技术

    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。

    攻丝加工实例：在立式CNC加工中心上，用德国EMUGE公司带内冷却最小量润滑（MQL）功能的柔性同步攻丝夹头和EMUGE Rekord 2A-S型TiCN涂层丝锥，以60m/min的切削速度，在铸铁（GGG40）制动零件上加工M14-6GX螺纹。

    6 螺纹成形加工

    螺纹成形（滚压成形）是一种少屑加工工艺。螺纹牙型是通过在多次滚压成形过程中，工件材料发生位移而形成的。一般来说，所有成型性优良的工件材料（通常指拉伸强度小于1200N/mm2、断裂伸长率大于8％的材料）基本上都可以利用该方法加工螺纹。

    螺纹成形加工通常可以提供比攻丝加工质量更好的螺纹表面，并能避免排屑问题。因此，它尤其被推荐用于深盲孔和小直径孔的螺纹加工。在螺纹成形加工中，必须严格控制预孔的孔径。即使孔径出现很小的差异，也会导致刀具因螺纹过度成形而发生破损。

    BMBF的“干切削”研发项目证明了对铸铝材料（GK-AlSi9Cu3）进行滚压成形加工的可能性。通过对各种润滑剂和润滑剂供液系统的对比研究，得出的结论是：润滑剂对滚压成形加工具有很大影响。采用最小量润滑（MQL）内冷却滚压丝锥，可使加工扭矩值减小到与采用水基冷却液几乎相同的水平（仅为干切削扭矩值的1/3）。该项研究表明，在螺纹成形加工中，也有可能用MQL技术替代浇注冷却方式。

    螺纹成形加工实例：在卧式CNC加工中心上，用EMUGE公司的内冷却（20巴水基冷却液）柔性同步攻丝夹头和EMUGE 2 Drück-S-?L-IKZ-TIN-T1滚压成形丝锥，以30m/min的切削速度，在拉杆（材料为42CrMo4V）上加工M14×1.5-7GX螺纹。

    7 同步攻丝（刚性攻丝）

    同步攻丝加工是指通过数控方式使刀具和机床主轴的轴向运动（通常比较慢）与旋转运动（通常比较快）保持同步，从而使螺纹的螺距线始终保持在刀具切削刃的任一部分上。这种螺距运动的精确性减少了发生螺纹漏切的可能性（该现象常常被认为是直径过大，但实际上是螺距中断）。不过，必须对加工运动进行严密监测，如果在轴向运动与旋转运动之间存在哪怕极其微小的不同步，也会产生对刀具影响极大的轴向力。这种轴向力将会引起更大的螺纹侧面摩擦力，并加快刀具磨损，使其更容易失效。

    相当大的轴向力是由初始攻丝阶段（开始切削时）逐渐产生的切削力引起的，而且在切削过程中不会消失；主轴超速和同步攻丝循环的固有误差也会引起这种轴向力。EMUGE公司的柔性同步攻丝夹头能够对这种轴向载荷进行补偿，实际上它基本上是一种刚性攻丝夹头，但具有在±0.5mm范围内进行最小长度补偿（压缩或拉伸）的功能，可以补偿主轴超速和同步攻丝固有误差引起的轴向力。

    柔性同步攻丝夹头的作用就像位于机床主轴与丝锥之间的一个阻尼元件，用于弥补螺距的差异，将过大的轴向力和螺纹切削误差减小到最低限度。它有助于高效螺纹加工的其他功能还包括：与采用刚性夹头类似的高径跳精度；通过弹簧夹头或具有方形配合面的PGR夹头牢固夹紧丝锥的能力。

    柔性同步攻丝夹头还适用于其主轴具有内部供液功能的机床。通过内部通道输送的冷却液（压力可达50巴）从丝锥上的轴向开孔或沿排屑槽开的孔中喷出，可将切屑通过螺纹孔冲出，同时达到最佳润滑效果，从而大大提高加工效率。

    不过，同步攻丝加工也意味着，在整个攻丝过程中，切削速度是变化的，而且也不可能达到最大切削速度。由于其滑座的质量惯性和控制器速度各不相同，每台机床都有自己特定的阻尼动态特性。因此，由于需要加工的螺纹深度不同，切削速度也始终在变化。此外，与加工通孔相比，加工盲孔时主轴需要更早开始减速。

