如何进行干式螺纹加工？

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：要彻底消除切削液带来的环境污染，干式螺纹加工则是可行的方法。国内目前对干攻螺纹加工方法研究不多。搓制丝锥在干攻螺纹时易崩刃，磨制丝锥基本能满足加工要求，TiN涂层挤压丝锥既满足了螺纹的加工质量要求，又具有长的使用寿命。图4-65是湿式攻螺纹与干攻螺纹的丝锥寿命比较。

常见的螺纹加工工艺方法有车削、铣削、攻螺纹等，与其他加工方法相比，螺纹加工的工作条件较为恶劣（其容屑状态为封闭或半封闭）。目前，在加工螺纹时，普遍采用切削液。其中以含氯化物、极压乳化液效果最好，但对环境污染也最严重。改用低污染的切削液，不能从根本上解决问题。要彻底消除切削液带来的环境污染，干式螺纹加工则是可行的方法。

1.干式螺纹加工的可行性分析

干式螺纹加工时由于不用切削液，使切削状态进一步恶化，即加工温度升高，刀/屑及刀/工表面之间摩擦进一步加剧，排屑不畅和刀具使用寿命降低。在这种情况下，加工过程能否顺利进行必须寻求技术上的解决方案。下面以常见的丝锥加工内螺纹为例分析其可行性。

1）刀具材料及其涂层技术的发展使丝锥性能得到了极大改善。通常丝锥是用工具钢或高速钢制造的。近年来有高钴高速钢、粉末冶金高速钢及超细晶粒硬质合金制造丝锥，使丝锥的强度、韧度及耐磨性得到了很大提高。但在干切削条件下，刀具使用寿命不高。涂层技术使这个问题得到了较好的解决。适宜的涂层使刀具在切削过程中能承受高的切削温度，降低刀屑及刀具表面之间的摩擦因数，以减小刀具磨损和产生的热量。涂层丝锥既有强韧的基体，又有满足切削要求的刀面和切削刃，可以进行干式螺纹加工。表4-20是TiN涂层丝锥的应用效果。

表4-20 TiN涂层丝锥的应用效果

2）刀具设计技术的进步使丝锥具有更合理的结构。丝锥的结构从传统的结构形式发展到螺尖丝锥、挤压丝锥等多种结构；槽型有直槽和螺旋槽。丝锥的结构形式可根据加工条件优化选择，配合适宜的几何参数，可使排屑顺畅。德国ÖKO公司开发的在钢件上加工通孔螺纹的干切削丝锥，采用的是螺尖丝锥，其切削锥长为B型［B/（2～3）牙］；加工不通孔的干切削丝锥采用螺旋槽型（螺旋角为35°）；当不通孔深度大于两倍丝锥公称直径时，采用5°螺旋角的螺旋槽丝锥，在干攻螺纹中取得了良好效果。

2.干攻螺纹对工艺系统的要求

干攻螺纹加工对工艺系统提出了较高的要求：

1）机床要有足够的刚性、精度和功率，同时必须仔细调整。若机床有良好的对中、良好的进给控制或采用刚性/同步攻螺纹装置，则机床调整就较为简单；否则若采用普通攻螺纹装置，则要进行仔细调整。

2）由于不用切削液，为了保证足够的丝锥使用寿命，应采用较低的切削速度。

3）根据所加工工件材料及螺纹孔的结构形状，选择适宜的丝锥类型。

4）丝锥的螺旋槽型和几何参数设计应使切屑易于卷曲，有较低的摩擦阻力，以便于排屑及获得较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。

5）选择适宜的表面涂层，确保丝锥的工作寿命。

3.干攻螺纹的应用

干攻螺纹加工方法在日本、德国等国家均开展了研究，并已应用于生产实际。

德国某公司开发的复合涂层丝锥（MoS₂＋TiAlN）在含硅量w（Si）为9％的硅铝合金工件上干攻螺纹，丝锥使用寿命为攻4000个螺孔；而单涂层TiAlN丝锥使用寿命为1000个螺孔；超细晶粒硬质合金丝锥仅加工了20个螺孔。

