攻丝工艺的开题报告

硕士学位论文开题报告

研究生朱刚

入学时间2010.09.01

论文题目基于CPAC的钻攻中心

攻丝工艺的研究

学科专业控制科学与工程

导师李建刚

开题报告日期2011.10.12

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文开题报告

目录

目录I

1.课题背景与研究意义 (1)

2.国内外在该方向的研究现状及分析 (1)

2.1 车削内螺纹 1

2.2 钻床切削攻丝 2

2.3 内螺纹铣削加工 2

2.4 挤压攻丝 2

2.5 高速攻丝技术 3

2.6 振动攻丝 3

2.7 电火花内螺纹加工 4

3.主要研究内容 (5)

3.1 攻丝工艺 5

3.2 攻螺纹动作工程 6

3.3 攻丝工艺数据的确定7

4.课题研究进度安排及预期达到的目标 (8)

5.课题研究已具备的设备与资源 (8)

参考文献 (9)

1.课题背景与研究意义

工业的发展离不开机械制造，机器中离不开螺纹，也就离不开螺纹的加工技术[1]。现代机器要求精度、连接强度、耐腐蚀性、耐高温性及可靠性更高的螺纹连接技术，这就不可避免地要采用性能更好的材料、形状更复杂的螺纹结构，因此其加工的难度也变得越来越大。这种趋势使得人们不得不全面地改进螺纹加工的机床和刀具，研究和完善更先进的加工方法[2]。

钻攻中心是一种金属切削机床，全数控集钻孔、攻牙、铰孔、倒角、扩孔等于一体组合机床，样式和功能与加工中心相似，只是比加工中心要小一些，一般行程不超过800*400，虽然可以镗铣加工，但机床主轴功率一般不会太大，所以不能进行强力铣削等大负荷加工，主要用来钻孔、攻丝。机床加工效率比较明显，通常采用转塔式刀库，以减少换刀时间；并采用线型导轨，快移速度比加工中心快。

整个钻攻中心中，攻丝是属于最困难的加工工序。因为丝锥几乎是被埋在工件中进行切削，其每齿的加工负荷比其它刀具都要大，并且丝锥沿着螺纹与工件接触面非常大，切削螺纹时它必须容纳并排除切屑，因此，可以说丝锥是在很恶劣的条件下工作的。为了使攻丝顺利进行，应事先考虑可能出现的各种问题。如工件材料的性能、选择什么样的刀具及机床、选用多高的切削速度、进给量等。

2.国内外在该方向的研究现状及分析

一般小直径内螺纹( 20mm)可以用攻螺纹加工，但对于大直径内螺纹的加工，攻螺纹存在很多问题，最好的加工手段是铣削加工。在内螺纹加工领域中，最传统的工艺手段是切削攻丝，它采用金属切削刀具与工件的相对运动成型加工原理来完成攻丝，一般在车床、钻床等通用设备上进行。

2.1车削内螺纹

车削螺纹是螺纹加工的一种最古老和最常用的基本方法。加工中车刀由于受到自身尺寸限制，车削内螺纹只限用于直径较大的内螺纹加工[3]，而且加工效率也不是很高，因而其加工范围一般仅限于单件小批生产。在大批大量生产中，常常采用螺纹梳刀来提高生产效率[4]。螺纹梳刀实质上是一种特制的类似于拉刀的

多齿车刀，加工中只需一次走刀就能完成全部加工。但是，由于螺纹梳刀加工精度也不是很高，在加工精密螺纹时一般采用其它工艺。

2.2 钻床切削攻丝

钻床攻丝是采用切削丝锥进行内螺纹加工的技术。用切削丝锥(cutting tap)

加工内螺纹的先例可追溯到1797年。

丝锥的种类很多，如德国EMUGE公司能而向广大用户根据需要提供240

种以上不同丝锥[5]。攻丝根据加工操作特点和动力提供可分为手攻和机攻。机攻时丝锥一般通过攻丝夹头与机床主轴连接。根据丝锥与主轴的连接装配差异可把钻床攻丝分为浮动和刚性攻丝两种。刚性攻丝中丝锥与主轴装配的夹头同普通刀具没有特别的差异，浮动攻丝夹头中一般设计有用于补偿主轴与丝锥的轴向进给间细微差别的补偿装置。

钻床切削攻丝中常见的问题有：攻丝扭矩大，丝锥偏斜难以得到控制；加工生产率难以提高，此外润滑也困难[6]。

2.3 内螺纹铣削加工

近些年来，由于数控加工中心等数控程控设备在机械制造领域的普及推广，螺纹铣削技术迅速被得到广泛运用。螺纹的成型运动在数控装置上通过采用直线插补运算控制铣刀与工件之间的相对运动轨迹来完成加工。

