螺纹滚压工艺原理分析及方法改进

精密制造与自动化 2014年第1期 58 螺纹滚压工艺原理分析及方法改进 郑向周 (运城职业技术学院机电工程系 山西运城 044000) 摘 要 针对企业在大批量生产六角头螺栓、双头螺柱等带有螺纹的零件时，使用滚丝机进行滚压加工能加大生 产效率。介绍了螺纹滚压工艺原理、螺纹的啮合条件和运动过程，分析了滚压操作要领和产生故障的原因。经过 多次试验得出，各种材料在滚压前应加工的中径尺寸以及滚压过程中易出现的问题及处理方法，为实际生产提供 参考依据。 关键词 螺纹滚压工艺 故障排除 原理分析 中径尺寸 螺纹加工有车螺纹、铣螺纹、滚压螺纹、攻 丝、套螺纹等各种工艺方法。车螺纹、攻丝、套 螺纹等工艺方法一般都是借用车床等其它非螺纹 类机床进行加工，效率不高，但对操作者的技能 要求却很高，不利于大批量生产。用滚丝机进行 螺纹滚压生产的工序操作简单、生产率高、加工 范围广，滚压后材质纤维不被切断，螺纹成形质 量高，刀具使用寿命长 1，故在成批量加工各种 外螺纹中得到广泛使用。 外螺纹滚压产业在国民经 济中有着重要的地位 2，有必要对其原理过程及改 进方法进行详细分析。 1 螺纹滚压的基本原理及操作要领 1.1 螺纹滚压的基本原理 1 螺纹滚压的基本原理及操作要领 1.1 螺纹滚压的基本原理 要滚压出合格的螺纹工件，一台无病的螺纹滚 丝机是必不可少的。国内已有不少专门生产螺纹 滚丝机的厂家，也有自行设计制造螺纹滚丝机的 单位。滚丝机工作的基本原理是通过液压力推动两 个标准滚丝轮对工件进行加工。 如图1所示， 滚丝轮 同时做旋转运动和挤压进给运动，从而在工件上挤 压出标准的螺纹来。 图图1 螺纹滚压原理示意图 螺纹滚压原理示意图 滚丝轮是易消耗品，有专门的生产厂家进行生 产，已形成标准化系列，有良好的互换性。支撑工 件的支撑板也是消耗品，一般需要生产企业自行配 备。为了不划伤工件，支撑板一般采用材质较软的 铜质材料，并根据机床结构对支撑板的尺寸进行设 计计算。 图1中， 工件与滚丝轮轴线水平对齐， 从图中可 以看出： hH 2 D L ， 其中， H为滚丝轮轴线到工作台距离； D为工件外径； L为固定座高度；h为支撑板高度。支撑板的宽度以 不干涉滚丝轮并能支撑起螺纹即可，宽度在一定范 围内可以进行适当调节。 1.2 滚压操作要领 1.2 滚压操作要领 (1)滚压前调整滚丝轮的轴向距离， 使两个滚丝 轮轴向偏移12螺距。实际操作时先在工件表面轻 轻滚压出一道印痕，检查左右两个滚丝轮滚压出的 印痕是否重合。若不重合，则需调整滚丝轮的轴向 距离至印痕重合可以进行螺纹滚压为止。 (2)调节滚丝轮中心距离，使工件挤压合适至 能够滚压出合格的螺纹。挤压不能太轻也不能太 重，两轮中心距离到达预定尺寸后，动轮停止进 给运动，继续滚转几周对螺纹廓形进行修正后退 出 3。试加工时需用螺纹环规检查螺纹质量是否合 格，定好滚压行程后即可进行滚压。在滚压过程中 需对每一个螺纹进行检验。 2 螺纹滚压过程中经常遇到的故障与排除方法 2 螺纹滚压过程中经常遇到的故障与排除方法 要滚压出合格的螺纹，除了要有合适的螺纹 H D 支撑板 固定座 工件 滚丝轮 h L 郑向周 螺纹滚压工艺原理分析及方法改进 59 中径尺寸外，滚压过程中常见的故障问题及解决 办法见表1。 