鉆孔和攻絲一次成形的加工方法及設備研究

祁孔忠

摘要：現(xiàn)階段，我國機械制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入到快速發(fā)展時期，同時也取得了很大的進步，針對當前實際情況，鉆孔和攻絲一次成形的加工方法還需要進一步優(yōu)化，相關(guān)設備生產(chǎn)效率有待提高，整體上與西方國家還存在一定差距，因此需要相關(guān)研發(fā)人員加大對這方面的研發(fā)力度，從而提升我國機械生產(chǎn)水平和生產(chǎn)效率。為此本文首先分析鉆孔和攻絲一次成形的加工順序，然后提出研發(fā)新型復合刀具，最后提出數(shù)控機床控制系統(tǒng)的設計，通過新型加工方法減少螺紋加工工序，提升加工效率，減少成本支出，以供參考。

關(guān)鍵詞：鉆孔;攻絲;一次成形;加工方法;設備

0 ?引言

現(xiàn)階段，我國社會經(jīng)濟及科學技術(shù)水平發(fā)展迅速，國際綜合競爭實力日益提升。高新裝備技術(shù)逐步發(fā)展，但在機械加工方面的水平還有待完善。雖然我國近幾年對數(shù)控加工方面的技術(shù)給予了高度重視，同時也加大研發(fā)力度，但與西方國家相比還是存在一定的差距，因此需要相關(guān)科研工作人員加大力度提高機械加工水平，縮小我國與西方發(fā)達國家在數(shù)控加工技術(shù)方面存在的差距，提升我國綜合實力。

1 ?鉆孔和攻絲一次成形的加工順序

1.1 解決刀具問題

鉆孔和攻絲一次成形的加工順序，第一步就在于刀具。加工所使用的刀具簡單來講就是需要制作出一種前部分為鉆頭，后部分為絲錐的復合刀具。就鉆頭和絲錐兩者的不同之處來講，不僅僅在于切削、受力、排屑數(shù)量存在不同，而且在冷卻速度、冷卻方法上也存在一定的差異。針對這兩種刀具復合體能否成功應用于實踐中還需要進一步研究。

1.2 形成標準螺紋

解決鉆孔和攻絲一次成形的第二步工序就是形成標準螺紋，主要目的在于促使刀具旋轉(zhuǎn)速度與移動速度兩者相配合，也就是在設計標準螺紋時，應嚴格保證刀具切削與進給兩者在速度上達成足夠精準的比例。例如在進行垂直方向的M10*1.5螺紋孔加工過程中，應該保證主軸帶動刀具處于勻速旋轉(zhuǎn)一周，同時還能夠保證刀具勻速下降1.5mm，這種加工工序與車床加工螺紋的方式基本相同。這種攻絲方式利用刀刃切削的方式將底孔壁金屬部分切削去除，從而形成一種標準螺紋，這樣一個固定化的螺距也因此而加工成型。但是利用復合刀具進行標準螺紋加工時，采用上述螺紋加工方式卻無法獲得一個標準螺紋，主要因為在使用鉆頭進行切削工作時，要求鉆頭與固定刀具處于軸向狀態(tài)，這樣才能保證鉆頭具備足夠的切削力矩完成底孔部分的加工，但是在進行螺紋部分的加工時卻無法保證刀具處于自由軸向移動狀態(tài)。除上述方式之外，也可以通過設計新的機構(gòu)方式，來滿足兩道工序?qū)Φ毒咻S向固定方面的相關(guān)要求，但是這種加工方式無法掌控好過度時間以及加工力度，導致最終生產(chǎn)出來的螺紋質(zhì)量較差，嚴重情況下很有可能會形成一種“亂絲扣”。

1.3 研發(fā)新型刀具

為有效解決鉆孔和攻絲兩者在加工過程中一次成形的問題，需要研發(fā)出一種新型刀具，并根據(jù)加工工藝構(gòu)建一套相應的硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)，這樣做的目的在于更嚴謹?shù)拇_保在進行螺紋切削過程中，刀具旋轉(zhuǎn)與刀具下降兩者速度處于匹配狀態(tài)。通過上述優(yōu)化改進，復合刀具與數(shù)控機床、控制系統(tǒng)之間相配合，更好的實現(xiàn)鉆孔和攻絲的一次成形，同時還能夠進一步提升機床中鉆孔、攻絲在加工方面的工作效率[1]。