螺纹孔铣削加工中，螺纹铣刀比螺纹孔尺寸小，容屑空间比较乐观，有利于相对短小的切屑顺利排出；普通攻丝只能加工最高到60%~75%高度的螺纹孔，用螺纹铣削可以加工出牙高100%的螺纹孔，这将有助于提高内螺纹的各种使用性能[7]。

在铣削螺纹时，若转速与进刀量不匹配将很不利于加工：线速度很低时，铣刀将承受相对较高的压力；切削用量增加过度时，会导致刀具弯曲，甚至折断[8]。此外，铣刀刀具参数和切削参数的合理选择与可靠优化也是铣削技术进一步推广的难题[9]。实践证明，铣削螺纹在加工小螺纹孔时将会遇到很多问题，由于受到尺寸的限制，铣刀刀杆直径尺寸一般设计的较小，加工过程中，刀杆容易产生较大的弯曲变形。使得被加工螺纹孔的尺寸精度和质量精度难以得到控制。

2.4 挤压攻丝

与传统的切削加工不同，挤压攻丝是利用被加工孔的金属材料在受到一定作用力后发生塑性变形和弹性变形的特性，通过挤压丝锥加工出螺纹孔的方法。在

挤丝加工中，材料在丝锥牙尖的挤压作用下，沿牙尖的两侧从螺纹根部挤向螺纹顶部[10]。

目前在挤压攻丝技术推广进程中内螺纹直径尺寸的设计计算和切削液的选

择与润滑是两个主要瓶颈。但凭一些理论经验公式很难有效解决本质问题，底孔直径取值偏小时，丝锥工作扭矩会异常扩大，丝锥磨损严重工作寿命缩短甚至发生破损、折断；直径设计偏大时，螺纹内径尺寸会过大而不能保证螺纹牙形的最小高度[11]。切削液的合理选择与否不仅直接影响挤压丝锥的磨损快慢，切削力

的大范围变动严重时还会造成丝锥的异常折断，更重要的是影响内螺纹加工质量。挤压攻丝的切削液应该选择以润滑为主的切削油，而冷却则显得次要，良好的润滑会有效控制切削力进而控制切削温度，而且适度的热量正好可以利用于提供加工金属材料弹塑性变形发生的条件温度，同时需要可靠控制非均匀冷却。

利用挤压攻丝加工的螺纹孔具有精度高、表面粗糙度低、抗疲劳强度高等优点。但它不能用于脆性材料、薄壁孔及盲孔螺纹的加工，而且丝锥制造成本高，加工扭矩大，加工范围受到一定的限制。

2.5 高速攻丝技术

高速攻丝在加工45号钢上的螺纹孔时可达到100~150m/min的切削速度，

在切削高温合金和不锈钢上的螺纹孔时也可达到30m/min的速度，而普通切削

攻丝的速度一般在2-10m/min，从这个意义上高速攻丝被称为一项令人振奋的新技术。其技术创新关键在于：高速丝锥、高速可反转攻丝夹头和高速螺旋插补机构的设计与制造以及高压切削液的供给方法的实现。高速攻丝可以分成高速浮动攻丝(float tapping)与高速刚性攻丝(rigid tapping)两种[12]。高速浮动攻丝一般采用高速可反转攻丝夹头实现，但由于没有轴向位移的控制措施，螺纹孔的螺距难以得到精确保证，而浮动攻丝也只能用来加工一般质量的螺纹孔。高速刚性攻丝是采用主轴直接带动丝锥作高速正向螺旋运动和回退运动而实现攻丝加工的方法。这种方法有利于提高螺纹孔的加工质量，但主轴惯性大，加速和减速时间长，攻丝速度不易于提高。高速攻丝方法并不能显著减少攻丝扭矩，在加工难加工材料和小直径螺纹孔时，丝锥破损的问题仍然存在，并没有得到本质地改善。

2.6 振动攻丝

振动攻丝技术是通过在丝锥上施加合适的振动而进行攻丝加工的新型工艺

方法。该技术兴起于20世纪60年代的日本和前苏联[13]。但是长期以来由于人

们对振动攻丝机理的认识尚不完善，该技术在工业上并没有获得广泛的应用。

所谓振动切削，就是在切削过程中给刀具或工件以一定方向、一定频率、一定振幅的强制振动，从而改善切削性能的切削加工方法[14]。目前其专用攻丝机

床也可以作为附件安装于普通钻床、车床及铣床上。该附件还可以安装于手电钻端部，实现对小螺纹孔的加工。利用振动攻丝技术可以将攻丝扭矩减少到普通攻丝的1/3-1/8，丝锥寿命提高10倍以上，螺纹孔精度提高1-2级，在加工较小螺