    8 高效螺纹加工的刀具夹持

    PowRgrip系统是一种极其精确的丝锥夹持方式（对于高效螺纹加工尤其如此）。它采用一种机械夹紧系统，实现了大夹紧力、高径跳精度，并具有用同一个夹头夹持不同尺寸刀具的能力。这种夹持系统由一个刀柄、高精密弹簧夹头，以及一台用于将弹簧夹头和刀具插入刀柄的小巧机械装置组成。该装置将弹簧夹头插入刀柄的作用力超过6吨，所产生的夹紧力与热装夹头不相上下，而且对小尺寸刀具没有限制，也不存在使用高温热装系统时的危险性。公差为h9的丝锥柄能够毫无问题地夹紧，更换刀具只需几秒钟。还应该指出，这种PGR夹紧装置用于夹紧其他一些刀具（如钻头和立铣刀）时，效果也非常好。利用一个非常简单、易于使用的装置，就能对刀具的长度进行预调。

    9 高速攻丝

    采用攻丝附件装置是实现高速攻丝的一种有效解决方案。一般来说，采用该方法可以省略长度补偿攻丝夹头（其中集成了机床主轴的反转功能）。攻丝附件装置能够实现在全螺纹深度上稳定地进行高速攻丝。通过取消长度补偿装置，可有效实现丝锥的反转。攻丝附件装置适用于M4－M20螺纹的高速加工。根据螺纹尺寸的大小，可采用1500－3000r/min的转速进行加工。该装置具有内冷却供液功能（冷却液最大压力50巴）。刀具用弹簧夹头夹持。

    攻丝附件装置的攻丝操作步骤与采用常规的补偿夹头或同步主轴攻丝时的操作步骤类似。不过，一个公认的差别是，这种攻丝方法是以恒定的切削速度来加工整个螺纹深度，因此，其切削条件始终保持恒定。这不仅对切削/滚压丝锥的加工状态有利，而且还可以避开有可能产生积屑瘤的切削速度范围。

    EMUGE公司的SWITCH-MASTER攻丝附件装置具有以下优点：

    ①可显著缩短攻丝循环时间和加工辅助时间，降低加工成本；②恒定的切削速度可提供更长的刀具寿命；③可减轻机床的磨损和破损，节省机床维修费用和购置成本；④恒定的功率消耗可以节约能源。

    旋转方向的改变是通过外部辅助气动装置来实现的，其优点是：①齿轮换向时丝锥不会产生轴向晃动；②可使作用于丝锥螺纹侧面的轴向力降至最小；③无论主轴转速和螺纹螺距如何，都可以通过一个接近传感器，以极高的精度确定齿轮的换向点。该功能可确保非常精确地加工出螺纹深度；④由于齿轮换向路径较短，工件与丝锥之间的安全距离也可以缩短，从而能缩短攻丝循环时间；⑤旋转方向的快速变换可减小齿轮换向零件的磨损；⑥采用全油浴润滑提供了平稳和低磨损的运行环境；⑦攻丝附件装置的轴向与径向运动是彼此完全分开的，从而可以防止冷却液相互渗漏问题；⑧止动夹具可以保护攻丝附件装置，防止可能发生的扭曲，并起到传递辅助能量的作用。一旦止动夹具与机床类型完全符合，就允许进行自动换刀；⑨使用条件：适用于带电主轴的CNC数控机床；螺纹加工范围：M4－M12；最大转速：3,000r/min；适用于右手螺纹加工（左手螺纹加工功能可选）；适用主轴型式：通过该装置的标准（DIN 1835 B+E）直柄接口（直径25mm），HSK、BT和CAT刀柄可以适用于该装置的攻丝加工；内冷却供液压力：50巴，可选配最小量润滑（MQL）功能。

    10 最小量润滑（MQL）攻丝

    对于许多加工来说，内冷却供液方式非常有益。内冷却丝锥有两种基本设计型式：一种是用于盲孔攻丝的IKZ型（内冷却孔直接通过丝锥中心）；另一种是用于通孔攻丝的IKZN型（内冷却孔通过丝锥中心，但出口位于排屑槽中）。

    对于MQL攻丝，还有一个额外要求。机床主轴与MQL攻丝夹头、攻丝夹头与刀具之间的转换接口必须避免空气阻抗和MQL气雾分离。从液气混合点到靠近刀具切削刃的出口，气雾必须在封闭的管道中流动。为了对公差进行补偿，接口处必须配备弹簧加载管，以确保气雾能不间断、无阻抗地流动。

    11 加工过程监控

    在高效切削（HPC）攻丝或螺纹成形加工中，除了螺纹加工本身以外，对加工过程的监控也非常重要。采用加工过程监测系统，有助于在各种问题发生之前对其进行预测和预防，从而缩短机床的故障停机时间；刀具可以使用到其实际寿命终结为止，而不必按预设的螺纹加工数换刀；即便是难度较大的加工，操作者也无需全时值守，从而使一人照管多台机床乃至“熄灯生产”成为可能。

