鉆孔和攻絲一次成形的加工方法及設(shè)備研究

祁孔忠

摘要：現(xiàn)階段，我國機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到快速發(fā)展時(shí)期，同時(shí)也取得了很大的進(jìn)步，針對當(dāng)前實(shí)際情況，鉆孔和攻絲一次成形的加工方法還需要進(jìn)一步優(yōu)化，相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)效率有待提高，整體上與西方國家還存在一定差距，因此需要相關(guān)研發(fā)人員加大對這方面的研發(fā)力度，從而提升我國機(jī)械生產(chǎn)水平和生產(chǎn)效率。為此本文首先分析鉆孔和攻絲一次成形的加工順序，然后提出研發(fā)新型復(fù)合刀具，最后提出數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過新型加工方法減少螺紋加工工序，提升加工效率，減少成本支出，以供參考。

關(guān)鍵詞：鉆孔;攻絲;一次成形;加工方法;設(shè)備

0 ?引言

現(xiàn)階段，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展迅速，國際綜合競爭實(shí)力日益提升。高新裝備技術(shù)逐步發(fā)展，但在機(jī)械加工方面的水平還有待完善。雖然我國近幾年對數(shù)控加工方面的技術(shù)給予了高度重視，同時(shí)也加大研發(fā)力度，但與西方國家相比還是存在一定的差距，因此需要相關(guān)科研工作人員加大力度提高機(jī)械加工水平，縮小我國與西方發(fā)達(dá)國家在數(shù)控加工技術(shù)方面存在的差距，提升我國綜合實(shí)力。

1 ?鉆孔和攻絲一次成形的加工順序

1.1 解決刀具問題

鉆孔和攻絲一次成形的加工順序，第一步就在于刀具。加工所使用的刀具簡單來講就是需要制作出一種前部分為鉆頭，后部分為絲錐的復(fù)合刀具。就鉆頭和絲錐兩者的不同之處來講，不僅僅在于切削、受力、排屑數(shù)量存在不同，而且在冷卻速度、冷卻方法上也存在一定的差異。針對這兩種刀具復(fù)合體能否成功應(yīng)用于實(shí)踐中還需要進(jìn)一步研究。

1.2 形成標(biāo)準(zhǔn)螺紋

解決鉆孔和攻絲一次成形的第二步工序就是形成標(biāo)準(zhǔn)螺紋，主要目的在于促使刀具旋轉(zhuǎn)速度與移動(dòng)速度兩者相配合，也就是在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)螺紋時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格保證刀具切削與進(jìn)給兩者在速度上達(dá)成足夠精準(zhǔn)的比例。例如在進(jìn)行垂直方向的M10*1.5螺紋孔加工過程中，應(yīng)該保證主軸帶動(dòng)刀具處于勻速旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)還能夠保證刀具勻速下降1.5mm，這種加工工序與車床加工螺紋的方式基本相同。這種攻絲方式利用刀刃切削的方式將底孔壁金屬部分切削去除，從而形成一種標(biāo)準(zhǔn)螺紋，這樣一個(gè)固定化的螺距也因此而加工成型。但是利用復(fù)合刀具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)螺紋加工時(shí)，采用上述螺紋加工方式卻無法獲得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)螺紋，主要因?yàn)樵谑褂勉@頭進(jìn)行切削工作時(shí)，要求鉆頭與固定刀具處于軸向狀態(tài)，這樣才能保證鉆頭具備足夠的切削力矩完成底孔部分的加工，但是在進(jìn)行螺紋部分的加工時(shí)卻無法保證刀具處于自由軸向移動(dòng)狀態(tài)。除上述方式之外，也可以通過設(shè)計(jì)新的機(jī)構(gòu)方式，來滿足兩道工序?qū)Φ毒咻S向固定方面的相關(guān)要求，但是這種加工方式無法掌控好過度時(shí)間以及加工力度，導(dǎo)致最終生產(chǎn)出來的螺紋質(zhì)量較差，嚴(yán)重情況下很有可能會(huì)形成一種“亂絲扣”。

1.3 研發(fā)新型刀具

為有效解決鉆孔和攻絲兩者在加工過程中一次成形的問題，需要研發(fā)出一種新型刀具，并根據(jù)加工工藝構(gòu)建一套相應(yīng)的硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)，這樣做的目的在于更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇_保在進(jìn)行螺紋切削過程中，刀具旋轉(zhuǎn)與刀具下降兩者速度處于匹配狀態(tài)。通過上述優(yōu)化改進(jìn)，復(fù)合刀具與數(shù)控機(jī)床、控制系統(tǒng)之間相配合，更好的實(shí)現(xiàn)鉆孔和攻絲的一次成形，同時(shí)還能夠進(jìn)一步提升機(jī)床中鉆孔、攻絲在加工方面的工作效率[1]。

