（机械制造及其自动化专业论文）活动管钳螺纹切头及加工工艺研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 螺纹梳刀是加工螺纹一种刀具，被广泛应用于加工石油、建筑行业用的螺纹中，螺纹 梳刀切头加工螺纹的最大优势在于效率高，将加工时间缩短一半以上，并且能保证工 件的受力平衡，特别是应用在活动钳口螺纹的加工上。探索螺纹梳刀的加工机理，研制适 合现代需要的螺纹梳刀及其螺纹切头，具有重要的理论研究价值和实用价值。 在认真研究国内外用螺纹切削座加工螺纹的基础上，对一种新型螺纹切头进行深入研 究，研究其各零部件的相互配合关系，设计出符合生产需要的梳刀，探讨螺纹切头的工作 原理，用一个简单的工件在f r o e 进行切削模拟，并在a n s y s 中进行受力仿真，找到螺纹 加工的合理参数，探求被加工工件出现缺陷的原因，修改设计中的错误，找到梳刀的最优 加工参数，加工出适合生产需要的螺纹。 本文用有限元软件的方法设计螺纹的加工参数，并对加工结果进行模拟，该方法不仅 避免了实体模型的制造，而且缩短了研发周期，减少了开发成本，提高了设计的可靠性。 关键词：螺纹加工，梳刀，螺纹切头，a n s y s 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 a b s t r a c t t h r e a dc h a s e rw h i c hi su s e di np r o c e s s i n go fs c r e w i n ga n dt h r e a d i n gi sw i d e l ya p p l i e di n m a n yf i e l d si n c l u d e so i l ，c o n s t r u c t i o ni n d u s t r ya n ds oo n h i 曲e f f i c i e n c yi sm o s ta t t r a c t i v e c h a r a c t e ro ft h r e a dc h a s e r , i nw h i c hw a yp r o c e s st i m ei ss h o r t e nt oh a l fo f o r d i n a r yt i m ea tl e a s t i na d d i t i o n a l ，t h ef o r c eb a l a n c eo ft h ew o r kp i e c ei se n s u r e d ，e s p e c i a l l yp r o c e s s i n gt h es c r e wo f t h ej a wo fp i p ew r e n c h i ti sw o r t h w h i l et os t u d yt h ep r i n c i p l eo ft h et h r e a dc h a s e ra n di m p r o v e t h et h r e a dc h a s e rw h i c hi nu s e di nm o d e r ni n d u s t r i e s i nt h i sp a p e r , an e wd i eh e a dw a sd e s i g n e db a s e do nt h es t u d yo fh o m ea n da b o a r dd i e h e a ds t r u c t u r e s ，a n dr e l a t i o n s h i po fe a c hp a r to fd i eh e a dw a se s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r et h e p r i n c i p l eo ft h et h r e a dc h a s e rw a sd e e ps t u d i e d ，b yu s i n gt h ep r o ew eg o tt h e3 dm o d e l a n a l y z e di nm e c h a n i c a lp r o c e s sa n db yu s i n gt h ea n s y sp r o g r a m m a c h i n i n gp r o c e s sw a s s i m u l a t e dt h r o u g hb u i l d i n gm o d e l s ，i m p o s i n gc u t t i n gf o r c e ，a n dt h ee s s e n t i a lp a r a m e t e ro ft h r e a d c h a s e rw a so b t a i n e d al o to ff a c t sw h i c hl e a dt ot h ed e f e c to fs c r e ww e r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r , t h er e a s o n sw ef o u n dm a d et h et h r e a dc h a