無切削加工內(nèi)螺紋專利技術(shù)發(fā)展趨勢的研究

陳湘輝

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

螺紋連接是一種廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的可拆卸的固定連接，是通過內(nèi)螺紋與外螺紋的配合實(shí)現(xiàn)，螺紋加工的品質(zhì)直接關(guān)系到螺紋連接的穩(wěn)定性和可靠性。傳統(tǒng)的內(nèi)螺紋加工是采用切削攻絲技術(shù)，利用相應(yīng)的成型刀具進(jìn)行螺紋孔的加工，其仍存在許多問題[1]，如：①切屑的狀態(tài)不易控制、切屑不易排出、易劃傷已加工表面；②攻絲扭矩大，軸向力控制困難，易使孔徑及螺距誤差擴(kuò)大，易損壞刀具；③刀具剛性差，承載能力低，加工速度低，加工效率低等；④由于材料的組織是被切削的緣故，螺紋部的有效強(qiáng)度也受到損失。然而，在航空航天、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備、汽車及儀表儀器等領(lǐng)域，對螺紋連接的連接精度、連接強(qiáng)度和連接可靠度有著更高的要求，采用其他方法代替切削方法加工內(nèi)螺紋，以得到強(qiáng)度更高、質(zhì)量更好地內(nèi)螺紋零件，是大家研究的重點(diǎn)。

內(nèi)螺紋的無切削加工技術(shù)實(shí)質(zhì)上是利用材料的塑性進(jìn)行加工，根據(jù)金屬材料受力后發(fā)生塑性變形和流動(dòng)的特點(diǎn)，在預(yù)制好的工件內(nèi)孔上利用壓力和螺紋工具的作用產(chǎn)生塑性變形，得到所需的內(nèi)螺紋。采用無切削加工，由于螺紋工具對內(nèi)孔周圍的金屬材料的反復(fù)擠壓，所成形的螺紋表層組織比心部組織嚴(yán)密，螺紋表面的纖維組織沿牙形呈連續(xù)的流線分布，螺紋的表面粗糙度、耐磨性較好，且經(jīng)無切削加工形成的內(nèi)螺紋，由于沒有切斷材料的組織，螺紋部的抗剪、抗拉強(qiáng)度高。

為了研究無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的發(fā)展情況，筆者通過CPRSABS數(shù)據(jù)庫、DWPI數(shù)據(jù)庫和SIPOABS數(shù)據(jù)庫中檢索到的文獻(xiàn)對無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)進(jìn)行專利分析。

1 無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)專利申請整體狀況

1.1 無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)國內(nèi)外專利申請趨勢

國外關(guān)于無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請始于1926年，大致分為三個(gè)階段：①緩慢發(fā)展階段，從1926年至1976年，專利申請量較少，大部分年份的申請量在0～2件，申請量最多的一年為1959年，有6件專利申請。②快速發(fā)展階段，從1977年至1988年，這一階段的專利申請量比緩慢發(fā)展階段有了較大的提高，申請量最多的一年是1980年，共有18件專利申請，其中前蘇聯(lián)有12件專利申請，且這一段階段中，前蘇聯(lián)每年都有關(guān)于無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請。③平穩(wěn)發(fā)展階段，從1989年至今，這一階段中，日本的申請量最大，占比為30%，其次是德國，占比26%，俄羅斯和前蘇聯(lián)各占比10%，韓國占比7%。

中國關(guān)于無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請從1988年才開始出現(xiàn)，從1988-2002年之間的申請量始終在0-2件之間，2003年的申請量開始增多，達(dá)到了5件，進(jìn)入了較快的發(fā)展階段，2003-2017年期間，專利申請量有了一定的提高，并在2016年的時(shí)候達(dá)到了高峰，這一年有13件專利申請。

1.2 無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)專利申請國家分布

無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)，申請量排名靠前的國家分別是：①前蘇聯(lián)（SU）；②中國（CN）；③日本（JP）；④德國（DE）；⑤美國（US）。雖然前蘇聯(lián)在20世紀(jì)90年代解體，但是到目前為止，其專利申請總量仍然是最多的。由于中國的專利制度啟動(dòng)較晚，其關(guān)于無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請開始也較晚，但專利申請的數(shù)量較多，說明中國對無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)有一定的研究。圖1為無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)主要申請國的專利申請趨勢。前蘇聯(lián)（SU）關(guān)于該技術(shù)的專利申請是從1951年開始，前期申請量很少，在1978年和1980年的申請量最多，達(dá)到了12件，隨著前蘇聯(lián)的解體，從1992年后，其專利申請量相應(yīng)地消失。日本（JP）關(guān)于無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請是從1973年開始的，并在1983年達(dá)到了申請量的高峰，隨后的專利申請量有波動(dòng)，但是比起其他國家，日本的專利申請量還是較多。德國（DE）關(guān)于無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請是開始最早的，從1926年開始，但是隨后就進(jìn)入了沉寂期，只是偶爾有一件或幾件專利申請。美國（US）關(guān)于無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請趨勢與德國相似，開始較早，美國是1942年開始的，但是沒有一個(gè)申請量的高峰，只是偶爾申請1-2件，申請量較少。

