鄭向周

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螺紋滾壓工藝原理分析及方法改進

鄭向周

(運城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系 山西運城 044000)

針對企業(yè)在大批量生產(chǎn)六角頭螺栓、雙頭螺柱等帶有螺紋的零件時，使用滾絲機進行滾壓加工能加大生產(chǎn)效率。介紹了螺紋滾壓工藝原理、螺紋的嚙合條件和運動過程，分析了滾壓操作要領(lǐng)和產(chǎn)生故障的原因。經(jīng)過多次試驗得出，各種材料在滾壓前應(yīng)加工的中徑尺寸以及滾壓過程中易出現(xiàn)的問題及處理方法，為實際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

螺紋滾壓工藝 故障排除 原理分析 中徑尺寸

螺紋加工有車螺紋、銑螺紋、滾壓螺紋、攻絲、套螺紋等各種工藝方法。車螺紋、攻絲、套螺紋等工藝方法一般都是借用車床等其它非螺紋類機床進行加工，效率不高，但對操作者的技能要求卻很高，不利于大批量生產(chǎn)。用滾絲機進行螺紋滾壓生產(chǎn)的工序操作簡單、生產(chǎn)率高、加工范圍廣，滾壓后材質(zhì)纖維不被切斷，螺紋成形質(zhì)量高，刀具使用壽命長[1]，故在成批量加工各種外螺紋中得到廣泛使用。外螺紋滾壓產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中有著重要的地位[2]，有必要對其原理過程及改進方法進行詳細(xì)分析。

1 螺紋滾壓的基本原理及操作要領(lǐng)

1.1 螺紋滾壓的基本原理

要滾壓出合格的螺紋工件，一臺無病的螺紋滾絲機是必不可少的。國內(nèi)已有不少專門生產(chǎn)螺紋滾絲機的廠家，也有自行設(shè)計制造螺紋滾絲機的單位。滾絲機工作的基本原理是通過液壓力推動兩個標(biāo)準(zhǔn)滾絲輪對工件進行加工。如圖1所示，滾絲輪同時做旋轉(zhuǎn)運動和擠壓進給運動，從而在工件上擠壓出標(biāo)準(zhǔn)的螺紋來。

圖1 螺紋滾壓原理示意圖

滾絲輪是易消耗品，有專門的生產(chǎn)廠家進行生產(chǎn)，已形成標(biāo)準(zhǔn)化系列，有良好的互換性。支撐工件的支撐板也是消耗品，一般需要生產(chǎn)企業(yè)自行配備。為了不劃傷工件，支撐板一般采用材質(zhì)較軟的銅質(zhì)材料，并根據(jù)機床結(jié)構(gòu)對支撐板的尺寸進行設(shè)計計算。

圖1中，工件與滾絲輪軸線水平對齊，從圖中可以看出：＝－－，

其中，為滾絲輪軸線到工作臺距離；為工件外徑；為固定座高度；為支撐板高度。支撐板的寬度以不干涉滾絲輪并能支撐起螺紋即可，寬度在一定范圍內(nèi)可以進行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

1.2 滾壓操作要領(lǐng)

(1)滾壓前調(diào)整滾絲輪的軸向距離，使兩個滾絲輪軸向偏移1／2螺距。實際操作時先在工件表面輕輕滾壓出一道印痕，檢查左右兩個滾絲輪滾壓出的印痕是否重合。若不重合，則需調(diào)整滾絲輪的軸向距離至印痕重合可以進行螺紋滾壓為止。

(2)調(diào)節(jié)滾絲輪中心距離，使工件擠壓合適至能夠滾壓出合格的螺紋。擠壓不能太輕也不能太重，兩輪中心距離到達預(yù)定尺寸后，動輪停止進給運動，繼續(xù)滾轉(zhuǎn)幾周對螺紋廓形進行修正后退出[3]。試加工時需用螺紋環(huán)規(guī)檢查螺紋質(zhì)量是否合格，定好滾壓行程后即可進行滾壓。在滾壓過程中需對每一個螺紋進行檢驗。

2 螺紋滾壓過程中經(jīng)常遇到的故障與排除方法

要滾壓出合格的螺紋，除了要有合適的螺紋中徑尺寸外，滾壓過程中常見的故障問題及解決辦法見表1。

表1 螺紋滾壓過程故障類別及排除辦法

故障類別產(chǎn)主原因排除方法 中徑尺寸小而外徑大滾壓時間過長，壓力高，活動主軸位置調(diào)整太近增大滾絲輪徑向距離，減小滾壓時間 中徑尺寸大而外徑小滾壓時間短，壓力低，活動主軸位置調(diào)整太遠(yuǎn)減小滾絲輪徑向距離，增加滾壓時間 中徑尺寸合格，外徑過小滾壓前中徑尺寸過小測量中徑尺寸是否合格 中徑尺寸合格，外徑過大滾壓前中徑尺寸過大測量中徑尺寸是否合格 工件發(fā)生軸向移動工件的中徑尺寸不正確檢查滾絲輪與所加工工件是否匹配 工件螺峰被挫鈍支承塊偏低支承塊粗糙度大調(diào)整支承塊高度 檢查支承平面粗糙度 工件螺紋亂扣主軸軸向發(fā)生較大移動中徑尺寸不對檢查滾絲輪是否固定好 檢查滾絲輪與所加工工件是否匹配 工件滾壓中途跳出支承塊偏高 兩滾絲輪直徑不同調(diào)整支承塊高度檢查滾絲輪外徑 滾壓時產(chǎn)生細(xì)屑或鱗片牙位調(diào)整不好滾壓時間太長調(diào)整滾絲輪軸向距離 調(diào)整滾壓時間 滾壓時工件過熱主軸轉(zhuǎn)速過高，進給速度太快滾壓壓力過大調(diào)整滾絲輪轉(zhuǎn)速和進給速度，調(diào)整滾壓時間

