無(wú)切削加工內(nèi)螺紋專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的研究

陳湘輝

（國(guó)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(guò)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(wèn)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(chē)及儀表儀器等領(lǐng)域，對(duì)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(wú)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(wú)切削加工，由于螺紋工具對(duì)內(nèi)孔周?chē)慕饘俨牧系姆磸?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(wú)切削加工形成的內(nèi)螺紋，由于沒(méi)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(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的發(fā)展情況，筆者通過(guò)CPRSABS數(shù)據(jù)庫(kù)、DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)和SIPOABS數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到的文獻(xiàn)對(duì)無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)進(jìn)行專利分析。

1 無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)專利申請(qǐng)整體狀況

1.1 無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)

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

中國(guó)關(guān)于無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請(qǐng)從1988年才開(kāi)始出現(xiàn)，從1988-2002年之間的申請(qǐng)量始終在0-2件之間，2003年的申請(qǐng)量開(kāi)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(qǐng)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(qǐng)。

1.2 無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)專利申請(qǐng)國(guó)家分布

無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)，申請(qǐng)量排名靠前的國(guó)家分別是：①前蘇聯(lián)（SU）；②中國(guó)（CN）；③日本（JP）；④德國(guó)（DE）；⑤美國(guó)（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(qǐng)總量仍然是最多的。由于中國(guó)的專利制度啟動(dòng)較晚，其關(guān)于無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請(qǐng)開(kāi)始也較晚，但專利申請(qǐng)的數(shù)量較多，說(shuō)明中國(guó)對(duì)無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)有一定的研究。圖1為無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)主要申請(qǐng)國(guó)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)。前蘇聯(lián)（SU）關(guān)于該技術(shù)的專利申請(qǐng)是從1951年開(kāi)始，前期申請(qǐng)量很少，在1978年和1980年的申請(qǐng)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(qǐng)量相應(yīng)地消失。日本（JP）關(guān)于無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請(qǐng)是從1973年開(kāi)始的，并在1983年達(dá)到了申請(qǐng)量的高峰，隨后的專利申請(qǐng)量有波動(dòng)，但是比起其他國(guó)家，日本的專利申請(qǐng)量還是較多。德國(guó)（DE）關(guān)于無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請(qǐng)是開(kāi)始最早的，從1926年開(kāi)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(qǐng)。美國(guó)（US）關(guān)于無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)與德國(guó)相似，開(kāi)始較早，美國(guó)是1942年開(kāi)始的，但是沒(méi)有一個(gè)申請(qǐng)量的高峰，只是偶爾申請(qǐng)1-2件，申請(qǐng)量較少。

圖1 無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)主要申請(qǐng)國(guó)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)

2 無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)分類

無(wú)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(guò)對(duì)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(guò)對(duì)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(duì)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(wú)切削加工內(nèi)螺紋專利技術(shù)，這件專利是由德國(guó)申請(qǐng)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(qǐng)?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(guò)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(qǐng)，其是由法國(guó)申請(qǐng)人提出的一種管材加工內(nèi)螺紋的方法（申請(qǐng)?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(guò)對(duì)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(guò)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(duì)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(guó)申請(qǐng)人于1942年7月29日申請(qǐng)的發(fā)明名稱為一種螺紋軋制工具的專利（申請(qǐng)?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(guò)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(guó)申請(qǐng)人申請(qǐng)了一件發(fā)明名稱為一種內(nèi)螺紋軋制方法的專利（申請(qǐng)?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(guò)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(guò)沖壓模具或沖頭對(duì)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(qǐng)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(qǐng)人申請(qǐng)的發(fā)明名稱為內(nèi)螺紋成形的專利（申請(qǐng)?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(guò)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(qǐng)人也申請(qǐng)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(qǐng)?zhí)枺篔P11343678A），其申請(qǐng)日是1978年9月13日，比前蘇聯(lián)的申請(qǐng)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(guò)對(duì)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(qǐng)人申請(qǐng)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(qǐng)?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(guò)將工件沿軸向方向拉拔穿過(guò)模具，通過(guò)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(guò)對(duì)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(qǐng)人申請(qǐng)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(qǐng)?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(duì)工件外部尺寸進(jìn)行限定，通過(guò)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(guó)申請(qǐng)人申請(qǐng)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(qǐng)?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(yǔ)

綜上可知，國(guó)外在無(wú)切削加工內(nèi)螺旋領(lǐng)域的專利申請(qǐng)開(kāi)始較早，最早起源于德國(guó)，前蘇聯(lián)的專利申請(qǐng)量最多，且對(duì)無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)改進(jìn)的貢獻(xiàn)最大，中國(guó)的專利申請(qǐng)起步較晚，這與中國(guó)專利制度實(shí)施晚于國(guó)外有著密切的關(guān)系，但中國(guó)的專利申請(qǐng)總量較高，說(shuō)明中國(guó)也在研發(fā)無(wú)切削加工內(nèi)螺紋技術(shù)，只是到目前為止，中國(guó)對(duì)無(wú)切削加工內(nèi)螺紋的技術(shù)改進(jìn)較小。