2 ?鉆孔和攻絲一次形成所需刀具的研制

2.1 鉆頭

在進(jìn)行新型復(fù)合刀具設(shè)計(jì)時(shí)，其刀具前部分為鉆頭，后部分是一種絲錐狀，后部分的絲錐僅有一個(gè)螺距，這樣設(shè)計(jì)的原因是為了配合鉆孔的實(shí)際需要，刀具在處于軸向狀態(tài)時(shí)需要采取措施將其加緊固定，這種情況下只能通過計(jì)算機(jī)控制的方式來確保螺紋的精準(zhǔn)度，對于中間過度部分主要采取平滑的方式進(jìn)行過度，這樣螺尖部分也就逐漸形成。

在進(jìn)行鉆頭加工過程中，因鉆頭位置切削時(shí)產(chǎn)生的金屬比較多，同時(shí)排屑量也比較大，隨之帶來的熱量也非常多，因此鉆頭位置的排屑槽情況較深而且都是螺旋狀，設(shè)計(jì)深槽的主要目的在于降低刀具橫向面積，從而減少刀具需要承受的切削力矩的能力。一般來講，鉆頭位置的排屑槽數(shù)量是兩個(gè)，從而組成一種類似“麻花”鉆的形狀。

2.2 絲錐

當(dāng)前使用比較普遍的絲錐形式為三條直槽，這種形式與需要進(jìn)行金屬切削的方式以及切削數(shù)量存在一定的關(guān)聯(lián)性，三條直槽在實(shí)際切削過程中，其刃部位置要與被切削的金屬兩者處于垂直狀態(tài)，這樣才能更好的完成進(jìn)刀。但是這種切削方式對于排屑上不占據(jù)優(yōu)勢，這主要是受到重力的作用，使金屬屑不能通過垂直上升的方式排出孔外。于是在進(jìn)行實(shí)際加工時(shí)，金屬屑就只能留在直槽中無法取出，同時(shí)這對絲錐冷卻也存在不利影響，直槽在使用過程中會(huì)在一定程度上減少圓柱體承受扭矩上的能力。在進(jìn)行攻絲過程中，使用小型號絲錐（一般小于M5）很容易出現(xiàn)斷錐情況，基于以上分析，就算是一種比較粗直徑的絲錐，也應(yīng)該采取逐步下移的方式，從而提升其排屑方面的能力，有效減少因出現(xiàn)斷錐情況帶來的危險(xiǎn)[2]。

關(guān)于絲錐排屑槽可以采用螺旋狀，通過螺旋狀槽進(jìn)行加工的優(yōu)勢在于：一方面更方便排屑以及散熱;另一方面有利于提升絲錐在扭矩方面的承載能力。為有效證明螺旋槽與三條直槽在承受扭矩方面存在的差別，本文利用有限元軟件AN SYS對三條直槽絲錐的承載能力以及螺旋槽的承載能力進(jìn)行分別計(jì)算，從整體上來看，以上兩種絲錐槽的截面形狀是相同的，但因兩者在應(yīng)力流流向趨勢存在差別;因此，這也就使得兩者的承載能力也存在一定的差別，根據(jù)相關(guān)實(shí)踐以及計(jì)算分析表明，兩種結(jié)構(gòu)形式的絲錐槽型號相同，但直槽形絲錐與螺旋槽絲錐相比，要低于5%以上的承載能力。

綜上所述，在進(jìn)行復(fù)合刀具的鉆頭以及絲錐兩部分的設(shè)計(jì)時(shí)，全部采用三槽螺旋槽形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，一方面能夠進(jìn)一步提升排屑槽的排屑能力和排屑強(qiáng)度;另一方面方便進(jìn)行刀具制作。在進(jìn)行復(fù)合刀具鉆頭部分的設(shè)計(jì)時(shí)，可采用三槽的方式將其形成三個(gè)切削刃口，相比較于二刃口的“麻花鉆”而言對中性更好，另外三槽與“麻花槽”兩者在槽深上，前者明顯低于后者25%以上，另外在開槽方面刀具在抗扭能力上也低于“麻花鉆”產(chǎn)生的影響，簡單來講就是抗扭強(qiáng)度高于麻花鉆[3]。