s e rw ed e s i g n e dm o r eo p t i m a l ，a n df i tf o rt h ec r a f to f c r e w i n ga n dt l ：l r e a d m g ，j 砀es i m u l a t i o no ft h em e c h a n i c a lp r o c e s sw h i c h w a su s e df o ra s c e r t a i n i n gt h ep a r a m e t e r s o ft h ec h a s e ra v o i d e dt h em a n u f a c t u r eo fr e a lm o d e la n da c c e l e r a t e dd e v e l o p m e n tc y c l e s s o e i t h e rc o s to f d e v e l o p m e n tw a sd e c r e a s e do rr e l i a b i l i t yw a si m p r o v e d k e yw o r d s ：s c r e w i n ga n dt h r e a d i n g ；t h r e a dc h a s e r ；d i eh e a d ；a n s y s 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 螺纹加工的研究背景 第一章绪论 螺纹，追溯其历史，早在公元二世纪末，就已开始用于生活与生产实践中。在现代机 械制造业中，由于螺纹造型简单，使用方便、可靠，易于大量生产，因而极其广泛地应用 于紧固联结，管道联结。- 传递动力、进给运动、位移放大和微调等场合。特别是在联结构 件方面，所占比例甚大，在某些机器上，可高达总构件的6 0 - 7 0 9 6 以上。螺纹就其形状、精 度、光洁度、生产批量以及用途的不同，所用的工艺方法和加工刀具亦有所不同。 随着机械，石油，航空，计算机等现代工业技术的发展，对螺纹加工方法提出了更高 的要求。螺纹加工的方法很多，但就其形成原理来说，可分为切削加工和基于塑性变形原 理的无削加工两种。切削加工包括螺纹的车削、铣削、磨削及用丝锥、板牙、螺纹切头切 螺纹等；无削加工包括搓丝、滚丝、挤压螺纹等。采用哪一种螺纹加工方法，主要取决于： ( 1 ) 螺纹牙型和尺寸；( 2 ) 零件材料；( 3 ) 零件的结构特点；( 4 ) 零件的批量；( 5 ) 螺 纹的精度和光洁度；( 6 ) 采用的设备和工具；( 7 ) 生产过程的自动化程度；( 8 ) 经济效益 等f 1 1 。 1 2 螺纹加工刀具概述 采用不同的刀具和螺纹加工方法，所能获得的精度、光洁度、生产效率和经济效果是 很不同的。现在用于加工螺纹的刀具主要有：螺纹车刀、丝锥、板牙、普通螺纹铣刀、螺 纹滚压工具、螺纹梳刀，如图卜l 所示。 用螺纹车刀和梳刀切削螺纹，在单件和小批生产中被广泛用于加工普通螺纹和大螺距 螺纹，既用于切外螺纹，又用于切内螺纹。它的加工范围很广，加工螺纹直径几乎不受什 么限制。用螺纹车刀和梳刀切削螺纹，在单件和小批生产中被广泛用于加工普通螺纹和大 螺距螺纹，既用于切外螺纹，又用于切内螺纹。 用螺纹车刀和梳刀切削螺纹，在单件和小批生产中被广泛用于加工普通螺纹和大螺距 螺纹，既用于切外螺纹，又用于切内螺纹。它的加工范围很广，加工螺纹直径几乎不受什 么限制。在用高速钢车刀车削螺纹时，工件材料的强度和硬度不能太高；然而，在硬质合 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 金特别是高性能硬质合金车刀车螺纹时，却可加工淬火硬度达h r c 6 2 的零件( 例如在滚丝 轮上修复螺纹) 。用车刀加工螺纹的精度可达6 - 4 级，光洁度可达到6 级，经仔细研磨的 车刀或进行高速车削亦可达到8 级，用高速钢螺纹车刀车削螺纹的生产率低于自动开合螺 纹切头。 a )b )c ) o 爹谚 e )f ) g ) a ) 螺纹车刀 b ) 丝锥 c ) 板牙d ) 普通螺纹铣刀 e ) 滚丝轮f ) 搓丝板g ) 梳刀 图卜1 螺纹加：1 ：刀具 丝锥是加工内螺纹的常用工具，无论在单件、小批量生产中( 手用丝锥) ，或在成批、 大量生产中( 机用和螺母丝锥) ，都极其广泛地应用着，标准丝锥的直径可达l o o m m ，用丝 锥加工螺纹的精度可达到4 级，光洁度可达5 级。 板牙虽然加工精度不高，只能达到6 级，生产效率也低，但在单件，小批量生产中却 应用广泛，因为这种刀具成本低，使用简单，手用机用均可。 用螺纹铣刀既可加工外螺纹，又可加工内螺纹，虽然加工精度不高，一般只有7 级。 然而在成批和大量生产中，被广泛应用，当制造精密螺纹时可作为预加工工序。 滚压螺纹是使金属在滚压工具的作用下产生塑性变形而形成螺纹，是一种无削加工方 法，可以滚压圆柱螺纹和圆锥螺纹，在机械加工中已被广泛应用，其特点是生产效率高， 适合于大批量生产，加工出来的螺纹表面粗糙度小；滚压螺纹，材料纤维未被切断，螺纹 表面还产生了冷作硬化，所以滚压螺纹的强度和耐磨性有较大提高：不切除切削，材料利 用率高；滚压加工工艺容易实现自动化，工具寿命长。 螺纹加工的各种工具各有各的优劣点，传统的螺纹加工方式设备简单，易于实现，例 如用丝锥加工螺纹，适于单件小批量生产。