弱刚性结构件螺纹孔数控加工方法

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序言弱刚性结构件是在加工过程中存在加工回弹的薄壁类焊接件，是工程机械行业较为常见的结构形式。此类工件加工部位板厚小，且加工部位周围无刚性加强，在刀具切入时，加工部位产生弹性变形，加工的孔径与机床主轴产生夹角，刀具退出时，机床带动刀具往后拉，工件恢复原状，刀具则受到较大的拉力，使刀具和工件容易受到损坏。为抵消加工过程中的变形，需采用轴向及周向均存在“游隙”的机床。目前行业内普遍使用摇臂钻床，摇臂钻床虽操作简便，经济实用性强，但攻螺纹劳动强度大、质量较差，不利于加工自动化率的提升，而常规的数控攻螺纹对机床精度及工件刚性有较高的要求，无法解决弱刚性结构件数控攻螺纹存在的问题。因此笔者自制了一种非标攻螺纹刀具，实现了弱刚性结构件数控攻螺纹。2

工程机械行业常用攻螺纹方式目前工程机械行业大型结构件螺纹孔的攻螺纹方式主要有：摇臂钻床攻螺纹、数控机床刚性攻螺纹及数控机床柔性攻螺纹三种[1]，具体的实现方式如下。

2.1

摇臂钻床攻螺纹摇臂钻床是一种孔加工设备，其摇臂可绕立柱回转和升降，主轴箱在摇臂上作水平移动，可以用来钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹和修刮端面等。摇臂钻床操作灵活，适用范围广，特别适用于大型零件多孔的单件或批量生产。使用摇臂钻床攻螺纹（见图1）需操作人员时刻在机床前操作，劳动强度大，加工受人为因素影响较大，螺纹孔定位精度差，加工的螺纹孔精度较差（见图2）。图1

摇臂钻床攻螺

图2

摇臂钻床攻螺纹精度较差另外，使用摇臂钻床攻螺纹时，还要添加攻螺纹油，通常使用铅油，可以降低切削温度，增加攻螺纹润滑性，以保证切削精度及丝锥寿命。该操作步骤需操作人员手工涂抹，重复劳动强度大，且攻螺纹油影响螺纹孔及工件的清洁度，严重时会影响油漆附着力。2.2

数控机床刚性攻螺纹刚性攻螺纹是机床控制主轴的旋转与Z轴的进给一直保持同步的一种攻螺纹方法，刚性攻螺纹要求攻螺纹刀具和主轴严格固定，同伸缩，同旋转。由于数控机床的刀柄是刚性的，没有自动调整间隙的功能，所以在主轴上安装了位置编码器，其原理为C轴编码器走一圈，螺距转一圈。攻螺纹精度高，加工效率高。刚性攻螺纹常使用的刀具为模式钻柄加ER弹簧夹套，刀具结构简单、成本低，如图3所示。由于主轴转角与Z轴进给始终保持同步，因此，加工出的螺纹精度高，如图4所示。丝锥夹头与丝锥之间的联接方式为刚性夹持，且主轴转速与进给建立严格的直线比例关系，因此，刀具强度高，攻螺纹效率高。但是刚性攻螺纹对机床精度及工件的装夹稳定性有较高要求，不适合加工弱刚性结构件的螺纹孔。图3

刚性攻螺纹刀具

图4

刚性攻螺纹样品2.3

数控机床柔性攻螺纹柔性攻螺纹也称浮动攻螺纹，是主轴转速与进给没有严格的同步比例关系的一种攻螺纹方式。这种方式丝锥是轴向浮动的，丝锥的轴向运动由其切入工件的螺纹来驱动，依靠丝锥的自导向能力，只需提供旋转运动即可。加工中心柔性攻螺纹常采用带柔性攻螺纹夹头的刀具，如图5所示，使用西门子840D系统MCALLCYCLE840柔性攻螺纹循环进行数控攻螺纹。攻螺纹刀具夹持部位带过载保护离合器，当攻螺纹转矩超过刀具设定转矩时，过载保护离合器断开，丝锥停止进给，以防止丝锥断裂。图5

柔性攻螺纹刀具柔性攻螺纹因为存在累积误差，主轴转速较刚性攻螺纹低，所以加工中心柔性加工效率较低，适用于中小批量生产。柔性攻螺纹的机床参数较少，直接调用柔性攻螺纹循环即可，对调试人员要求不高。但当加工弱刚性结构件时，螺纹孔加工部位产生局部变形，导致攻螺纹转矩超出刀具设定转矩，无法完成正常攻螺纹。3

弱刚性结构件螺纹孔加工卷扬框架是起重机上一种重要的结构件，如图6所示，该结构由法兰盘与立板焊接而成，且两侧立板较薄，当加工法兰盘上的螺纹孔时，工件受轴向及径向切削力，由于加工部位刚性差，攻螺纹刀具相对于后尾产生相对作用力，致使后尾立板变形。螺纹底孔的轴线与刀具丝锥的轴线偏差，如图7所示。图6