日本某公司开发的钢件干切削挤压丝锥，与普通加切削液的挤压丝锥相比，使用寿命显著提高。用普通挤压丝锥加工冷轧钢板上M4×0.7的通孔螺纹，加工约7000个螺孔时，丝锥切削部分便产生磨损与粘结，无法继续进行切削；采用干切削挤压丝锥加工50000个螺孔以上，丝锥未产生粘结和显著磨损，可继续使用。这表明新型的干切削挤压丝锥与普通挤压丝锥相比，使用寿命提高了数十倍。

国内目前对干攻螺纹加工方法研究不多。作者在纯铝螺纹加工和薄板螺纹加工中，对干攻螺纹进行了试验研究，取得了较好效果。

图4-64 LY-2材料的工件结构图

（1）纯铝内螺纹干挤压加工我国某企业的产品中有一零件，材料为LY-2，如图4-64所示。其上的M5×0.8螺纹对产品整体质量有重要影响，曾采用普通切削丝锥进行攻螺纹，螺纹加工质量不高，使用中经常产生滑丝现象，严重影响了产品的整体质量，也成了企业的生产瓶颈。其主要原因是LY-2铝材的塑性大，韧度好，以切削加工方式攻螺纹时，切屑形成困难，致使切削力大，难以保证加工质量；LY-2铝材本身强度不高，用切削丝锥攻螺纹切断了金属纤维，进一步降低了螺纹牙型强度；螺纹表面硬度低，耐磨性差，表面粗糙度差，经若干次旋合后中径会胀大等。

通过对工件材料及原来加工工艺分析后，决定采用挤压方式加工螺纹。最初采用加切削液的湿式方式挤压螺纹，加工效果较好，同时存在一些不足。一是切削液流到工件、夹具、机床工作台上，给操作带来很多不便，也污染了工作现场；二是原机床无切削液供给装置，若配备该装置，则使工艺系统结构复杂，成本上升。为此，进行了干切削和干挤压螺纹对比试验。结果表明：后者比前者攻螺纹扭矩高10％～20％，但加工出的螺纹强度和表面粗糙度均较好。因此，干挤压加工内螺纹是较理想的加工方法。为了使丝锥具有足够长的使用寿命，除优化挤压加工参数外，还要选择适宜的丝锥类型。选择有螺旋棱边的高速钢挤压丝锥，分别对搓制、磨制及TiN涂层挤压丝锥进行对比试验。搓制丝锥在干攻螺纹时易崩刃，磨制丝锥基本能满足加工要求，TiN涂层挤压丝锥既满足了螺纹的加工质量要求，又具有长的使用寿命。图4-65是湿式攻螺纹与干攻螺纹的丝锥寿命比较。其结果表明，在一定条件下，干攻螺纹是可能的。

图4-65 湿式攻螺纹与干攻螺纹的丝锥寿命比较

注：实验条件：M5×0.8丝锥；螺纹孔形式：不通孔；螺纹长度：11mm；底孔直径：4.2mm（切削），4.5mm（挤压）；切削速度：15m/min（切削），10m/min（挤压）；机床AG－32。

（2）薄板干钻孔及螺纹加工钣金零件、家具、汽车拖拉机等行业中，很多零件是薄板件（厚度＜2mm），需在其上加工螺纹孔，以连接或固定其他零件。但因板太薄，螺纹长度很短，连接的可靠性很差。通常需在冲孔翻边或加工孔后再焊一螺母，以提高其连接强度。这不但增加了冲孔或焊接工序，也增加了加工成本。我们研制了专用的孔加工工具，使薄板孔部位的材料变成孔壁，孔的深度大大增加，再进行干挤压（或切削）螺纹，取得了满意的效果。目前已研制成功了适用于这种工艺的专用刀具、工艺及设备。图4-66是在薄板零件上加工螺纹示意图和加工工件的效果图。

图4-66 在薄板零件上加工螺纹

a）薄板螺纹底孔及螺纹加工示意图 b）加工工件的效果图

如何进行干式螺纹加工？

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