圖1 無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)主要申請國的專利申請趨勢

2 無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)分類

無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)主要包括外部滾軋加工內(nèi)螺紋、內(nèi)部滾軋加工內(nèi)螺紋、沖壓加工內(nèi)螺紋、拉拔加工內(nèi)螺紋、擠壓加工內(nèi)螺紋、先軋制螺紋再卷圓形成內(nèi)螺紋。通過對所檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行分析、歸納，獲得其專利技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。

2.1 外部滾軋加工內(nèi)螺紋

外部滾軋加工內(nèi)螺紋，其是在工件內(nèi)部設(shè)置帶螺紋的芯棒，通過對工件外部進(jìn)行滾軋加工使工件內(nèi)表面與帶螺紋的芯棒接觸發(fā)生塑性變形，從而在工件內(nèi)表面形成內(nèi)螺紋，其技術(shù)改進(jìn)主要是對外部滾軋裝置進(jìn)行改進(jìn)，外部滾軋裝置采用旋轉(zhuǎn)滾軋、行星式旋轉(zhuǎn)滾壓裝置或軋輥等。外部滾軋加工內(nèi)螺紋的技術(shù)最早于1926年提出，這也是最早的無切削加工內(nèi)螺紋專利技術(shù)，這件專利是由德國申請人于1926年2 月27日提出的發(fā)明名稱為一種中空管體中制備內(nèi)螺紋的方法（申請?zhí)枺篋EG0066619D），其是在中空管體內(nèi)部設(shè)置螺紋芯棒，中空管體外部設(shè)置滾軋裝置，通過滾軋裝置的旋轉(zhuǎn)滾軋，使中空管體內(nèi)部形成內(nèi)螺紋。隨后直到1950年6月16日才再次出現(xiàn)外部滾軋加工內(nèi)螺紋的專利申請，其是由法國申請人提出的一種管材加工內(nèi)螺紋的方法（申請?zhí)枺篎R1187602DA），管材內(nèi)部設(shè)置螺紋芯棒，管材外部設(shè)置旋轉(zhuǎn)部，旋轉(zhuǎn)部上設(shè)置滾珠，旋轉(zhuǎn)部與滾珠實(shí)質(zhì)上構(gòu)成行星式旋轉(zhuǎn)滾壓裝置，通過對管材外部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滾壓，從而在管材內(nèi)部形成內(nèi)螺紋。

2.2 內(nèi)部滾軋加工內(nèi)螺紋

內(nèi)部滾軋加工內(nèi)螺紋是在工件內(nèi)表面設(shè)置帶螺紋的滾軋工具，通過滾軋工具的滾軋加工使工件內(nèi)部形成內(nèi)螺紋，其技術(shù)改進(jìn)通常都是對內(nèi)部滾軋工具進(jìn)行改進(jìn)。采用內(nèi)部滾軋加工內(nèi)螺紋的技術(shù)最早出現(xiàn)于1942年，比外部滾軋加工內(nèi)螺紋技術(shù)的出現(xiàn)時(shí)間晚了約16年，其是由美國申請人于1942年7月29日申請的發(fā)明名稱為一種螺紋軋制工具的專利（申請?zhí)枺篣S19420452722A），其是在工件內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)芯棒，芯棒上均勻分布地鑲嵌了3個(gè)可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的帶螺紋的軋輥，軋輥的螺紋面凸出芯棒的外圓周面，芯棒的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軋輥旋轉(zhuǎn)，通過芯棒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)軋輥進(jìn)行滾軋、工件的平移運(yùn)動(dòng)，從而在工件內(nèi)表面形成內(nèi)螺紋。1958年4月30日德國申請人申請了一件發(fā)明名稱為一種內(nèi)螺紋軋制方法的專利（申請?zhí)枺篋EP0020611A），該專利將工件內(nèi)部的螺紋軋輥改設(shè)6個(gè)，6個(gè)螺紋軋輥分兩層設(shè)置，每層3個(gè)，6個(gè)軋輥在工件內(nèi)部與軸線垂直的平面上均勻分布，通過這樣的設(shè)置大大提高了內(nèi)螺紋滾軋的效率。