2 ?鉆孔和攻絲一次形成所需刀具的研制

2.1 鉆頭

在進行新型復合刀具設計時，其刀具前部分為鉆頭，后部分是一種絲錐狀，后部分的絲錐僅有一個螺距，這樣設計的原因是為了配合鉆孔的實際需要，刀具在處于軸向狀態(tài)時需要采取措施將其加緊固定，這種情況下只能通過計算機控制的方式來確保螺紋的精準度，對于中間過度部分主要采取平滑的方式進行過度，這樣螺尖部分也就逐漸形成。

在進行鉆頭加工過程中，因鉆頭位置切削時產(chǎn)生的金屬比較多，同時排屑量也比較大，隨之帶來的熱量也非常多，因此鉆頭位置的排屑槽情況較深而且都是螺旋狀，設計深槽的主要目的在于降低刀具橫向面積，從而減少刀具需要承受的切削力矩的能力。一般來講，鉆頭位置的排屑槽數(shù)量是兩個，從而組成一種類似“麻花”鉆的形狀。

2.2 絲錐

當前使用比較普遍的絲錐形式為三條直槽，這種形式與需要進行金屬切削的方式以及切削數(shù)量存在一定的關(guān)聯(lián)性，三條直槽在實際切削過程中，其刃部位置要與被切削的金屬兩者處于垂直狀態(tài)，這樣才能更好的完成進刀。但是這種切削方式對于排屑上不占據(jù)優(yōu)勢，這主要是受到重力的作用，使金屬屑不能通過垂直上升的方式排出孔外。于是在進行實際加工時，金屬屑就只能留在直槽中無法取出，同時這對絲錐冷卻也存在不利影響，直槽在使用過程中會在一定程度上減少圓柱體承受扭矩上的能力。在進行攻絲過程中，使用小型號絲錐（一般小于M5）很容易出現(xiàn)斷錐情況，基于以上分析，就算是一種比較粗直徑的絲錐，也應該采取逐步下移的方式，從而提升其排屑方面的能力，有效減少因出現(xiàn)斷錐情況帶來的危險[2]。

關(guān)于絲錐排屑槽可以采用螺旋狀，通過螺旋狀槽進行加工的優(yōu)勢在于：一方面更方便排屑以及散熱;另一方面有利于提升絲錐在扭矩方面的承載能力。為有效證明螺旋槽與三條直槽在承受扭矩方面存在的差別，本文利用有限元軟件AN SYS對三條直槽絲錐的承載能力以及螺旋槽的承載能力進行分別計算，從整體上來看，以上兩種絲錐槽的截面形狀是相同的，但因兩者在應力流流向趨勢存在差別;因此，這也就使得兩者的承載能力也存在一定的差別，根據(jù)相關(guān)實踐以及計算分析表明，兩種結(jié)構(gòu)形式的絲錐槽型號相同，但直槽形絲錐與螺旋槽絲錐相比，要低于5%以上的承載能力。

綜上所述，在進行復合刀具的鉆頭以及絲錐兩部分的設計時，全部采用三槽螺旋槽形狀進行設計，一方面能夠進一步提升排屑槽的排屑能力和排屑強度;另一方面方便進行刀具制作。在進行復合刀具鉆頭部分的設計時，可采用三槽的方式將其形成三個切削刃口，相比較于二刃口的“麻花鉆”而言對中性更好，另外三槽與“麻花槽”兩者在槽深上，前者明顯低于后者25%以上，另外在開槽方面刀具在抗扭能力上也低于“麻花鉆”產(chǎn)生的影響，簡單來講就是抗扭強度高于麻花鉆[3]。

3 ?設計數(shù)控機床控制系統(tǒng)

3.1 數(shù)控機床特征

其一，在加工能力方面，通過數(shù)控機床能夠進行形狀比較復雜的零件加工，例如在飛機、汽車、船舶等領(lǐng)域的制造部門具有重要性生產(chǎn)地位，加工質(zhì)量對整個機器產(chǎn)品的性能帶來直接性影響。數(shù)控機床在加工過程中，可以實現(xiàn)任意可控，能夠完成以往采用普通加工方式無法完成或具有困難、復雜性的零件進行加工[4]。