表表1 螺纹滚压过程故障类别及排除办法 螺纹滚压过程故障类别及排除办法 故障类别 产主原因 排除方法 中径尺寸小而外径大 滚压时间过长，压力高， 活动主轴位置调整太近 增大滚丝轮径向距 离，减小滚压时间 中径尺寸大而外径小 滚压时间短，压力低， 活动主轴位置调整太远 减小滚丝轮径向距 离，增加滚压时间 中径尺寸合格， 外径过小 滚压前中径尺寸过小 测量中径尺寸是否 合格 中径尺寸合格， 外径过大 滚压前中径尺寸过大 测量中径尺寸是否 合格 工件发生轴向移动 工件的中径尺寸不正确 检查滚丝轮与所加 工工件是否匹配 工件螺峰被挫钝 支承块偏低 支承块粗糙度大 调整支承块高度 检 查支承平面粗糙度 工件螺纹乱扣 主轴轴向发生较大移动 中径尺寸不对 检查滚丝轮是否固定 好 检查滚丝轮与所加 工工件是否匹配 工件滚压中途跳出 支承块偏高 两滚丝轮直 径不同 调整支承块高度 检查滚丝轮外径 滚压时产生细屑或鳞片 牙位调整不好 滚压时间太长 调整滚丝轮轴向距 离 调整滚压时间 滚压时工件过热 主轴转速过高， 进给速度 太快滚压压力过大 调整滚丝轮转速和 进给速度，调整滚压 时间 从表1中可见， 大部分故障都与螺纹滚压前的中 径尺寸有关。另外滚压时滚丝轮的径向距离、滚丝 轮的滚压力、进给速度、转动速度、滚压时间的长 短、 工件支撑高度等都可能影响滚压后的螺纹质量。 3 螺纹滚压故障原因分析3 螺纹滚压故障原因分析 3.1 螺纹的导程、螺距、头数与升角关系3.1 螺纹的导程、螺距、头数与升角关系 为分析螺纹滚压成型原理，图2所示给出螺纹的 导程、螺距、升角和头数关系及示意图。 图图2 螺纹导程、头数、螺距、升角关系图 螺纹导程、头数、螺距、升角关系图 图2中，螺纹沿中径圆展开后有： tan= D S (1) 式(1)中，D为螺纹中径，mm；P为螺距，mm； S 为导程，mm；为螺纹升角，()。 若螺纹线数为 1，则螺距 P=S；若螺纹线数为 Z，则有： S=ZP (2) 3.2 滚丝轮与螺纹啮合过程分析 3.2 滚丝轮与螺纹啮合过程分析 滚丝轮与工件螺纹相啮的条件如下： (1)滚丝轮螺纹内凹牙型与工件螺纹牙型一致； (2)滚丝轮与工件螺纹螺距相等， 螺纹升角相 等，但因外啮合旋向相反； (3)滚丝轮与工件啮合中径处的运动线速度 相等； (4)滚丝轮与工件螺纹头数不相等。 设滚丝轮转速为N1，r/s；中径为D1，螺纹线数 Z1，螺距P；设工件转速为N2，r/s；中径为D2，螺 纹线数为Z2，螺距为P。 转动时在啮合中径处线速度相等，则有： N1D1=N2D2 从而得到： 2 1 N N = 1 2 D D (3) 可以看出， 滚丝轮与工件转速之比与其中径成反比。 由式(1)、式(2)得：tan1 1 1 D PZ ， tan2 2 2 D PZ 啮合时滚丝轮与工件螺纹升角相等，从而有tan1 tg2 ，得到： 1 1 D Z = 2 2 D Z (4) 所以在理论上，只要所滚压螺纹外径和头数之 比与滚丝轮外径和头数之比相等，并且满足上述啮 合条件，同一副滚丝轮就可以滚压不同外径螺纹的 工件。在实际生产中受螺纹大小及滚丝轮型号的限 制，一副滚丝轮只固定滚压一种螺纹。滚丝轮的制 作尺寸一般与相应需要滚压的螺纹外径匹配，比如 滚压直径尺寸较小的螺纹就没有必要制作外径很大 的滚丝轮。 a）单头螺纹 b）双头螺纹 S=P P S=2P 精密制造与自动化 2014年第1期 60 3.3 运动过程分析3.3 运动过程分析 在工作过程中，工件和滚丝轮啮合在一起，以 相反方向转动。 