機械螺紋類零件的數控機床加工技術探討
2021-2-3 來源： 畢節職業技術學院 作者：余鵬，肖雙平
摘要：現階段，我國科學技術水平的飛速發展，使數控機床成為現代工業生產中的重要機械設備。數控機床在零件生產加工方面具有巨大的技術優越性，現如今，數控機床已經被廣泛應用于建筑、汽車、輪船以及航天等眾多領域，在人類生產生活中的許多方面都經常能夠看到各種數控加工產品。通過數控機床加工技術的應用，能夠實現對機械螺紋類零件的精密化、批量化加工，從而確保零件整體質量得到有效提升，使機械螺紋類零件能夠更加高效地投入各個行業使用中，從而使生產成本得到降低的同時，也能使生產效率大幅提高，并為企業創造更多的經濟效益。鑒于此，本文便對數控機床的主要類型進行分析，并簡要概述其加工技術，分析了數控機床在機械螺紋類零件中的加工技術原理，在此基礎上，深入探討了并機械螺紋類零件的數控機床加工技術，同時，分析了數控機床對機械螺紋類零件的主要加工步驟，以期能夠進一步提高我國對機械螺紋類零件的加工精度，實現工業零件加工技術的優化與創新，并為我國現代工業的高速發展提供一些借鑒和參考。
關鍵詞：機械螺紋；零件；數控機床；加工技術
對于一個國家來說，其綜合國力的高低在很大程度上取決于其制造業水平，而且制造業也是一個國家在航空、航天、生物、醫學、能源、交通等諸多領域得以不斷發展的重要基礎。制造業的飛速發展，對社會生產及人類生活都產生了極為深遠的影響。現階段，信息化時代的來臨，使各種高新技術，如計算機技術、微電子技術、物聯網技術等得以不斷涌現，這些高新技術為制造業的發展帶來了強力的技術支持。例如，CIMS 的產生，便促進了其相關制造技術的革新，從而形成了并行工程、柔性制造、敏捷制造等一系列的全新工業概念。數控機床則是眾多先進制造技術得以實現所不可或缺的基礎設備，對數控機床進行技術創新與優化，也正日益引起人們的廣泛關注。
1、 數控機床的發展現狀及其現實意義
在汽車、電力等現代工業領域中，也已經廣泛應用數控機床，許多高科技產品，如機電一體化產品、數字通訊技術產品等，都離不開數控機床的應用。可以說，數控機床的應用及制造，正對越來越多領域的技術發展產生直接的影響，特別是在我國，越來越多的廠家開始意識到，產品質量是提高企業核心競爭力的根本所在，這也使企業愈發重視通過數控機床加工技術的革新提高產品質量，雖然我國在數控機床技術方面取得了很大的進步，不過，相比國外發達國家的數控機床來說，則還有一些差距。當前，經濟型數控機床在我國仍舊占據著很大比重，在 20 世紀 90 年代，我國才開始對數控機床進行普及應用，而對于高級型數控機床，由于其成本較高，這使其在我國現代工業發展初期并未大量引用，這也導致其在工業生產中所占的比例較小。但是，不斷擴大高級型數控機床卻也已經成為我國現代工業的未來發展趨勢。
用于加工機械螺紋類零件的數控機床屬于一種專用高效的特殊機床，其相比普通的通用機床有著很大區別，這需要該類機床具有較高的切削效率、較高的自動化水平以及極高的加工精度，通過對機械螺紋類零件的數控機床進行加工技術革新與優化，能夠使機械螺紋類零件的生產效率大幅提高，并且也能使現代工業的生產效率得以提高，從而起到一舉多得的作用，因此，對機械螺紋類零件的數控機床加工技術，進行深入的探討與研究是具有重要現實意義的。
