弱刚性结构件螺纹孔数控加工方法

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编者按

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弱刚性结构件是工程机械行业常见的一种结构，此类工件结构刚性差，加工过程易产生局部变形，工件上的螺纹孔难以使用常规攻螺纹刀具进行加工。针对此问题，笔者研制了一种自制柔性攻螺纹刀具，可解决弱刚性结构件数控加工中存在的问题，并且提升了加工质量。

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1    序言

弱刚性结构件是在加工过程中存在加工回弹的薄壁类焊接件，是工程机械行业较为常见的结构形式。此类工件加工部位板厚小，且加工部位周围无刚性加强，在刀具切入时，加工部位产生弹性变形，加工的孔径与机床主轴产生夹角，刀具退出时，机床带动刀具往后拉，工件恢复原状，刀具则受到较大的拉力，使刀具和工件容易受到损坏。为抵消加工过程中的变形，需采用轴向及周向均存在“游隙”的机床。目前行业内普遍使用摇臂钻床，摇臂钻床虽操作简便，经济实用性强，但攻螺纹劳动强度大、质量较差，不利于加工自动化率的提升，而常规的数控攻螺纹对机床精度及工件刚性有较高的要求，无法解决弱刚性结构件数控攻螺纹存在的问题。因此笔者自制了一种非标攻螺纹刀具，实现了弱刚性结构件数控攻螺纹。

2    工程机械行业常用攻螺纹方式

目前工程机械行业大型结构件螺纹孔的攻螺纹方式主要有：摇臂钻床攻螺纹、数控机床刚性攻螺纹及数控机床柔性攻螺纹三种^[1]，具体的实现方式如下。

2.1  摇臂钻床攻螺纹

摇臂钻床是一种孔加工设备，其摇臂可绕立柱回转和升降，主轴箱在摇臂上作水平移动，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹和修刮端面等。摇臂钻床操作灵活，适用范围广，特别适用于大型零件多孔的单件或批量生产。

使用摇臂钻床攻螺纹（见图1）需操作人员时刻在机床前操作，劳动强度大，加工受人为因素影响较大，螺纹孔定位精度差，加工的螺纹孔精度较差（见图2）。

图1  摇臂钻床攻螺


图2  摇臂钻床攻螺纹精度较差

另外，使用摇臂钻床攻螺纹时，还要添加攻螺纹油，通常使用铅油，可以降低切削温度，增加攻螺纹润滑性，以保证切削精度及丝锥寿命。该操作步骤需操作人员手工涂抹，重复劳动强度大，且攻螺纹油影响螺纹孔及工件的清洁度，严重时会影响油漆附着力。

2.2  数控机床刚性攻螺纹

刚性攻螺纹是机床控制主轴的旋转与Z轴的进给一直保持同步的一种攻螺纹方法，刚性攻螺纹要求攻螺纹刀具和主轴严格固定，同伸缩，同旋转。由于数控机床的刀柄是刚性的，没有自动调整间隙的功能，所以在主轴上安装了位置编码器，其原理为C轴编码器走一圈，螺距转一圈。攻螺纹精度高，加工效率高。

刚性攻螺纹常使用的刀具为模式钻柄加ER弹簧夹套，刀具结构简单、成本低，如图3所示。由于主轴转角与Z轴进给始终保持同步，因此，加工出的螺纹精度高，如图4所示。丝锥夹头与丝锥之间的联接方式为刚性夹持，且主轴转速与进给建立严格的直线比例关系，因此，刀具强度高，攻螺纹效率高。

但是刚性攻螺纹对机床精度及工件的装夹稳定性有较高要求，不适合加工弱刚性结构件的螺纹孔。

图3  刚性攻螺纹刀具


图4  刚性攻螺纹样品

2.3  数控机床柔性攻螺纹

柔性攻螺纹也称浮动攻螺纹，是主轴转速与进给没有严格的同步比例关系的一种攻螺纹方式。这种方式丝锥是轴向浮动的，丝锥的轴向运动由其切入工件的螺纹来驱动，依靠丝锥的自导向能力，只需提供旋转运动即可。

加工中心柔性攻螺纹常采用带柔性攻螺纹夹头的刀具，如图5所示，使用西门子840D系统MCALL CYCLE840柔性攻螺纹循环进行数控攻螺纹。攻螺纹刀具夹持部位带过载保护离合器，当攻螺纹转矩超过刀具设定转矩时，过载保护离合器断开，丝锥停止进给，以防止丝锥断裂。

图5  柔性攻螺纹刀具

柔性攻螺纹因为存在累积误差，主轴转速较刚性攻螺纹低，所以加工中心柔性加工效率较低，适用于中小批量生产。柔性攻螺纹的机床参数较少，直接调用柔性攻螺纹循环即可，对调试人员要求不高。但当加工弱刚性结构件时，螺纹孔加工部位产生局部变形，导致攻螺纹转矩超出刀具设定转矩，无法完成正常攻螺纹。

3    弱刚性结构件螺纹孔加工

卷扬框架是起重机上一种重要的结构件，如图6所示，该结构由法兰盘与立板焊接而成，且两侧立板较薄，当加工法兰盘上的螺纹孔时，工件受轴向及径向切削力，由于加工部位刚性差，攻螺纹刀具相对于后尾产生相对作用力，致使后尾立板变形。螺纹底孔的轴线与刀具丝锥的轴线偏差，如图7所示。

图6  卷扬框架

图7  螺纹底孔的轴线与刀具丝锥的轴线偏差

经现场实际验证，使用刚性攻螺纹刀具加工卷扬框架螺纹孔时，由于立板变形，当丝锥退出时，机床带动丝锥往后拉，工件恢复原状，丝锥则受到工件较大的拉力，导致断裂，如图8所示。使用柔性攻螺纹刀具加工卷扬框架螺纹孔时，由于立板变形，丝锥受到较大的轴向及径向的反作用力，攻螺纹转矩超出攻螺纹刀具设定的转矩，导致丝锥空转，无法完成攻螺纹，如图9所示。