分析滚丝轮和工件的运动过程如下： (1)假定工件不转动， 轴向不固定， 滚丝轮的轴 向固定，在时间t(s)内由导程定义，工件将沿滚丝 轮轴向的爬升距离为： L1N1S1tN1Z1Pt(mm)； (2)实际上，工件转速为N2，在时间t内工件沿 滚丝轮轴向与上述移动相反方向爬升距离为： L2N2S2tN2Z2Pt(mm)； 所以 2 1 L L = 22 11 ZN ZN ， 由式(3)和(4)可以得到 N1Z1= N2Z2 ，得出 L1=L2 。 只要工件原始中径尺寸合适，且符合正确啮合 条件时，在螺纹滚压过程中工件是不会发生轴向位 移的。当一副滚丝轮制作好之后，其外径尺寸与其 螺纹头数之比是固定的，所以要滚压的螺纹工件的 外径尺寸也是固定的。如果用滚丝轮滚压原始外径 错误的工件，在强行滚压时将会发生工件轴向窜动 和乱扣等现象。 4 滚压前螺纹中径的车削尺寸4 滚压前螺纹中径的车削尺寸 在滚丝轮牙型的作用下，滚丝轮滚压外螺纹 时，螺纹会发生塑性变形，所以滚压前的光杆尺寸 即为螺纹中径小于成形后螺纹的外径尺寸。以60 普通螺纹牙型为例，根据螺纹牙型结构即可计算 出螺纹滚压前的中径尺寸。在实际生产中这样的中 径尺寸并不能滚压出合格的螺纹。 根据以上的分析， 如果中径尺寸不合适，就会引起滚压故障，导致滚 压出来的螺纹不合格。根据工件材质的不同，大批 量车制时应先做一下试验，确定合适的尺寸后再进 (上接第 57 页) 之后，解决了测量难题，达到了图纸的要求，受到 了客户的好评。 图图 6 联轴器类零件测量图联轴器类零件测量图 行生产。一般实际尺寸要比理论中径尺寸小0.02 0.1 mm不等，所要滚压的螺纹尺寸越大，相应的中 径尺寸应该小一点。 以下是在长期实践过程中总结出的部分材质螺 纹滚压前中径尺寸的应给公差，列表如下： 表表2 部分材质滚压前应车螺纹中径值部分材质滚压前应车螺纹中径值 材质 螺纹规格中径尺寸/mm 上差/mm 下差/mm 35CrMo M6 5.35 0.04 0.08 GW136 M8 7.188 0.03 0.06 45 M10 9.026 0.04 0.08 冷拉钢20 M16- 14.701 0.04 0.08 锻钢42CrMoM20 18.376 0.06 0.1 冷拉钢20 M24- 22.501 0.06 0.1 锻钢45 M30 27.727 0.06 0.1 35CrMo M30 27.727 0.08 0.12 GW136 M33 30.727 0.08 0.12 5 结语5 结语 螺纹滚丝机按型号不同，可滚压最大直径达 100 mm、螺距最大为8 mm的不同螺纹，是螺栓类 零件加工的关键性环节。实践证明，生产车间只 要按以上正确的理论方法操作， 再配以车床、 铣床、 钻攻床等设备，就能够充分发挥螺纹滚丝机的作 用，完成大批量螺栓、螺柱等零件的加工任务。 参考文献 1 陆建中,孙家宁.金属切削原理与刀具M.北京:机械 工业出版社,1993. 2 北京中经纵横经济研究院.中国外螺纹滚压产业发展 趋势及投资前景研究R.北京:北京中经纵横经济研 究院,2009. 3 王启仲.金属切削原理与刀具M.北京:机械工业出 版社,2008. 5 结语 5 结语 可调带表式点接触浅孔测量卡规在实践中的成 功应用，有效地解决了浅孔测量中出现的问题，取 得了良好的效果。卡规操作很方便，测量零件内孔 的尺寸精度可控制