2、 數控機床類型及其加工技術概述
全球經濟一體化的不斷推進以及科學技術的飛速發展，使數控機床迅速風靡于全球，并成為現代工業生產中的重要生產技術。現階段，數控機床有著很多種類，如人們熟知的數控沖床、數控車床以及數控銑床等，此外，還包括一系列的柔性制造單元等。對于數控技術來說，其是對數字電子信息技術的更深層次應用，通過數字電子信息技術的應用實現各種零部件的生產。在此過程中，人們需要對數控機床中的相關操作程序進行編程，以此實現對數控機床加工工藝參數、刀具位移量、機床運動等數據的設定，從而確保數控機床能夠按照預先設定的操作程序進行各種類型零部件的加工。在對數控系統的程序進行編寫時，編程人員需要結合零件的具體用途及其幾何形狀，并根據零件的具體用途、加工精度等要求來對相應的加工方法進行確定，以此確保所選的加工路線能夠趨于合理、科學，然后，通過一系列的數學方法對零件樣式進行精確計算，從而實現對刀具運行軌跡數據的可靠獲取。此外，還要對機械螺紋類零件的坐標系及其基準進行確定，使零件得到正確的定位，然后，在數控系統中將編制的操作程序進行輸入，從而使數控系統能夠在設定的操作程序驅動下，實現對機械螺紋類零件的自動化加工。在對機械螺紋類零件進行加工過程中，相比傳統的機床加工技術而言，數控機床加工技術能夠使機械螺紋類零件的生產效率得以極大提高，并使得機械螺紋類零件的加工質量及其精度得到有效提升。由此可見，數控機床加工技術在現代工業生產中具有極大的技術優越性，這也使其能夠為我國現代工業發展打下堅實的基礎，并且能夠更好地迎合現代工業的新時代發展要求。
3、 數控機床對機械螺紋類零件的加工原理分析
在對機械螺紋類零件進行加工時，經常采用數控機床進行零件加工，這是因為數控機床加工技術能夠極大提高機械螺紋類零件的加工精確度，同時，確保零件加工安全，保障零件加工質量，提升螺紋類零件的加工效率，進而更好地推動我國現代工業的發展。現階段，在市面中機械螺紋類零件的螺紋加工類型，主要有內螺紋、單線螺紋、變螺距螺紋、外螺紋、多線螺紋以及固定螺距螺紋等。以往的機床加工技術是根據螺紋線路切割與加工零件的。不過，機械加工則是以車削加工技術為主，通過機械傳動帶來對刀具進行驅動，以此實現零件加工。車床加工方法能夠使零件加工質量有效提高，并使零件加工周期大幅縮短。數控機床在對機械螺紋類零件進行加工時，需要應用坐標式、尺寸測量等技術手段，以此全方位掌握機械螺紋類零件的尺寸及位置，例如，機械螺類零件的點、線、面等方位角度，這些數據都是實現合理編程的重要基礎，由于在對機械螺紋類零件進行數控加工時，需要避免產生較大的誤差累積，為了達到這一目的，往往需要對局部分散標注法中的部分尺寸進行改動。如表 1 所示為螺紋類零件的幾種常用尺寸表。
表 1 螺紋類零件的幾種常用尺寸表
在應用數控技術時，還要確保刀路使用能夠盡量簡潔化，使數控機床能夠有序開展切削程序，考慮到數控機床在對機械螺紋類零件進行加工時應避免產生輪廓誤差。因此，在加工過程中，還應確保零件直線輪廓能夠平行于坐標軸，從而確保機械螺紋類零件得到高精度的加工，需要注意的是，在對機械螺紋類零件中的拐點進行處理時，要確保不會產生直角過渡。此外，還要合理、均勻地去除刀路材料，以減少刀路材料對加工刀具的沖擊，這樣能夠有效提高零件的加工精度。