卷扬框架图7

螺纹底孔的轴线与刀具丝锥的轴线偏差经现场实际验证，使用刚性攻螺纹刀具加工卷扬框架螺纹孔时，由于立板变形，当丝锥退出时，机床带动丝锥往后拉，工件恢复原状，丝锥则受到工件较大的拉力，导致断裂，如图8所示。使用柔性攻螺纹刀具加工卷扬框架螺纹孔时，由于立板变形，丝锥受到较大的轴向及径向的反作用力，攻螺纹转矩超出攻螺纹刀具设定的转矩，导致丝锥空转，无法完成攻螺纹，如图9所示。

图8刚性攻螺纹试验图9

柔性攻螺纹试验通过上述分析可知，无论是刚性攻螺纹刀具还是带柔性夹头的攻螺纹刀具，均无法实现此类工件的螺纹孔数控攻螺纹，因此，需设计制造一种非标攻螺纹刀具，以解决标准攻螺纹刀具存在的问题，实现加工中心数控攻螺纹，提升结构件自动化水平。4

自制攻螺纹刀具4.1

自制攻螺纹刀具结构根据公司弱刚性结构件的结构特点，设计制造一种柔性攻螺纹刀具[2]。该刀具主要由刀柄、滑动轴、缓冲弹簧和丝锥夹头组成，结构简单，如图10所示。刀柄2通过加长螺栓1与螺纹座3（周向带弹簧销）联接；缓冲弹簧4通过螺纹座5（周向带弹簧销）与滑动轴7联接，缓冲弹簧4通过螺纹座3（周向带弹簧销）与刀柄2联接；刀夹8与滑动轴7联结，同时安装丝锥9；螺栓6保证滑动轴7在刀柄2内腔轴向滑动。图10

自制攻螺纹刀具

1—加长螺栓

2—刀柄

3、5—螺纹座（周向带弹簧销）

4—缓冲弹簧

6—螺栓

7—滑动轴

8—刀夹

9—丝锥4.2

攻螺纹原理该自制刀具是一种轴向及周向均存在“游隙”的攻螺纹刀具，可有效抵消加工过程中存在的变形回弹力，具体刀具攻螺纹原理如下。（1）攻螺纹过程

丝锥旋入工件过程中，弹簧压缩，向内产生压力，抵消了结构件的变形，使切削力方向与攻螺纹方向一致，保证丝锥顺利悬入工件，如图11所示。a）丝锥导向部分开始进入丝孔

b）完成攻螺纹图11

攻螺纹过程（2）丝锥退出

丝锥退出过程中，弹簧拉伸，向外产生拉力，抵消了结构件的变形，使切削力方向与刀具退出方向一致，保证丝锥顺利退出工件，如图12所示。

a）丝锥完成攻螺纹

b）丝锥退出丝孔

图12

攻螺纹退出4.3

攻螺纹刀具制造该攻螺纹刀具的主要加工部件为刀柄及滑动轴，其尺寸精度及几何公差要求较高。（1）刀柄加工

具体加工过程及注意事项如下。1）刀柄的关键尺寸主要有锥柄的尺寸及锥度、拉钉安装孔尺寸、滑腔内外圆尺寸以及两端部的同轴度。2）具体加工工艺流程为：锯料车滑腔外圆内孔留精镗加工余量车锥柄外圆尺寸车拉钉安装孔车刀柄圆环槽铣键槽精镗滑腔内孔。3）加工工艺流程如图13所示。图13刀柄加工工艺流程（2）滑动轴加工

具体加工过程及注意事项如下。1）滑动轴的关键尺寸主要有外圆、内孔以内外圆的同轴度。2）具体加工工艺流程为：锯料车削丝锥安装部分一侧（外螺纹、锥孔）至图样要求车削过渡装置车削滑动轴滑动部分。3）加工工艺流程及注意事项如图14所示。图14

滑动轴加工工艺流程4.4攻螺纹过程将自制丝锥装到主轴上，输入MCALLCYCLE840攻螺纹循环程序[3]，设置主轴转速300～400r/min，执行程序指令，机床开始自动攻螺纹。导向头旋入螺纹底孔后，工件产生局部变形，丝锥头部受到弹簧的压力，沿着刀柄滑槽滑动进行调整，实时完成对间隙的浮动补偿，抵消了结构件的变形。攻螺纹结束后，机床主轴反转，带动丝锥悬出螺纹孔，丝锥头部分受到弹簧的拉力，使丝锥自然沿着螺纹反转出，避免了因焊接件回弹带来的螺纹孔乱牙、丝锥破损等问题。4.5攻螺纹试验结果使用自制丝锥现场批量验证，如图15所示。对公司各种不同的产品进行攻螺纹试验，各型号后尾均能在卧式加工中心进行数控攻螺纹，且丝锥寿命可达到理论攻螺纹寿命，加工效率较摇臂钻攻螺纹提升6倍，且螺纹孔的加工精度及表面粗糙度较好，由此可见，此刀具可满足起重