3 ?設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)

3.1 數(shù)控機(jī)床特征

其一，在加工能力方面，通過數(shù)控機(jī)床能夠進(jìn)行形狀比較復(fù)雜的零件加工，例如在飛機(jī)、汽車、船舶等領(lǐng)域的制造部門具有重要性生產(chǎn)地位，加工質(zhì)量對整個(gè)機(jī)器產(chǎn)品的性能帶來直接性影響。數(shù)控機(jī)床在加工過程中，可以實(shí)現(xiàn)任意可控，能夠完成以往采用普通加工方式無法完成或具有困難、復(fù)雜性的零件進(jìn)行加工[4]。

其二，加工出來的產(chǎn)品對質(zhì)量要求比較高。從整體上來講，利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行產(chǎn)品加工，其加工原理在于通過CNC編程程序進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)加工，與人工加工相比較，有效降低因人為因素造成的誤差，同時(shí)出現(xiàn)的加工誤差情況也可以通過數(shù)控系統(tǒng)，運(yùn)用軟件技術(shù)的方式進(jìn)行相應(yīng)的校正和補(bǔ)償處理?；谝陨献阋宰C明，采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行產(chǎn)品加工能夠切實(shí)提升產(chǎn)品的精確度以及加工質(zhì)量。

其三，使用數(shù)控加工與普通機(jī)床加工兩者相比較之下，采用數(shù)控加工能夠提升生產(chǎn)效率為2倍到3倍以上，在進(jìn)行比較復(fù)雜性的零件加工時(shí)，數(shù)控加工的生產(chǎn)效率可提升至十幾倍以上，尤其是在進(jìn)行五面體加工中心以及柔性單元方面的產(chǎn)品時(shí)，完成一次零件裝夾就幾乎等于是完成所有部分的加工;采用數(shù)控加工，一方面能夠降低因裝夾而出現(xiàn)的定位誤差問題發(fā)生;另一方面切實(shí)降低產(chǎn)品加工過程中輔助性的加工內(nèi)容，進(jìn)一步提升產(chǎn)品加工效率[5]。

其四，對于各零件加工，只需要將零件加工程序改變一下即可使用，而且在使用過程中基本上不需要專門制造與零件相應(yīng)的工裝夾具，同時(shí)還能有效縮短產(chǎn)品的研制周期與生產(chǎn)周期，可適用于更多類型的品種、各種中小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。

3.2 分析數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)

通過一臺低擋數(shù)控鉆銑床，將其中的刀具逐漸向下移動(dòng)，由原本的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)其中的滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，其中機(jī)床的主軸電機(jī)采用的是雙速電機(jī)，可以適用于鉆孔、攻絲在運(yùn)轉(zhuǎn)速度方面的實(shí)際需求，一般情況下，高速比較適用于鉆孔，低速適用于攻絲，另外在機(jī)床主軸部分安裝同軸光電編碼傳感器，主要用于測量刀具運(yùn)轉(zhuǎn)速度。在進(jìn)行攻絲過程中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)受到光電編碼脈沖傳送的信息，從中得出刀具下移速度，并將數(shù)據(jù)換算為步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量，這時(shí)候計(jì)算機(jī)就會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)出脈沖數(shù)，利用脈沖放大器將數(shù)據(jù)傳送給步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)根據(jù)脈沖數(shù)同時(shí)完成螺紋切削這一工序。例如采用控制核心為單片微處理器89C52，其中P1負(fù)責(zé)接收光電編碼器傳送來的信號，通過定時(shí)中斷，促使P0口輸出與刀具旋轉(zhuǎn)速度兩者相匹配，同時(shí)使用具有改寫功能的存儲(chǔ)芯片將其中的螺紋參數(shù)記錄下來，這樣做的目的在于促使機(jī)床能夠進(jìn)行多種類型螺紋加工。

4 ?總結(jié)

綜上所述，本文首先從解決刀具問題、形成標(biāo)準(zhǔn)螺紋、研發(fā)新型刀具三個(gè)角度提出鉆孔和攻絲一次成形的加工順序;然后從鉆頭、絲錐兩個(gè)角度提出鉆孔和攻絲一次形成所需刀具的研制;最后從數(shù)控機(jī)床特征、分析數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)兩方面分析數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在以此文能夠?yàn)橄嚓P(guān)人士提供參考，進(jìn)一步提升產(chǎn)品加工成效以及產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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