纹孔、深螺纹孔、难加工材料上的螺纹孔时效果更加显著[15]。利用该技术时丝

锥一般不会折断。

振动攻丝时在丝锥或工件上附加一个高频或低频振动，将传统的连续切削过程变成间断、瞬间或重复的脉动切削方式。它在传统攻丝回转运动的基础上，沿螺旋升角方向叠加了一个可控的周期振动，从而使原来连续的攻丝过程变为脉冲地、瞬时地、重复地切削过程。丝锥在以角速度 顺时针旋转的同时又以振动频率f和振幅A作往复振动，当振动速度和切削速度之间满足一定的关系时，便形成了特殊的脉冲切削过程。

振动攻丝切削机理比较特殊，它采用将有限的能量集中以脉冲形式释放出来，从而改善了材料的切削性能；丝锥的往复运动可以对已加工表面进行重复切削；同时，刀齿从切削区周期的分离也改善了润滑状况[16]。因此，该项技术具有很

多独特的优点，如能降低攻丝扭矩、使切屑顺利排出、提高内螺纹质量、延长丝锥的寿命等。该项技术应该会在难加工材料上的螺纹孔、深螺纹孔、小直径螺纹孔的加工领域发挥不可替代的作用。

同时目前还存在一些有待解决的难题：丝锥的回转运动由周期性振动来驱动，而且传递能量有限，丝锥的进给运动需专门设备驱动，因而振动攻丝很难同时实现高质量和高效率的加工。

2.7 电火花内螺纹加工

电火花内螺纹加工是结合放电烧蚀原理和数控技术在一些难加工材料上进

行精密螺纹成型加工的一种方法。它不受工件材料硬度和螺纹完整性的限制，特别适用于淬火钢、硬质合金零件上内螺纹的加工。由于加工过程没有机械变形，因此还可以加工精密微细螺纹和薄壁螺纹。它是一种日趋成熟的新技术，但目前还存在很多需要改进和努力的地方，首先加工成本高，加工过程中山于电极的烧蚀要真正意义上可靠保证高精密加工也很难[17]。

通过以上对目前流行的几种内螺纹加工方法的具体分析，可以看出各种工艺方法加工机理和技术要领迥异，而相较之下各自的优点和缺陷也有别，但可以归纳出它们在整体上存在的一些缺陷：(1)切削速度比较低；(2)螺纹加工的螺旋运

动精度可靠性低；(3)断屑排屑困难；(4)加工过程难以克服动态载荷的恶劣影响；(5)加工过程散热差。

3.主要研究内容

通过对攻丝工艺的研究分析以及目前攻丝加工技术的发展现状，本课题重点研究应用相对最为广泛的三角内螺纹攻丝，并把设计焦点锁定为：(l) 解决攻丝工艺性差，加工精度可靠性低的技术冲突；

(2) 解决攻丝效率偏低的技术冲突；

(3) 解决目前攻丝装置结构一般较繁的技术冲突。

3.1 攻丝工艺

用丝锥在工件孔中切削出内螺纹的加工方法称为攻螺纹，攻丝加工的螺纹多为三角螺纹。螺纹按用途分为普通螺纹、传动螺纹和紧密螺纹三大类[18]。(1)普

通螺纹是应用最广的螺纹，通常称为紧固螺纹，有粗牙和细牙两种。用于紧固或连接零件，如螺栓与螺母的连接，螺钉与机体的连接等。(2)传动螺纹通常分传

位螺纹和传力螺纹两种，如丝杠和测微螺纹。这类螺纹连接用来传递运动和实现较高精度的位移。因此对它的主要求是：要有足够的位移精度，即保证传动的准确性、稳定性及较小的空程，也要传递一定的载荷。同时传动要轻便，且效率要高。因此，对这类结合必须保证最小间隙要大于零，以便贮存润滑油等。(3)紧

密螺纹，这类螺纹连接要求保证足够的密封性，如管道螺纹结合必须有一定的过盈量。

普通螺纹的主要几何参数如下：

1. 大径(D, d)：与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相切的假想圆柱面的直径。

2. 小径(Dl, dl)：与内螺纹或外螺纹牙底相重合的假想圆柱面的直径，称为

小径。

3. 中径(D2, d2)：一个假想圆柱的直径，该圆柱的母线通过牙型上沟槽和凸起宽度相等的地方，此直径称为中径。

4. 螺距(p)和导程(p n)：螺距是指相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。导程是指同一条螺旋线上的相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离。对单线螺纹，导程等于螺距；对多线螺纹，导程等于螺距与螺纹线数的乘积。