2.3 沖壓加工內(nèi)螺紋

沖壓加工內(nèi)螺紋是在工件內(nèi)表面設(shè)置螺紋芯棒，通過沖壓模具或沖頭對工件外表面進(jìn)行沖壓，使工件內(nèi)部與螺紋芯棒接觸發(fā)生塑性變形，從而形成內(nèi)螺紋。其專利申請的出現(xiàn)時(shí)間晚于外部滾軋加工內(nèi)螺紋和內(nèi)部滾軋加工內(nèi)螺紋，最早是1978年2月27日前蘇聯(lián)申請人申請的發(fā)明名稱為內(nèi)螺紋成形的專利（申請?zhí)枺篠U2582784A），其是采用沖壓方法加工內(nèi)螺紋，包括沖壓模具，沖壓模具包括上模和下模，工件內(nèi)部設(shè)置螺紋芯棒，工件置于沖壓模具中，通過上模和下模的合模，使工件內(nèi)表面與螺紋芯棒接觸發(fā)生塑性變形形成內(nèi)螺紋。同一年，日本申請人也申請了一件采用沖壓方法加工內(nèi)螺紋的專利，發(fā)明名稱為螺母內(nèi)螺紋成形方法（申請?zhí)枺篔P11343678A），其申請日是1978年9月13日，比前蘇聯(lián)的申請晚六個(gè)多月。該專利所采用的沖壓方法是在工件外部設(shè)置了4個(gè)沖頭，工件內(nèi)部設(shè)置螺紋芯棒，4個(gè)沖頭從四個(gè)方向?qū)ぜ獗砻孢M(jìn)行沖壓，從而在工件內(nèi)表面形成內(nèi)螺紋。

2.4 拉拔加工內(nèi)螺紋

拉拔加工內(nèi)螺紋是在工件外表面設(shè)置模具以限定工件外部尺寸，工件內(nèi)孔中設(shè)置旋轉(zhuǎn)的螺紋芯棒，通過對工件沿軸線方向拉拔并在模具及螺紋芯棒的共同作用下使工件內(nèi)表面形成內(nèi)螺紋。1982年11月16日日本申請人申請了一件發(fā)明名稱為制備內(nèi)表面帶槽的管的裝置和方法（申請?zhí)枺篔P20809182A），該專利采用拉拔的方法制備內(nèi)螺紋，在工件外部設(shè)置模具，模具內(nèi)腔為錐形面，工件內(nèi)部設(shè)置旋轉(zhuǎn)的螺旋芯棒，通過將工件沿軸向方向拉拔穿過模具，通過模具的擠壓作用使工件內(nèi)表面與螺紋芯棒的接觸面發(fā)生塑性變形，從而在工件內(nèi)表面形成內(nèi)螺紋。

2.5 擠壓加工內(nèi)螺紋

擠壓加工內(nèi)螺紋是在工件內(nèi)表面設(shè)置螺紋芯棒，工件外表面設(shè)置擠壓模具，通過對工件沿軸向施加擠壓力使工件內(nèi)表面形成內(nèi)螺紋。1991年5月5日，前蘇聯(lián)申請人申請了一件發(fā)明名稱為采用冷塑性變形成形中空工件內(nèi)螺紋的專利（申請?zhí)枺篠U4934369A），該專利采用擠壓的方式加工內(nèi)螺紋，在工件內(nèi)部設(shè)置螺紋芯棒，工件外部設(shè)置模具以對工件外部尺寸進(jìn)行限定，通過沿工件軸向?qū)ぜ┘訑D壓力，使工件內(nèi)表面與螺紋芯棒接觸的部分發(fā)生塑性變形形成內(nèi)螺紋。

2.6 先軋制螺紋再卷圓形成內(nèi)螺紋

先軋制螺紋再卷圓形成內(nèi)螺紋，即先在板材的一面軋制出螺紋，然后再將板材卷圓、焊接，從而在工件內(nèi)表面形成螺紋，如1993年7月13日法國申請人申請了一件發(fā)明名稱為采用軋制生產(chǎn)螺紋件的方法的專利（申請?zhí)枺篎R9309064A），該專利是先在板材的一面軋制出螺紋，然后再將板材卷圓、焊接，從而在工件內(nèi)表面形成螺紋。

3 結(jié)語

綜上可知，國外在無切削加工內(nèi)螺旋領(lǐng)域的專利申請開始較早，最早起源于德國，前蘇聯(lián)的專利申請量最多，且對無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)改進(jìn)的貢獻(xiàn)最大，中國的專利申請起步較晚，這與中國專利制度實(shí)施晚于國外有著密切的關(guān)系，但中國的專利申請總量較高，說明中國也在研發(fā)無切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)，只是到目前為止，中國對無切削加工內(nèi)螺紋的技術(shù)改進(jìn)較小。