用搓丝板、滚丝轮、螺纹滚压头等工具，以滚 2 江苏大学工程硕士学位论文 压方法加工螺纹的生产效率和加工质量，都优于用切削方法加工螺纹，但是，滚压工具对 滚压前坯件直径尺寸精度和光洁度要求较高，一般须用冷拔整径、冷镦缩径、剃削( 用切 向进给样板刀车削) 、磨削等工艺方法获得，这样加工工序繁杂。如工件硬度大于h b 2 8 5 时，塑性变形困难，滚压工具寿命极低，也以采用螺纹切头为好，灰铸铁、可锻铸铁的工 件不能采用滚压工艺，也只得采用螺纹切头，另外一些笨重、不对称、非圆形、退刀距小、 空心、薄壁坯件的螺纹加工用上述加工方法难以实现，因此采用螺纹梳刀切头加工为宜乜1 。 另外，随着数控技术的发展，尤其是三轴联动数控加工系统的出现，使更先进的螺纹 加工方式螺纹梳刀的数控铣削得以实现。螺纹梳刀加工与传统螺纹加工方式相比， 在加工精度、加工效率方面具有极大优势，且加工时不受螺纹结构和螺纹旋向的限制，如 一把螺纹铣刀可加工多种不同旋向的内、外螺纹。对于不允许有过渡扣或退刀槽结构的螺 纹，采用传统的车削方法或丝锥很难加工，但采用数控铣削却十分容易实现。此外，螺纹 梳刀的耐用度是丝锥的十多倍甚至数十倍，而且在数控铣削螺纹过程中，对螺纹直径尺寸 的调整极为方便，这是采用丝锥难以做到的。由于螺纹铣削加工的诸多优势，目前发达国 家的大批量螺纹生产已较广泛地采用了铣削工艺。在螺纹铣削的加工过程中，程序的编制 及给定的数值直接决定了所加工螺纹的位置、旋向、公称直径及螺距的大小口1 。 1 3 螺纹梳刀研究的历史与现状 1 3 1 螺纹梳刀工艺的发展 早期的螺纹梳刀采用的是w 1 8 c r 4 v 高速钢工具，最大切削速度为6 米分，尚不能切 高强钢管，现代加工石油管螺纹，尽可能采用硬质合金螺纹梳刀，用他加工出来的石油管 螺纹不仅精度高，而且切削速度可打8 0 一1 6 0 米分，可大大提高生产效率，能够切削比d 8 5 更高的钢。虽然硬质合金螺纹梳刀有许多不可比拟的优点，硬质合金又早以问世，但从刀 具书籍或在各家工具厂中没有发现像螺纹梳刀这类复杂刀具是属于硬质合金的，致使螺纹 梳刀一直没有大规模地投入到生产应用中。直到1 9 6 5 年左右，一些先进工业国家，才逐 步开始生产这类刀具，苏联约在1 9 6 6 年，罗马尼亚在1 9 7 1 年开始使用硬质合金螺纹梳刀 加工石油管。 使用传统的磨料磨具，如刚玉、碳化硅砂轮刃磨高硬度材料按h r a = 9 卜9 2 的硬质合金 极易钝化脱粒，要刃磨螺纹梳刀这类属于复杂型面的成型刀具，砂轮的耐用度低到一片到 3 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 还没磨出来，砂轮的几何形状就变了，根本不能把螺纹梳刀刃磨成形，因此用螺纹切头进 行加工直到1 9 6 5 年左右才有了一个大的突破开始使用硬质合金螺纹梳刀。 随着机械加工方面对高硬度材料的加工新工艺电火花加工的出现，法国使用电火 花加工硬质合金螺纹梳刀，因电火花对被加工表面有烧伤，所以用来做粗加工后，还要用 成型模板研磨作精加工，这种办法初步解决了硬质合金螺纹梳刀的加工问题，但因模板精 度极易损失，故生产效率很低。1 9 6 0 年左右出现了另一种加工高硬质材料的新工艺电 解磨削。就是将高硬材料的表面经过电化学反应，使高硬度材料表面发生电化学变化，失 去该材料的特有物理性能高硬度，电解磨削工艺比电火花工艺能获得更高的表面光洁 度。日本曾使用这一新工艺，以石墨砂轮为磨具磨制过高硬度合金螺纹梳刀。 电解磨削工艺与1 9 6 5 年开始在我国推广运用，当时主要用于刃磨普通刀具。直到1 9 7 1 年，人造金刚石磨料磨具在工业上普遍运用后，才比较彻底地给刃磨像螺纹梳刀这类复杂 刃具提供了有力的手段，这种磨具可以克服电解磨削在电解过程中使用硬质合金中的金属 钻基被溶解导致刀具寿命降低的缺点。目前，我们刃磨石油管硬质合金梳刀，就是采用的 金刚石砂轮电解磨削工艺。 目前世界上比较先进的螺纹梳刀加工系统是美国、德国，其中美国兰蒂斯螺纹切削系 统能将螺纹加工时间减少到原来传统车削螺纹的1 3 ，通过准确调试之后加工精度可提高 两个等级【5 1 。 1 3 2 国内梳刀研究状况 目前，国内从事套管螺纹梳刀研究和生产的有成都工具研究所、成都无缝钢管厂( 6 5 厂) 、自贡硬质合金厂( 7 6 4 厂) 、株洲硬质合金厂( 6 0 1 厂) 四个主要单位随儿7 1 。 ( 1 ) 成都工具研究所，是国内生产螺纹梳刀片最多的单位。该所重点研究了德国 h e r t e l 的涂层梳刀片，对梳刀片基体的化学成分、组织结构、刃口钝化、表面涂层工艺、 磨削加工工艺及设备进行了分析研究，如表1 所示，该所开发了c p i 涂层梳刀牌号，成功地 实现了上海宝钢石油钢管加工用螺纹梳刀片的国产化。 ( 2 ) 成都无缝钢管厂( 6 5 厂) ，是目前国内第二大套管梳刀生产厂。每年生产螺纹梳刀片 两万多片，主要供本厂使用，该厂有一条1 0 5 万吨套管生产线和一个年生产螺纹刀片能 力为1 0 万片的梳刀车间，梳刀刃磨设备采用国际先进水平的德国万特公司专用梳刀磨床， 梳刀的毛坯4 基体7 从株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂购买。