图8　刚性攻螺纹试验

图9   柔性攻螺纹试验

通过上述分析可知，无论是刚性攻螺纹刀具还是带柔性夹头的攻螺纹刀具，均无法实现此类工件的螺纹孔数控攻螺纹，因此，需设计制造一种非标攻螺纹刀具，以解决标准攻螺纹刀具存在的问题，实现加工中心数控攻螺纹，提升结构件自动化水平。

4    自制攻螺纹刀具

4.1  自制攻螺纹刀具结构

根据公司弱刚性结构件的结构特点，设计制造一种柔性攻螺纹刀具^[2]。该刀具主要由刀柄、滑动轴、缓冲弹簧和丝锥夹头组成，结构简单，如图10所示。刀柄2通过加长螺栓1与螺纹座3（周向带弹簧销）联接；缓冲弹簧4通过螺纹座5（周向带弹簧销）与滑动轴7联接，缓冲弹簧4通过螺纹座3（周向带弹簧销）与刀柄2联接；刀夹8与滑动轴7联结，同时安装丝锥9；螺栓6保证滑动轴7在刀柄2内腔轴向滑动。

图10  自制攻螺纹刀具
1—加长螺栓  2—刀柄  3、5—螺纹座（周向带弹簧销） 
4—缓冲弹簧  6—螺栓  7—滑动轴  8—刀夹  9—丝锥

4.2  攻螺纹原理

该自制刀具是一种轴向及周向均存在“游隙”的攻螺纹刀具，可有效抵消加工过程中存在的变形回弹力，具体刀具攻螺纹原理如下。

（1）攻螺纹过程  丝锥旋入工件过程中，弹簧压缩，向内产生压力，抵消了结构件的变形，使切削力方向与攻螺纹方向一致，保证丝锥顺利悬入工件，如图11所示。

a）丝锥导向部分开始进入丝孔 

b）完成攻螺纹

图11  攻螺纹过程

（2）丝锥退出  丝锥退出过程中，弹簧拉伸，向外产生拉力，抵消了结构件的变形，使切削力方向与刀具退出方向一致，保证丝锥顺利退出工件，如图12所示。 

a）丝锥完成攻螺纹  

b）丝锥退出丝孔
图12  攻螺纹退出

4.3  攻螺纹刀具制造

该攻螺纹刀具的主要加工部件为刀柄及滑动轴，其尺寸精度及几何公差要求较高。

（1）刀柄加工  具体加工过程及注意事项如下。

1）刀柄的关键尺寸主要有锥柄的尺寸及锥度、拉钉安装孔尺寸、滑腔内外圆尺寸以及两端部的同轴度。

2）具体加工工艺流程为：锯料车滑腔外圆内孔留精镗加工余量车锥柄外圆尺寸车拉钉安装孔车刀柄圆环槽铣键槽精镗滑腔内孔。

3）加工工艺流程如图13所示。

图13 刀柄加工工艺流程

（2）滑动轴加工  具体加工过程及注意事项如下。

1）滑动轴的关键尺寸主要有外圆、内孔以内外圆的同轴度。

2）具体加工工艺流程为：锯料车削丝锥安装部分一侧（外螺纹、锥孔）至图样要求车削过渡装置车削滑动轴滑动部分。

3）加工工艺流程及注意事项如图14所示。

图14  滑动轴加工工艺流程

4.4 攻螺纹过程

将自制丝锥装到主轴上，输入MCALL CYCLE840攻螺纹循环程序[3]，设置主轴转速300～400r/min，执行程序指令，机床开始自动攻螺纹。导向头旋入螺纹底孔后，工件产生局部变形，丝锥头部受到弹簧的压力，沿着刀柄滑槽滑动进行调整，实时完成对间隙的浮动补偿，抵消了结构件的变形。攻螺纹结束后，机床主轴反转，带动丝锥悬出螺纹孔，丝锥头部分受到弹簧的拉力，使丝锥自然沿着螺纹反转出，避免了因焊接件回弹带来的螺纹孔乱牙、丝锥破损等问题。

4.5 攻螺纹试验结果

使用自制丝锥现场批量验证，如图15所示。对公司各种不同的产品进行攻螺纹试验，各型号后尾均能在卧式加工中心进行数控攻螺纹，且丝锥寿命可达到理论攻螺纹寿命，加工效率较摇臂钻攻螺纹提升6倍，且螺纹孔的加工精度及表面粗糙度较好，由此可见，此刀具可满足起重机弱刚性结构件的数控攻螺纹。

a）自制丝锥         

b）加工现场
图15  自制丝锥加工试验

5    结束语

本文为解决起重机弱刚性结构件螺纹孔数控攻螺纹存在的问题，自行设计制造了一种柔性非标攻螺纹刀具，通过现场批量验证，可解决弱刚性结构件数控攻螺纹存在的各种问题，实现了加工中心数控加工，并且提升了螺纹孔加工效率以及螺纹孔加工质量。

参考文献：

[1] 苟琪，陈鼎昌. 不同结构丝锥攻螺纹特性研究[J]. 现代机械，1999，20（2）：11-13．

[2] 成大先. 机械设计手册（单行本）[M]．6版. 北京：化学工业出版社，2002．

[3] 许详泰，刘艳芳．数控加工编程使用技术[M]．北京：机械工业出版社，2001．

本文发表于《金属加工（冷加工）》2022年第7期第65~69页，作者：徐州重型机械有限公司  朱小伟，原标题：《弱刚性结构件螺纹孔数控加工方法》。