4 、機械螺紋類零件的數控機床加工技術研究
對于機械螺紋類零件的數控機床加工技術來說，其對零件的內外螺紋加工技術，主要有切削、銑削、磨削、研磨、攻絲、套絲以及滾壓等六種加工技術方法，以下便對這六種加工技術方法進行深入的研究。
4.1 螺紋切削加工技術
其中，切削螺紋通常采用模具或成型刀具來對工件螺紋進行加工，包括車削、攻絲、旋風切削，銑削、套絲、研磨等。在對螺紋進行車削、磨削以及銑削時，工件每轉一轉，需確保機床傳動鏈能夠按照工件軸的方向進行均勻、準確的移動，在進行套絲或攻絲時，需要確保板牙或絲錐能夠相對于工件采取相向旋轉運動。同時，由螺紋溝槽來對刀具進行軸向移動引導。在數控機床對螺紋進行車削時，需要采用螺紋梳刀或成形車刀來實現。在使用成形車刀來對螺紋進行車削時，考慮到刀具在結構上較為簡單，因此，成形車刀非常適合對機械螺紋類零件進行單件加工或小批量的加工。而在應用螺紋梳刀對螺紋進行車削加工時，因其刀具有著較為復雜的結構，但其生產效率卻極高，因此，該刀具非常適用于對短螺紋工件進行一般批量或大批量的生產與加工。通常而言，普通的數控車床對機械螺紋零件的車削螺距精度可在 8 ～ 9 級。而對于專業高效的特殊類數控機床來說，其對螺紋的加工精度以及生產效率都能夠得到顯著提高。
4.2 螺紋銑削加工技術
螺紋銑削加工技術主要是采用梳形銑刀或盤形銑刀來實現機械螺紋類零件加工的，其中，盤形銑刀是通過蝸桿、銑削絲桿來對工件的梯形外螺紋進行銑削加工的，而梳形銑刀則能夠對錐螺紋、外普通螺紋以及內普通螺紋進行銑削，考慮到梳形銑刀是利用多刃銑刀來加工零件的。因此，相比盤形銑刀來說，該類型銑刀具有更大的螺紋加工長度。所以，對于機械螺紋類零件來說，應用梳形銑刀的數控機床只需按照 1.25 ～ 1.5 轉進行旋轉加工，即可獲得較高的零件加工效率。通常來說，螺紋銑削加工技術的螺距精度上能夠達到8 ～ 9 級，而其表面粗糙度則能夠達到 R5 ～ 0.63 微米，該加工技術能夠對精度要求不高的機械螺紋零件進行螺紋加工或磨削前的批量化粗加工。如圖 1 所示為盤形銑刀與梳形銑刀的銑削加工工藝技術。
圖 1 盤形銑刀與梳形銑刀的銑削加工工藝技術
4.3 螺紋磨削加工技術
還有一種是螺紋磨削加工技術，該技術是通過螺紋磨床對淬硬工件進行高精密度螺紋加工的技術手段。根據不同的砂輪截面形狀，可將螺紋磨削劃分成單線與多線兩種磨削加工技術。其中，單線磨削是采用單線砂輪進行零件加工的，其加工螺旋的精度能夠達到 5 ～ 6 級，而其表面粗糙度則能夠達到 1.25 ～ 0.08 微米。通過單線砂輪能夠使零件的修整更加方便，該技術非常適合對精密絲桿、蝸桿、螺紋量規等機械零紋零件實施小批量的磨削加工，技術優勢較為明顯。 而對于多線磨削，則是通過多線砂輪進行螺紋磨削加工的，該加工技術可以劃分成切入磨法和分縱磨法工藝。分縱磨法所采用的砂輪寬度要比被磨螺紋的長度小，砂輪在進行單次或多次縱向移動過程中，其移動行程便相當于螺紋的最終磨削尺寸。而在切入磨法工藝中，采用的砂輪寬度則要比被磨螺紋長度大，多線砂輪在進行工件加工時，需要徑向切入工件的表面，將工件旋轉 1.25 圈左右，便可達到磨削目的，因此，該工藝具有較高的生產效率。不過，多線磨削工藝的加工精度較低，而且對工件進行砂輪修整也較為麻煩，切入磨法所采用的多線砂輪適合對緊固用途的標準螺紋、絲錐研磨進行大批量的磨削加工。