该厂先后对德国维迪亚 江苏大学工程硕士学位论文 ( w i d i a ) 厂的a t l 5 牌号梳刀、美国肯纳( k e n n 肌e t a l ) 公司的k 4 h 牌号螺纹刀片、奥地利普 兰西( p l a n s e e ) 金属加工厂的涂层套管螺纹梳刀l p 0 2 5 卢森堡金属陶瓷公司( c e r a m e t a l ) 的l p 0 2 5 牌号的五齿和七齿梳刀及美国p m c 公司的涂层螺纹刀片进行了分析研究，如表 1 - 1 所示。该厂同大连理工大学胡莱生教授合作研究套管螺纹车丝断削技术及开发新型螺 纹刀片，该厂对国内外螺纹刀片的切削分布、齿形设计、刃磨工艺，刃口处理及涂层工艺 进行了研究，开发一系列新型硬质合金涂层螺纹梳刀片。该厂石油套管生产线上使用的圆 螺纹梳刀、偏梯形螺纹梳刀片及特殊密封扣专用梳刀片全部自己生产。 表卜1 各种型号梳刀性能阳1 生产厂商牌号机械物理性能化学成分 硬度h r c抗弯强度密度 矫顽磁 胃 c ot ict an b n m m 2 g m m 3 力 k a | m h e r t e lc p l9 11 4 1 91 3 16 4 86 85 16 4 31 25 p l q a n s e el p 0 2 59 11 7 0 01 3 57 9 86 82 16 0 65 2 c e r a m e t a ll p 0 2 59 01 7 5 01 2 66 888 19 2 p m cc v d8 0 37 12 26 0 54 3 p m cp v d8 2 87 92 16 11 1 w i d i aa t l 59 21 5 8 01 3 41 27 4 97 146 2 46 70 9 s t e l l r a mg s l9 11 7 5 01 3 396 5 11 0 9 6 6 6 2 6 71 6 k e n n a m e t a lk 4 h9 21 5 5 01 2 57 3 26 94 96 1 83 85 n o r l i nc d 2 39 21 6 5 01 57 9 95 92 26 2 63 72 1 成都工具所 c p l9 11 8 0 01 3 16 4 97 44 26 4 31 25 成都工具所 16 6 77 43 55 41 25 w cc o t i + t a ( n b ) c 7 6 47 1 59 21 2 0 01 1 51 47 471 9 7 6 4z c l9 01 5 0 01 3 91 38 569 7 6 4z c 29 01 7 0 0 1 3 5 1 l8 38 9 6 0 1b 6 09 22 1 4 01 2 72 08 569 6 0 1y w 49 21 6 0 01 2 22 08 679 5 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 ( 3 ) 自贡硬质合金厂( 7 6 4 厂) ，该厂引进了先进的梳刀加工设备，有德国万特的梳刀磨 床、新雅特的刃口钝化毛刷机和美国t i - c o a t i n g 公司的c v l ) 涂层设备：该厂研制了y t 7 1 5 、 z c l 和z c 2 等多种梳刀牌号，如表1 所示。现在该厂成品套管螺纹刀片销售量所占比例还 很小大约为3 0 0 0 片左右年。 ( 4 ) 株洲硬质合金厂( 6 0 1 厂) ，该厂有一流的梳刀加工设备，曾经对美国的k 4 h 、c d 2 3 螺纹刀片、德国a t l 5 梳刀以及瑞士的g s l 梳刀及宝钢的进口梳刀进行过剖析研究，研制 了b 6 0 、w 4 等多种梳刀牌号，如表l 所示该厂的非涂层梳刀牌号b 6 0 的耐磨性优于a t l 5 、 k 4 h 和7 1 5 。 成都无缝钢管厂研制的七齿涂层梳刀片( 6 5 r 7 ) ，基体采用z c l 合金，齿形是用带梳 齿的成形砂轮磨出的，这种金属复合的特殊金刚石砂轮是可塑的，用挤压成形法，挤压出 螺纹。刀片刃口的钝化采用该厂研制的旋转振动研磨法，在涂层前对梳刀齿形表面进行特 殊清洁处理，避免了在c v d 涂层时，7 相的产生，涂层采用t i c + t i ( c ，n ) + t i n 复合涂层工 艺，涂层厚度为7 8 微米，国产梳刀的耐用度达到了9 0 年代进口梳刀的水平。 1 3 3 螺纹梳刀的发展趋势 螺纹梳刀主要用在加工管螺纹上，尤其是在石油、建筑要求加工出来更多质量更高的 管螺纹，这就对螺纹梳刀及其加工设备提出了更高要求。 螺纹梳刀的发总的展趋势是： 1 ) 适合高速加工的刀具材料和刀具涂层。刀具材料和刀具涂层是影响刀具性能的主 要内在因素，若想进一步提高加工效率及加工质量，就需要在刀具材料和涂层材料方面做 进一步研究； 2 ) 高精度。现在螺纹梳刀加工出来的螺纹精度不够高，在未来几年，螺纹梳刀加工 会向提高螺纹精度方向发展； 3 ) 智能化和集成化。近年来，计算机数控技术的发展将推动一大批传统制造向智能 化和集成化发展，螺纹加工也不例1 9 1 。 1 4 活动钳口螺纹加工 1 4 1 活动钳口的特点 江苏大学工程硕士学位论文 管子钳在能源、建筑等工业上的应用很广泛，活动钳口是管钳上的重要零件，但是在 加工活动钳口上的螺纹时却有难度，原因包括：活动钳口的不是完整的轴类工件，在工件 在转动时，普通车刀会与工件发生周期性碰撞；需要加工螺纹的螺距较大等。 