

这是一种采用断续切削方式的有屑切削方法。工件材料以一种三维螺旋插补方式被切除（形成短逗点状切屑），内螺纹和外螺纹均可加工。铣削螺纹时，主轴和刀具无需反转。螺纹铣削的优点之一是用一把刀具可以加工出几种螺纹牙型。

钻铣加工是高效加工螺纹的一个例子。采用这种方法，可以只用一把刀具就完成钻孔、倒角和螺纹铣削加工，从而可以缩短非加工辅助时间和换刀时间。钻铣刀可用于加工铝、铸铝和铸铁工件。

必须指出，采用螺纹铣削工艺，还能实现硬质螺纹铣削加工。例如，用一把H型圆周钻铣刀（ZBGF H）可以在硬度为HRC58的硬材料上加工出螺纹（对于热处理后的工件上遗漏的螺纹是一种非常完美的补救方法）。

当然，螺纹铣削也有一些需要解决的问题，如牙型补偿、加工编程，以及加工循环内外需要专门考虑的一些问题。

螺纹铣削的一个优势是可以去除在螺孔始点和终点处的不完整螺纹。

为了进一步提高生产率，螺纹钻铣刀还可以与一种以点（或端部）确定相位的刀具组合使用。这种模块化系统（Mosys）刀具可以通过一次操作加工出复杂的孔/螺纹/倒角组合结构。

5 攻丝

攻丝是一种连续切削、有屑切削的螺纹加工方式。工件材料通过径向尺寸递增的切削齿被次第切除，这就意味着攻丝是一种螺旋拉削加工方式。

丝锥通常用熔炼高速钢或粉末冶金高速钢（HSS-E）制造。在某些情况下，丝锥材料也可以采用硬质合金。攻丝可用于加工硬度在HRC63以下的工件材料。丝锥螺旋槽的旋向对刀具有很大影响，取决于是加工通孔螺纹还是盲孔螺纹，加工通孔时采用左旋槽，加工盲孔时采用右旋槽（加工右旋螺纹）。通常，每种槽型都会形成几种切屑卷。切屑在排屑槽中的流动方向与刀具进给方向一致或相反。切削力和排屑槽的方向将引起不同的反作用力，将刀具拉入孔中或阻止刀具前进。丝锥夹头应该对这些力予以补偿。

攻丝作为一种完整的加工过程，需要考虑以下参数及其相互作用：工件材料、刀具材料、刀具几何形状、加工工艺、刀柄与机床、涂层与冷却/润滑。如果修改其中一项参数，就会引起其他参数的连带变化，因此需要对这些参数也进行相应的调整。尤其对于攻丝而言，不恰当地调整加工参数可能会降低螺纹加工性能和/或缩短刀具寿命。攻丝与其他加工方式不同，它只有一个（仅在一定范围内）可选择的切削参数（即切削速度Vc）。因此，所有其他参数都必须集成到刀具之中，以使刀具适合特定的加工要求。由于攻丝加工范围广泛、要求各异，为了达到最佳切削性能，就需要分别设计各种不同的丝锥。

因此，丝锥应根据具体的加工要求来设计和制造。在设计过程中，应根据需要选择相应的丝锥特性。丝锥通常选用不同的粉末冶金高速钢（HSS-E）牌号制造，这些材料可实现硬度、高红硬性、耐磨性和拉伸强度的最佳组合，尤其对于盲孔攻丝来说，由于丝锥需要在反转时切除切屑，因此对材料性能要求很高。丝锥的热处理方式取决于所用的高速钢牌号和刀具用途，它是丝锥制造达到质量要求必不可少的工序。

丝锥的几何形状应根据工件材料来设计，不仅要考虑前角，还要考虑后角。与许多其他刀具不同的是，螺纹牙型本身就是刀具几何形状的一部分。丝锥螺旋槽的螺旋角对于切屑流的控制至关重要。丝锥所用涂层也会影响切屑流，同时还会对积屑瘤的产生以及切削热在工件、切屑和刀具之间的传导产生影响

在高速攻丝加工中，温度的控制变得更为重要。通常，丝锥和螺纹成形刀具的涂层采用PVD工艺涂覆，该工艺的沉积温度低于高速钢材料的退火温度。

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