4.4 螺紋研磨加工技術
對于螺紋研磨加工技術來說，是通過鑄鐵等較軟材質對螺桿型或螺母型的螺紋加工模具進行制作，針對工件中產生螺距誤差的螺紋部位實施正向和反向的旋轉研磨，以此確保螺距精度提高，一般來說，螺紋研磨加工技術還可以對淬硬的內螺紋進行加工，以此在降低螺距誤差的同時，還能提高研磨精度的。
4.5 攻絲、套絲螺紋加工技術
在攻絲、套絲螺紋加工技術中，數控機床會通過自動旋轉絲錐向工件施加一定的扭矩，以此使工件被加工出相應的內螺紋，而套絲則是數控機床通過板牙來對工件的外螺紋行切出。在該加工技術中，數控機床采用的板牙及絲錐精度會在很大程度上影響工件螺紋的加工精度，當然，除了可以通過鉆床、車床等數控機床來進行螺紋加工以外，還可以用套絲機或手工的方式來對工件的螺紋進行加工。如圖 2 所示為數控機床中的絲錐攻絲加工技術。
圖 2 絲錐攻絲加工技術
4.6 螺紋滾壓加工技術
螺紋滾壓加工技術是通過成型滾壓模具對工件進行加工，以使工件在加工過程中產生塑性變形，從而達到螺紋加工目的。數控機床在應用攻絲、套絲來對零件進行螺紋加工時，往往要在機床上安裝自動開合螺紋滾壓頭，并配備搓絲機與滾絲機，該加工技術適合對標準緊固件、螺紋連接件中的外螺紋進行大批量加工，滾壓螺紋的外徑通常需要控制在 25 毫米以內，而其螺紋長度則不應超過 100 毫米。該加工技術所加工的螺紋精度能夠達到二級，全部批件直徑相當于被加工螺紋中徑。僅僅采用滾壓模具通常是無法對內螺紋進行加工的，不過，如果工件的材質較軟，則可以通過無槽擠壓絲錐對內螺紋進行冷擠，這種加工原理和攻絲是比較類似的。再通過無槽擠壓絲錐對內螺紋進行冷擠時，其扭矩要大于攻絲的一倍左右，但在表面加工質量及精度上，也要略高于攻絲。螺紋滾壓加工技術具有以下優越性：其一，相比車削、磨削以及銑削等螺紋加工技術來說，具有更小的表面粗糙度；其二，在對螺紋進行滾壓加工后，其表面由于冷作硬化，因此，能夠使加工硬度及強度提高；其三，螺紋滾壓能夠對材料進行更加充分的利用，不過，其生產率相比切削加工來說要更長，但是，也更易于通過數控機床實現螺紋的自動化加工；其四，螺紋滾壓所采用的滾壓模具具有較高的使用壽命，不過，需要確保機床加工的零件材料硬度不能超過 HRC40。當然，螺紋滾壓加工技術需要確保毛坯尺寸精度較高，并且在滾壓模具硬度及精度上也有著很高的要求，因此，對滾壓模具進行制造是較為困難的，該加工工藝無法對牙形不對稱螺紋進行加工。根據數控機床中不同的滾壓模具，可將螺紋滾壓劃分成滾絲與搓絲兩種，其中，搓絲是將有螺紋牙形的兩塊搓絲板按照 1/2 的螺距來進行錯開布置，并確保靜板處于固定狀態，而動板則相對于靜板來進行平行、往復的直線運動。如果工件處于兩板之間，則由動感進行前進搓壓，以確保工件表面能夠產生塑性變形，以此形成相應的螺紋。滾絲則可采用滾壓頭滾絲、切向滾絲以及徑向滾絲，其中徑向滾絲的數量為2 ～ 3 個，這些滾絲輪具有螺紋牙形，需要將其安裝于平行軸上，而工件則處于兩輪間支承位置。在應用數控機床進行加工時，兩個滾絲輪會沿著同一方向以相同的速度進行旋轉，其中，一個滾絲輪還會進行徑向進給運動，而工件則能夠在滾絲輪帶動下進行旋轉。這時，工件的表面便會受到徑壓作用而形成螺紋。如果在加工絲桿時對精度沒有較高的要求，也可通過類似的方法來進行滾壓成型。如圖 3 所示為數控機床對零件的徑向滾絲加工工藝。