由于螺纹切头有四把或者很多的刀具安装在同一个刀座上，相比于普通的螺纹刀具， 它能很好的保证被加工件加工时的受力平衡，以保证工件的刚度，避免工件由于受到背向 切削力引起的轴向上的弯曲作用。比如在装配管子钳上的活动钳口的螺纹加工，如图卜2 所示。 图卜2 活动钳口上的螺纹 在加工活动钳口上面的螺纹时，要保证同时有两把刀具作用在工件的被加工表面上， 这样才能保证工件的受力平衡，不至于加工时出于工件刚度不够造成的工件弯曲现象。 1 4 2 加工活动钳口螺纹存在的问题 螺纹梳刀在加工活动钳口螺纹时会出现以下方面的问题。 1 ) 如果不能保证在切削平面内同时有两把刀具作用在工件上来提供一对能相互平衡背向 切削力，就会使工件弯曲。 2 ) 由于螺纹切头的结构比一般的螺纹车刀复杂，对螺纹梳刀的装配精度要求较高，每个 梳刀之间的纵向位置要严格保持同一个问距( 这个间距根据螺距和到的个数决定) 。 3 ) 梳刀在加工螺纹时，由于工件刚度大，刀具也会存在轻微的变形，这种变形会改变螺 纹的尺寸与形状，影响螺纹的加工精度。 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 4 ) 保证螺纹切头的刀具的持久性，螺纹切头往往用于大规模的生产之中，对刀具寿命的 要求比较高，所以这就必须适当的减小刀具所受的切削应力，增加抗疲劳的能力，以 延长其使用寿命。 1 5 本课题研究的内容 尽管国际上梳刀加工技术已相当成熟，由于受到技术封锁等原因，国内加工梳刀水平 一直落后于其他先进的工业国水平，就像国内四大生产梳刀的单位，其生产梳刀所用的设 备均是进口自国外，所以打破国外技术封锁，研究生产自主品牌的梳刀是目前国内，尤其 是石油产业亟待解决重大的问题。 本文主要研究一种新的梳刀螺纹切头，并对梳刀结构参数设计、仿真、优化，找出实 现梳刀切削加工合理参数，找到产生切削缺陷的原因并寻找解决方案。 。 8 江苏大学工程硕士学位论文 2 i 螺纹切头的结构 第二章螺纹切头的工作原理 螺纹切头主要用在钻床、组合机床、六角车床、螺栓切丝机和自动车床上，用以加工 各种规格的外螺纹和较大直径的内螺纹，是适于大批量生产用的高效率螺纹切削工具。 与板牙、丝锥等整体螺纹工具比较，螺纹切头有下述特点：装在切头梳刀架上的成套 梳刀，在切削行程终了时，能立即从相旋合的被切螺纹上松开，梳刀或工件都无需反转旋 出而快速退回到起始位置，缩短了切削周期。 各种切头都可以调整梳刀的径向位置，以调整被加工螺纹的中径尺寸，各种切头都能 保证加工出6 h 公差等级的普通螺纹、锥螺纹和锥管螺纹，经仔细调整后，可以加工出4 h 公差等级的普通螺纹。 常用的螺纹切头有：圆梳刀螺纹切头和平梳刀螺纹切头，其不同之处在于梳刀的形状 存在差异，分别如图2 - 1 所示h 1 。 a ) 圆梳刀切头b ) 平梳刀切头 图2 - i 常用螺纹切头 螺纹梳刀切头有分为旋转式和非旋转式两类，旋转式切头其梳刀的合拢和张合动作用 活套在拨盘拨叉槽中的卡箍或拨叉( 图2 - 2 ) 控制，非旋转式切头其梳刀的合拢和张开动 作，用切头上的手柄控制。当使用切头的内顶开机构时，就靠工件的端头来顶开。螺纹梳 刀加工示意图如图2 3 所示。 本课题所研究的切头是在传统切头的基础上设计出来新型螺纹切头，其结构如图2 4 所示，主要有本体法兰1 2 、滑块1 1 、曲线环8 、梳刀架5 等组成。法兰1 2 的配合孔用四 9 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 图2 2 卡箍和拨叉 图2 - 3 加工示意图 1 螺栓2 ，3 梳刀4 刀具压板5 刀座6 弹簧销7 螺钉8 曲线环9 调节块 1 0 限位螺栓1 1 滑块1 2 法兰1 3 螺栓1 4 垫片1 5 对刀螺钉1 6 螺钉 图2 4 螺纹梳刀切头示意图 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 个双头螺栓将其紧固在主轴凸缘上，法兰上顺序安装有可在机床操纵拨叉拨动下左右滑动 的滑块1 1 、能限制拨环滑动距离的限位螺栓1 0 、能调整被切螺纹直径大小及能使梳刀张 开或闭合的曲线环8 以及梳刀座5 。 2 2 螺纹切头的工作原理 2 2 1 机构的工作原理 螺纹梳刀切削头的工作原理：将直径为螺纹小径的芯棒伸到六把刀之间，旋转刀座后 面的对刀螺钉1 5 ，使刀与芯棒逐渐接近，当六把刀即将触碰到芯棒时，旋转曲线环8 进行 微调，使刀与芯棒接触，保证六把刀轨迹在同一直径上，对刀结束，旋紧曲线环上的三个 螺钉1 6 ，使刀具位置固定。工件开始进给，手动进给或强制进给使梳刀切削锥切入工件一 小段螺纹后，利用梳刀自身环形齿纹与工件上已切成的一段螺纹旋合形成螺纹副，引导切 头按螺距进给，直到螺纹加工完成。机械撞块或电气行程开关或通过油缸行程控制拨叉使 滑块和曲线环向工件进给反方向运动，在弹簧销作用下六把刀同时张丌，工件退出切削座， 完成加工，拨叉再次动作使六把刀闭合进行下一个工件的加工。 控制六把刀同时张丌闭合的主要部件是曲线环，如图2 5 所示，对刀时对刀螺钉顶在 曲线环的上面( 从俯视图看) ，加工时也是在上面，加工完毕退出时，拨叉运动使曲线环 相对于法兰向外运动，使对刀螺钉顶在顶在曲线环下面( 从俯视图看) ，这样在弹簧销的 作用下，六把刀张开。 