    EMUGE公司的DDU系统在攻丝夹头上内置有一个传感器，通过将探测到的加工功率和数据输出变化传送到非接触式信号接收器，就能同时、实时地检测出攻丝扭矩和轴向力。该系统还可以探测刀具的破损或缺失、预孔缺失、螺纹深度不完整等缺陷，它还能检测加工过程中逐渐增大的刀具磨损，从而使准确预测刀具寿命，以及将刀具使用到寿命终结（刀具破损之前）成为可能。这样就能缩短非加工时间，而这正是高效加工螺纹的重要组成部分。

    DDU系统还可以对每一次螺纹加工的数据进行记录和归档，这一功能对于保证加工质量非常有用。每一次螺纹加工都各不相同，通过对一把新刀进行首次测量，可以区分这种差异。然后，可以对刀具加工螺纹过程中产生的轴向力和切削扭矩进行观测和监控，随着切削力的增大，可以实时检测刀具的磨损状况。

    12 螺纹的检测

    ISO 9000系列质量管理标准的实施增加了检测和验证产品质量的重要性。在螺纹加工中，这项工作包括对已加工螺纹的检测，以及对使用过的螺纹量规的测量与校准。

    需要检测的一些螺纹参数包括：①螺距；②螺纹中径；③小径；④大径；⑤同心度；⑥锥度；⑦牙型角。

    内螺纹的测量可以采用多种方法，如三点测量法。该方法使用一个安装在长度测量装置上的双头球形测头进行测量。被测距离ΔL是测头位置1到2的距离与1到3的距离的算术平均值。所有3个接触点是否全都位于同一圆柱面（螺纹轴线）上并不重要。假如能完全对准螺纹轴线，两点测量法（只需触测1和2两点）也能满足测量要求。M是测头上两端测球的中心距（测头常数）。利用一些公式对测量数据进行计算，就能确定螺纹中径。计算时，需要考虑测球直径、螺纹廓形，乃至测球在测力作用下的变形量等。这样测得的只是螺纹中径，为了获得螺纹的小径、大径、同心度或螺纹廓形等，还需要进行其他测量。

    在实际生产中，一种更快捷、更实用的内螺纹检测方法是采用螺纹量规（通止规）。螺纹量规可以快速、简便地检测和评估各种螺纹参数（如螺距、直径、廓形、同心度、锥度等），从而确保后续装配工序中零件的配合精度，避免因螺纹质量缺陷而延长装配工序的非生产时间。

    13 螺纹量规的校准

    只有使用经过校准的螺纹量规，才能保证螺纹检测的有效性。已磨损或因其他原因不准确的量规会造成对螺纹质量的误判。按预定周期对量规进行校验可以保证检测结果的正确性。校验方式不仅包括对量规进行测量，还包括与更高层级的标准进行比对。

    为了实现螺纹量规的校准，一个非常重要的前提条件是拥有连续传递的溯源路径。测量的溯源性是指通过一个或多个量值传递层级，将一个相关测量的被测值与相应的国家基准进行比对。在每一个层级，都要将测量仪器与不确定性偏差更小、属于更高层级的测量基准进行比对。测量基准的层级越高，其测量的不确定性就越小。一般的经验法则是：上一级测量基准的不确定性约为下一级测量基准不确定性的1/3。量值传递层级的一个示例：第一层级为国家基准（如德国的PTB或美国的NIST）；第二层级为认证校准实验室基准；第三层级为企业的工具室基准；第四层级为车间基准。量规和测量仪器的校准通常是在独立的校准实验室进行。利用相关的软件，可以对量规的校准周期、测量结果等进行有效的跟踪管理。

    14 小结

    高效螺纹加工并不只是需要提高切削速度，而是必须对整个工艺流程进行优化升级。必须采用合适的HPT刀具，并与恰当的刀具几何形状、涂层、冷却润滑系统、机床参数等相结合；此外，还必须对加工过程进行严密监控，对加工结果进行精确检测。简言之，为了实现高效螺纹加工，必须遵循以下10条原则：

    （1）根据加工任务选择最佳螺纹加工方案（攻丝/滚压成形/螺纹铣削）；

    （2）根据工件材料和加工要求，采用恰当的刀具材料和几何形状；

    （3）选择适当的工艺参数；

    （4）选用合适的丝锥夹头和刀具夹持方式；

    （5）选择符合加工要求的刀具涂层；

    （6）确保工件安装正确，机床刚度足够；

    （7）考虑适用的冷却润滑方式（浇注式冷却/MQL/高压内冷却）；

    （8）使用经过校准的螺纹量规检测螺纹；

    （9）采用加工过程监控；

    （10）确保所有选择功能的正确组合（例如：MQL润滑+MQL夹头+MQL丝锥）。