圖 3 徑向滾絲加工工藝
切向滾絲又叫做行星式滾絲，其滾壓工具的主要構成包括三塊固定弧形絲板以及一個旋轉的中央滾絲輪，在進行滾絲加工時，需要確保工件能夠被不間斷地送進，這使其相比于徑向滾絲以及搓絲來說，要具有更高的生產率。滾壓頭滾絲則需要利用數控機床來進行自動化的自螺紋加工，其通常能夠對工件中的短螺紋進行加工。在工件外周滾絲輪中，均勻分布著 3 ～ 4 個滾壓頭，再進行滾壓過程中，工件會在滾壓輪的驅動下進行旋轉，而滾壓頭則會徑向給進，以使工件被滾壓出相應的螺紋。如圖 4 為切向滾絲加工工藝。
圖 4 切向滾絲加工工藝
5 、數控機床對機械螺紋類零件的加工步驟分析
數控機床對機械螺紋類零件的加工步驟如下：其一，在機械螺紋類零件的圖紙設計完畢，還需要確保程序編寫、工件選擇以及刀具的選擇能夠合理；其二，操作人員需要通過數控機床對機械螺紋類零件進行加工，在此過程中，需要結合工件的設計圖紙要求進行加工，不過，要確保設計圖紙能夠對機械螺紋類零件的各個尺寸及精度進行詳細標明，這樣才能確保選擇的加工方法合理，從而不會影響零件的加工精度；其三，在對機械螺紋類零件進行加工之前，還需要確保數控機床的編程能夠提前預留出足夠的余量，以確保機械螺紋類零件在按照編寫的程序進行加工時，能夠實現對機械間隙的靈活補償，此外，還要盡量保證一次裝夾便可使端面得以順利加工；其四，在加工機械螺紋類零件過程中，加工人員還要確保計算機加工程序能夠得到合理的編寫與完善，通過自動化編程實現自動化、數控化加工，計算機具有強大的識圖、計算功能，這使其能夠對編程的準確性進行有效改進，從而防止在加工時產生各種錯誤，并且還能確保機械螺紋類零件在加工時的精度得到保證。加工人員在利用數控機床進行機械螺紋類零件加工時，要對零件加工所涉及的工藝及其圖樣行深入、細致的研究，選擇最合理的數控加工技術，并確保零件的加工效率得到最大化提高。依據設計圖紙中的要求，對走刀路線進行預先設計與完善，確保走刀路線能夠在設計圖紙中得到有效落實，并使編程步驟得到簡化。在通過數控機床對機械螺紋零件進行加工的過程中，加工人員還要對數控系統的操作流程、系統結構、系統不足等進行全面的了解，以此避免在使用數控機床進行加工時發生誤操作，并在確保工件加工質量得到可靠保證的同時，使機械螺紋類零件的加工效率得以不斷提高。
6 、 結語
總而言之，隨著全球經濟一體化的不斷推進，各國在經濟、技術等方面的交流變得日益密切，這也使越來越多的新技術、新工藝、新設備得以不斷涌現，在此過程中，數控機床加工技術在機械螺紋類零件加工生產中的技術優越性也變得愈發明顯，隨著數控機床加工技術的發展與進步，其必將使機械螺紋類零件的加工效率及加工質量得到進一步提高。可以說，數控機床在現代工業中的應用，不僅使產品的綜合性能大幅提高，也使螺紋零件的生產與制作變得更加細致，有效優化了現代工業的生產程序，相信在不久的將來，我國現代工業的發展必將更加依賴于數控機床，而數控機床也將促使我國現代工業迎來更加美好的明天。
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