一q 图2 5 曲线环三维模型图和实物图 滑块的作用是传递转矩，控制刀具开合，如图2 - 6 所示，在位置1 处放入调节块，在 l l 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 螺钉作用下与曲线环连接，在位置2 处放入限位块，限制滑块( 如图2 - 7 ) 的上下移动距 离，以免滑块脱离法兰。 位置1位置2 图2 - 6 梳刀j t ：作位置和张开位置 图2 7 滑块 1 曲线环2 螺钉3 调节快4 滑块 图2 - 8 对刀螺钉图2 - 9 切头座的结构 对刀螺钉有两部份组成，如图2 8 圆头螺钉1 和螺冒2 ，螺钉1 插在刀座内，向外旋， 江苏大学工程硕士学位论文 刀具向中轴线合拢，加工中径较大螺纹，向内旋，刀具远离中轴线，加工较小螺纹；旋到 合适位置后，向内旋转螺帽，让螺帽靠在刀座上，使位置固定下来。 对刀时微调的曲线环1 是靠螺钉2 和调节块3 与滑块4 连接的，如图2 9 ，三个调节 块可在滑块的凹槽内圆周滑动，使曲线环做圆周运动。调节块在图示位置放入滑块内，对 刀结束后，将三个螺钉拧紧，刀具位置固定，滑块与曲线环之间的静摩擦力一定要足够大， 否则在主轴启动时，对刀位置会改变，加工出来的螺纹不符合要求。 刀具装夹在刀座上，如图2 - 1 0 所示，刀具靠锲形槽及螺栓固定在刀座上，后面的大 螺栓调节刀具的前后位置，弹簧销使刀具在切头上张开。 2 2 2 梳刀切削过程 图2 1 0 刀座二维模型平i | 实体图 螺纹切头的工作进给方式，是在手动进给或强制进给使梳刀切削锥切入工件一小段螺 纹后，利用梳刀自身环形齿纹与工件上已切成的一段螺纹旋合形成螺纹副，引导切头按螺 距进给的。 梳刀的切削加工过程与丝锥攻丝过程相类似，六把梳刀可以看成是将一个丝锥分裂成 的六块，然后机械地联接起来。 用螺纹梳刀进行切削时，进行切削的主要是每把螺纹梳刀的前两个刀齿，其余刀齿的 作用是修磨，抛光，提高螺纹的精度，所以只需要用将每把刀的前两个刀齿进行仿真即可。 在p r o e 中对每个刀齿进行切削仿真，每个齿加工后的齿形如图所示，依次是第一把 刀第一个齿，第二把刀第一个齿，第三把刀第一个齿，第四把刀第一个齿，第五把刀第一 个齿，第六把刀第一个齿，第一把刀第二个齿，第二把刀第二个齿加工之后工件的轮廓图 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 如图2 - 1 1 。截取最下面一个齿进行局部放大，如图2 1 2 和2 - 1 3 所示 图2 1 1 每把刀齿加工后工件的装况 图2 - 1 2 工件端部局部放大图 第二把刀的第二个刀齿切削之后，螺纹完全形成，之后的各个刀齿所起的作用是修 磨，抛光。从图2 - 1 3 可以看出各刀齿切削的轨迹，从中发现首先切入工件的第一把刀的第 一个齿的切削量最大，承担主要的切削任务，其余刀齿的切削量基本一样，设计时需要考 虑到每把刀所承受的切削强度，不得使刀具发生变形，尤其是第一把刀。若想减小每把刀 承受的切削力，可以根据需要减小切削锥角鬈，切削锥角的选取将在以后的章节中详细介 绍。第一把刀的第一个刀齿磨损最快，应注意研磨刀齿，保证加工精度n 2 邶m 钔。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 本章小结 图2 - 1 3 第二把刀的第二个刀齿切削之后的图形 本章对介绍了螺纹切头及其结构，螺纹切头主要用在钻床、组合机床、六角车床、螺 栓切丝机和自动车床上，用以加工各种规格的外螺纹和较大直径的内螺纹，是适于大批量 生产用的高效率螺纹切削工具。说明了切头的每一个组成部分及其构件之间的运动关系， 深入分析了梳刀的切削原理，通过其切削原理的分析为下一章的静力学分析提供了基础。 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 第三章梳刀力学模型的建立 3 1 基于a n s y s 软件的刀具模拟加工 金属切削过程是刀具与工件相互作用的过程，在机床一夹具一刀具一工件构成的加工 系统中，合理选用刀具十分重要。刀具的整体结构、切削刃材料与几何形状都会直接影响 刀具使用寿命、工件加工质量和切削生产效率。因此，在切削过程中，刀具应具有较高的 强度、良好的韧性、较长的寿命以及良好的工艺性。对刀具强度进行理论分析，了解刀具 内部的应力应变状态，不仅有利于在加工过程中合理选择刀具，而且可为进一步改善刀具 内部受力状态、提高刀具使用寿命提供理论依据。 3 1 i 有限元数值分析软件a n s y s 简介 有限元数值分析软件( a n s y s ) 将现代数学、力学的基础理论与有限元分析技术、计算机 图形学和优化技术相结合，具有丰富、完善的单元库、材料模型库和求解器，可利用数值 模拟技术高效求解各类结构动力、静力和线性、非线性问题。a n s y s 作为一种有限元分析 软件，已成为c a e 和工程数值模拟的有效工具，是当今c a d 、c a e 、c a m 软件中的主流产品 之一啪3 。利用a n s y s 进行有限元结构的力学分析时，通过对所施加的载荷进行数值模拟， 分析应力应变集中区，从而达到强度分析和优化设计的目的。a n s y s 求解的三个主要步骤 为：创建有限元模型( 前处理) 一施加载荷并求解( 求解) 一查看分析结果( 后处理) 瞄1 。 3 1 2 刀具力学模型的建立 在金属切削过程中，当刀具切入工件时，使被加工材料发生变形并形成切削所需的力 称为切削力。