5. 牙型角(α)与牙型半角(α/2)：牙型角是指在螺纹轴向剖面内，相邻两牙侧间的夹角。普通螺纹的理论牙型角为60度，梯形螺纹的理论牙型角为30度。牙

型半角是指某一牙侧与螺纹轴线的垂线之间的夹角。普通螺纹的牙型半角为30度。

6. 螺纹旋合长度：是指两个相互配合的螺纹，沿螺纹轴线方向相互旋合部分的长度。

图1. 普通螺纹的主要几何参数示意图

其中：d—螺纹大径dl—螺纹中径d2—螺纹小径 —螺纹牙型角p—螺距

3.2 攻螺纹动作过程

图2. 加工右旋螺纹G84循环和加工左旋螺纹G74循环如图所示，攻丝步骤如下：

第1步：X、Y定位；

第2步：选择主轴转速和旋转方向；

第3步：快速移动至R点；

第4步：进给运动至指定深度；

第5步：主轴停止；

第6步：主轴反向旋转；

第7步：进给运动返回；

第8步：主轴停止；

第9步：快速返回初始位置；

第10步：重新开始主轴正常旋转。

3.3 攻丝工艺数据的确定

⑴底孔直径大小

丝锥攻内螺纹前，先要有螺纹底孔。理论上，底孔直径就是螺纹的小径，底孔直径大小确定要考虑到工件材料塑性大小及钻孔扩张量等因素。

丝锥攻螺纹时，伴随较强的挤压作用。金属产生塑性变形形成凸起并挤向牙尖，攻出螺纹的小径小于底孔直径，因此，攻螺纹前的底孔直径应稍大于螺纹小径，否则攻螺纹时会因挤压作用，使螺纹牙顶与丝锥牙底之间没有足够的容屑空间，将丝锥箍住，甚至折断丝锥。此种现象在攻塑性较大的材料时将更为严重。但是底孔不宜过大，否则会使螺纹牙型高度不够，降低连接强度。

底孔直径大小，根据经验公式计算得出：

①在加工钢和塑性较大的材料及扩张量中等的条件下：

D钻＝D－P

式中：D

—攻螺纹钻螺纹底孔用钻头直径，mm；

钻

D—螺纹大径，mm；

P—螺距，mm。

②在加工铸铁和塑性较小的材料及扩张量较小的条件下：

D钻＝D－(1.05～1.1)P

⑵攻螺纹底孔深度

丝锥攻丝的编程深度与丝锥的切削锥角形状有关，为了正确地加工一个螺纹孔，必须根据所加工孔的结构特征和规格来选择丝锥，丝锥的切削锥角形状或锥角的长度不仅影响丝锥攻丝的编程深度，而且影响预加工孔的编程深度。

攻盲孔螺纹时，由于丝锥切削部分有锥角，端部不能切出完整的牙型，所以钻孔深度要大于螺纹的有效深度。一般取：

H钻＝h有效+0．7D

式中：H

—底孔深度，mm；

钻

h有效—螺纹有效深度，mm；

D—螺纹大径，mm。

⑶孔口倒角

用锪钻或钻头在孔口倒角，其直径应大于螺纹大径尺寸。这样，可使丝锥开始时容易切入，并可防止孔口的螺纹牙崩裂。

⑷R平面的值

通常R平面是攻螺纹的起点位置，Z向深度是螺纹绝对值深度。攻丝加工时，R平面的高度一般要比钻孔、铰孔、单点镗以及其它孔加工循环中使用的R值要高一些，而且其进给率通常也很大。但这些值的选择都是有原因的，因为设计的攻丝加工运动要符合CNC同步运行控制特点。当主轴处于特定转速时，进给运动的速度必须达到相应的定值才能正确加工螺纹。

如，当主轴500r/min时，加工螺距为1.5mm的螺纹，进给速度必须达到1.5×500＝750(mm/min)的速度时加工的螺纹才是正确的。

因此，数控机床的螺纹加工时，无论是车削螺纹还是攻内螺纹，在拟定螺纹加工路线时，须设置足够长的进给运动的升速段和降速段。

4.课题研究进度安排及预期达到的目标

5.课题研究已具备的设备与资源

参考文献

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