其二，加工出來的產(chǎn)品對質(zhì)量要求比較高。從整體上來講，利用數(shù)控機床進行產(chǎn)品加工，其加工原理在于通過CNC編程程序進行控制來實現(xiàn)機床自動加工，與人工加工相比較，有效降低因人為因素造成的誤差，同時出現(xiàn)的加工誤差情況也可以通過數(shù)控系統(tǒng)，運用軟件技術(shù)的方式進行相應的校正和補償處理?；谝陨献阋宰C明，采用數(shù)控機床進行產(chǎn)品加工能夠切實提升產(chǎn)品的精確度以及加工質(zhì)量。

其三，使用數(shù)控加工與普通機床加工兩者相比較之下，采用數(shù)控加工能夠提升生產(chǎn)效率為2倍到3倍以上，在進行比較復雜性的零件加工時，數(shù)控加工的生產(chǎn)效率可提升至十幾倍以上，尤其是在進行五面體加工中心以及柔性單元方面的產(chǎn)品時，完成一次零件裝夾就幾乎等于是完成所有部分的加工;采用數(shù)控加工，一方面能夠降低因裝夾而出現(xiàn)的定位誤差問題發(fā)生;另一方面切實降低產(chǎn)品加工過程中輔助性的加工內(nèi)容，進一步提升產(chǎn)品加工效率[5]。

其四，對于各零件加工，只需要將零件加工程序改變一下即可使用，而且在使用過程中基本上不需要專門制造與零件相應的工裝夾具，同時還能有效縮短產(chǎn)品的研制周期與生產(chǎn)周期，可適用于更多類型的品種、各種中小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的需要。

3.2 分析數(shù)控機床控制系統(tǒng)

通過一臺低擋數(shù)控鉆銑床，將其中的刀具逐漸向下移動，由原本的步進電機帶動其中的滾珠絲杠驅(qū)動，其中機床的主軸電機采用的是雙速電機，可以適用于鉆孔、攻絲在運轉(zhuǎn)速度方面的實際需求，一般情況下，高速比較適用于鉆孔，低速適用于攻絲，另外在機床主軸部分安裝同軸光電編碼傳感器，主要用于測量刀具運轉(zhuǎn)速度。在進行攻絲過程中，計算機系統(tǒng)受到光電編碼脈沖傳送的信息，從中得出刀具下移速度，并將數(shù)據(jù)換算為步進電機脈沖當量，這時候計算機就會根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)出脈沖數(shù)，利用脈沖放大器將數(shù)據(jù)傳送給步進電機，步進電機就會根據(jù)脈沖數(shù)同時完成螺紋切削這一工序。例如采用控制核心為單片微處理器89C52，其中P1負責接收光電編碼器傳送來的信號，通過定時中斷，促使P0口輸出與刀具旋轉(zhuǎn)速度兩者相匹配，同時使用具有改寫功能的存儲芯片將其中的螺紋參數(shù)記錄下來，這樣做的目的在于促使機床能夠進行多種類型螺紋加工。

4 ?總結(jié)

綜上所述，本文首先從解決刀具問題、形成標準螺紋、研發(fā)新型刀具三個角度提出鉆孔和攻絲一次成形的加工順序;然后從鉆頭、絲錐兩個角度提出鉆孔和攻絲一次形成所需刀具的研制;最后從數(shù)控機床特征、分析數(shù)控機床控制系統(tǒng)兩方面分析數(shù)控機床控制系統(tǒng)的設計，旨在以此文能夠為相關(guān)人士提供參考，進一步提升產(chǎn)品加工成效以及產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻：

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[3]陳永亮，彭濤，劉德帥，王志江.面向現(xiàn)場加工的全液壓驅(qū)動主軸水下鉆孔特性建模與優(yōu)化方法[J].中國機械工程，2018，29（04）：471-476.

[4]教傳艷，吳敬.車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設計[J].金屬加工（冷加工），2017（10）：42-43.

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