切削力的大小直接影响刀具、机床、夹具的设计与使用。切削力包括克服被 加工材料变形时产生的弹性和塑性变形抗力、克服切削对刀具前刀面的摩擦力以及刀具后 刀面对加工表面和已加工表面之间的摩擦力。为便于分析、计算和测量刀具受力情况，可 按切削主运动速度方向、切深方向和进给方向建立空间直角坐标系，将切削合力f r 在该 坐标系中分解成三个分力，即主切削力只切削速度方向分力( 切向力) 、切深抗力c 一 一切深方向分力( 径向力) 和进给抗力e 进给方向分力( 轴向力) 。 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 主切削力c 是最大的分力，也是设计、使用刀具的主要依据，同时还司用于验算机床、 夹具主要零部件的强度、刚度以及机床电机功率等。切深抗力c 并不消耗功率，主要对工 艺系统的变形及零件的加工质量产生影响，但当机床一夹具一刀具工件组成的工艺系统 刚性不足时，c 是造成零件变形和加工振动的主要因素。进给抗力f x 主要作用于机床进 给系统，是验算机床进给系统主要零部件强度和刚性的重要依据。 为了能够从理论上分析和计算切削力，人们进行了大量的实验和研究。但是所得到得 一些理论公式还不能比较精确的进行切削力的计算。所以，目前生产实际中采用的计算公 式都是通过大量实验和数据处理得到的经验公式。一般可分为指数形式和切削层单位面积 形式两大类。 指数形式的切削力经验公式啪1 应用比较广泛，其形式如下嘲 c = c 毫口p 厂v k ( 3 1 ) f r = c f f a ；hf 、乃hk f f 吣裔 f p = c f 9 ：nf 、n rk p 吣简 式中 c 、乃、为主切削力、进给力和背向力； c 毫c l 取决于工件材料和切削条件的系数； 如、k 、z 厅、如、强、毛、z 0 分别为三个分力公式的被吃刀量， 进给量和切削速度1 ，的指数； k 、当实际加工条件与求得经验公式的条件不符时，各种因素对切削力的 修正系数。 式中各种系数和指数都可以在切削用量手册中查到。 3 2 螺纹梳刀具有限元受力分析 在p r o e 软件中对螺纹梳刀进行建模，刀具模型的的三维造型如图3 1 ，选取切削锥 角为2 0 。，螺距为5 m m 。 螺纹车刀是应用与切削螺纹的金属切削刀具之一，其特点是加工效率高，加工表面质 量高等。下面以典型的平梳刀螺纹切头为例，应用a n s y s 对刀具强度进行有限元数值模拟 1 7 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 分析。 参数选采用硬质合金车刀在c 6 3 0 卧式车床上进行车削试验。工件材料为 = 9 0 k g f m m 2 ( 0 8 8 3 g p a ) 的碳素钢。 图3 一l 梳刀的三维图形 选取刀具几何参数：刀杆材料：4 5 钢；刀杆几何尺寸：b h = 5 0 m m 7 0 m m ，l = 1 5 0 m m 。 刀片材料：y t l 5 ；车刀主要角度：前角为0 0 ，后角为5 0 ，主偏角为7 0 0 ，刃倾角为0 0 。刀 具材料的机械性能：强度极限吼= 6 0 0 m p a ；屈服极限吒= 3 5 5 m p a ；弹性模量e = 2 0 6 g p a ； 泊松比胪0 2 7 。 切削用量：切削速度v c = 1 8 0 m m i n ，进给量( 或进给速度) f = o 6 m m r ，在梳刀的完整 齿形的刀齿切削工件之前的刀齿为粗加工，所以总背吃刀量由于螺纹切头的齿形来确定。 3 2 1 划分单元格 根据刀具的几何尺寸，在a n s y s 交互模式下创建刀具有限元实体模型。通过a n s y s 自带的自适应网格划分方法进行单元格的划分，自定义单元长度。 采用八节点六面体s o id 4 5 单元类型( 该单元类型便于施加载荷，且计算精度较高) ， 将车刀划分为11 5 6 9 个节点( 见图3 2 ) 、1 6 9 3 4 个单元，单元划分较密是为了更清楚地 显示应力集中区( 见图3 - 3 ) ，并作如下假设：将刀杆和刀片材料视为一体，便于模拟加 载分析和计算。计算中假定材料为线弹性，即不发生屈服。刀具在切削过程中会受到一定 江苏大学工程硕士学位论文 的冲击和振动，考虑到这种冲击和振动的有限性，为简化计算，视刀具在切削过程中某时 刻为静应力分布。在切削过程中，刀具因剧烈摩擦会产生高温，但为便于计算，暂不考虑 温度场影响。 图3 2 有限元网格图 3 2 2 模拟加载求解 图3 3 刀齿的局部细化 由于切削力的影响因素较多，计算较复杂，加之目前所用切削力理论计算公式是在忽 略了温度、f 应力、第1 i i 变形区的变形与摩擦力等条件下推导出来的，与实际切削状态 差别较大，故只能用于切削力的定性分析，不宜用于实际计算。因此，根据本实例的原始 1 9 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 试验数据，采用切削用量简明手册中的实验公式，计算出三个切削分力的经验值分别为： 第一个刀齿：f c = 6 5 0 7 n ，f p = 2 0 0 n ，f f = 2 3 0 n 。第二个刀齿：f c = 6 0 0 n ，f p ：1 2 0 n ，f f = 2 6 0 n 。 根据上述分析，按切削条件最恶劣的极限情况( 即f c 、f p 、f f 集中作用于刀尖一点) 进行 模拟加载，在刀具末端施加全部约束( 这样并不影响分析结果) 。 3 2 3 模拟的结果与数据分析 通过a n s y s 的静载荷计算，可得到图3 4 图3 - 5 所示刀具内部应力分布图、图4 6 所 示刀尖部分应力分布图和图5 所示全部自由度解u s u m 分布图( 位移等值线图) 。 图3 4 车刀应力分布示意图 图3 - 5 刀前部位应力分布图 由图3 5 可知，车刀最大应力点位于刀尖部位( 第2 1 节点处) ，最大应力值为6 3 6 m p a ， 江苏大学工程硕士学位论文 最大应力点的挠度为0 0 1l n l m 。采用类似方法，可计算出刀尖处的最大应变值为0 0 0 4 2 6 m 。 由图3 - 6 可知，最大合位移d m x = o 0 1l m m ，计算结果与实际情况相符。 图3 - 6 位移等值线图 由于上述分析结果是在极限条件( 切削力集中作用于刀尖一点) 下得到的，且采用 a n s y s 线性分析，因此得出的最大应力值略大于强度极限值仍应属于允许范围。如进行 a n s y s 非线性分析，则最大应力值应在许用应力范围之内，且分析结果会更为精确。 刀尖部位为最大应力点，由此可知刀具破坏的主要形式为刀尖和刀刃破坏，因此选用 高强度刀片材料对于增加刀具强度是十分必要的。由于切削过程中会产生高温，且刀具与 工件材料之间存在较大压力，因此当温度和应力达到一定水平时，在应力最大处就可能产 生刀刃点蚀以及刀具材料塑性变形，使加工精度难以保证，为此必须调整切削参数以降低 应力，以保证刀具在稳定的切削状态下工作。此外，由于刀尖部位应力最大，磨损严重， 将直接影响加工质量，因此需要及时检查刀具状况并进行刀具补偿。以上述分析为理论依 据，即可在切削加工中正确选择和使用刀具，合理调整切削参数。 应用大型有限元数值分析软件a n s y s 对刀具强度进行数值模拟分析，可较精确地掌握 刀具上各点的受力情况，了解刀具内部应力应变的分布规律，获得应力应变分布图并方便 地找出危险点。该方法可为改进刀具受力情况、合理设计刀具结构以及对刀具进行失效分 析提供理论依据，为刀具强度和寿命的分析计算提供了一种新方法。本文以外圆奎卫为例 进行的刀具强度数值模拟分析具有一定典型性。该方法还可应用于其它类型的刀具以及主 轴等多种零部件的强度与失效分析。对于受力情况较复杂的分析对象，可采用非线性动态 2 1 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 分析法，以使分析结果更为精确。本文的分析结果表明，a n s y s 有限元数值分析软件可完 成采用传统计算方法难以完成( 或效果不佳) 的强度模拟分析计算工作，因此具有重要的实 用价值。 3 3 本章小结 本章通过p r o f _ , 软件中建立了刀具三维模型，在a n a s y s 中建立了刀具的力学模型， 并且举例对刀具行进了切削时的受力模拟，其中对于刀具切屑时的受力分析与其挠度的影 响为研究的重点，可以通过仿真软件的后处理功能对刀具的状态进行观察分析，并且得到 结果。 江苏大学工程硕士学位论文 第四章工艺分析研究 4 1 切削锥角对刀具切削应力的影响 切削锥角是螺纹梳刀的重要参数，如同丝锥切削锥所起的作用一样，梳刀用的切削锥 切成螺纹的牙型。梳刀切削的起始点一般取在梳刀齿高以下0 2 t m 的位置上。 平梳刀切削锥角k ，按工件螺纹和工件允许的不完整螺纹长度应按标准选取。标准的平 梳刀的切削锥角k ，应为3 0 。如工件的螺纹的螺尾长度无严格控制，切削锥角可以做成 l o 。当加工轴类工件时，切削锥角越薄，工件的螺纹的光洁度越好，梳刀的磨损也就越 小。从标准化考虑，切削锥角丘有1 5 。，2 0 。，3 0 。，4 5 。四种。 梳刀的切削锥上每把齿担负的切削厚度为，有n 1 口。= ! zs i n 墨 ( 4 1 ) 本文中切头的梳刀是6 把，z = 6 ；当螺距p = - s m m 时 = 扣墨 切削锥的长度，为 ，o 7 p c t g k ，= v p ( 4 2 ) ( 4 3 ) 为了获得较为光洁的被加工表面，在切削锥第l 、2 个齿槽上修磨齿形，使其降低， 为其后的校准的预留齿侧的修光余量。在直径上测量的齿形降低值，与一套梳刀中刀切削 锥角墨和梳刀的序号而变。 4 1 1k r = - 1 5 0 时梳刀的受力情况 参数选采用硬质合金车刀在卧式车床上进行车削。工件材料为9 0 k g f m m 2 ( 0 8 8 3 g p a ) 的碳素钢。选取刀具几何参数：刀杆材料：4 5 钢；刀杆几何尺寸：b x h = 5 0 m m x 7 0 m m ，l = 1 5 0 m m 。 刀片材料：y t l 5 ；车刀主要角度：前角为o o ，后角为5 0 ，主偏角为7 0 0 ，刃倾角为0 0 。刀 具材料的机械性能：强度极限= 6 0 0 m p a ；屈服极限吒= 3 5 5 m p a ；弹性模量e = 2 0 6 g p a ； 泊松比舻o 2 7 。切削用量：切削速度v c = 1 8 0 m m i n ，进给量( 或进给速度) f = o 6 m m r ，切 2 3 活动管钳螺纹切头及加工工艺研究 削厚度a 。= 0 2 1 6 r a m 。分析结果如图4 - 1 ，4 - 2 。 图4 1 车刀应力分布示意图 图4 -