從表1中可見，大部分故障都與螺紋滾壓前的中徑尺寸有關(guān)。另外滾壓時滾絲輪的徑向距離、滾絲輪的滾壓力、進給速度、轉(zhuǎn)動速度、滾壓時間的長短、工件支撐高度等都可能影響滾壓后的螺紋質(zhì)量。

3 螺紋滾壓故障原因分析

3.1 螺紋的導(dǎo)程、螺距、頭數(shù)與升角關(guān)系

為分析螺紋滾壓成型原理，圖2所示給出螺紋的導(dǎo)程、螺距、升角和頭數(shù)關(guān)系及示意圖。

圖2 螺紋導(dǎo)程、頭數(shù)、螺距、升角關(guān)系圖

圖2中，螺紋沿中徑圓展開后有：

tan=(1)

式(1)中，為螺紋中徑，mm；為螺距，mm；為導(dǎo)程，mm；為螺紋升角，(°)。

若螺紋線數(shù)為 1，則螺距=；若螺紋線數(shù)為，則有：

=(2)

3.2 滾絲輪與螺紋嚙合過程分析

滾絲輪與工件螺紋相嚙的條件如下：

(1)滾絲輪螺紋內(nèi)凹牙型與工件螺紋牙型一致；

(2)滾絲輪與工件螺紋螺距相等，螺紋升角相等，但因外嚙合旋向相反；

(3)滾絲輪與工件嚙合中徑處的運動線速度相等；

(4)滾絲輪與工件螺紋頭數(shù)不相等。

設(shè)滾絲輪轉(zhuǎn)速為1，r/s；中徑為1，螺紋線數(shù)1，螺距；設(shè)工件轉(zhuǎn)速為2，r/s；中徑為2，螺紋線數(shù)為2，螺距為。

轉(zhuǎn)動時在嚙合中徑處線速度相等，則有：1π1=2π2

從而得到：

可以看出，滾絲輪與工件轉(zhuǎn)速之比與其中徑成反比。

由式(1)、式(2)得：tan1＝，

tan2＝

嚙合時滾絲輪與工件螺紋升角相等，從而有tan1＝tg2，得到：

所以在理論上，只要所滾壓螺紋外徑和頭數(shù)之比與滾絲輪外徑和頭數(shù)之比相等，并且滿足上述嚙合條件，同一副滾絲輪就可以滾壓不同外徑螺紋的工件。在實際生產(chǎn)中受螺紋大小及滾絲輪型號的限制，一副滾絲輪只固定滾壓一種螺紋。滾絲輪的制作尺寸一般與相應(yīng)需要滾壓的螺紋外徑匹配，比如滾壓直徑尺寸較小的螺紋就沒有必要制作外徑很大的滾絲輪。

3.3 運動過程分析

在工作過程中，工件和滾絲輪嚙合在一起，以相反方向轉(zhuǎn)動。分析滾絲輪和工件的運動過程如下：

(1)假定工件不轉(zhuǎn)動，軸向不固定，滾絲輪的軸向固定，在時間(s)內(nèi)由導(dǎo)程定義，工件將沿滾絲輪軸向的爬升距離為：

1＝11＝11(mm)；

(2)實際上，工件轉(zhuǎn)速為2，在時間內(nèi)工件沿滾絲輪軸向與上述移動相反方向爬升距離為：

2＝22＝22(mm)；

只要工件原始中徑尺寸合適，且符合正確嚙合條件時，在螺紋滾壓過程中工件是不會發(fā)生軸向位移的。當(dāng)一副滾絲輪制作好之后，其外徑尺寸與其螺紋頭數(shù)之比是固定的，所以要滾壓的螺紋工件的外徑尺寸也是固定的。如果用滾絲輪滾壓原始外徑錯誤的工件，在強行滾壓時將會發(fā)生工件軸向竄動和亂扣等現(xiàn)象。

4 滾壓前螺紋中徑的車削尺寸

在滾絲輪牙型的作用下，滾絲輪滾壓外螺紋時，螺紋會發(fā)生塑性變形，所以滾壓前的光桿尺寸即為螺紋中徑小于成形后螺紋的外徑尺寸。以60°普通螺紋牙型為例，根據(jù)螺紋牙型結(jié)構(gòu)即可計算出螺紋滾壓前的中徑尺寸。在實際生產(chǎn)中這樣的中徑尺寸并不能滾壓出合格的螺紋。根據(jù)以上的分析，如果中徑尺寸不合適，就會引起滾壓故障，導(dǎo)致滾壓出來的螺紋不合格。根據(jù)工件材質(zhì)的不同，大批量車制時應(yīng)先做一下試驗，確定合適的尺寸后再進行生產(chǎn)。一般實際尺寸要比理論中徑尺寸小0.02～0.1 mm不等，所要滾壓的螺紋尺寸越大，相應(yīng)的中徑尺寸應(yīng)該小一點。

以下是在長期實踐過程中總結(jié)出的部分材質(zhì)螺紋滾壓前中徑尺寸的應(yīng)給公差，列表如下：

表2 部分材質(zhì)滾壓前應(yīng)車螺紋中徑值

材質(zhì)螺紋規(guī)格中徑尺寸/mm上差/mm下差/mm 35CrMoM65.35－0.04－0.08 GW136M87.188－0.03－0.06 45M109.026－0.04－0.08 冷拉鋼20M16-14.701－0.04－0.08 鍛鋼42CrMoM2018.376－0.06－0.1 冷拉鋼20M24-22.501－0.06－0.1 鍛鋼45M3027.727－0.06－0.1 35CrMoM3027.727－0.08－0.12 GW136M3330.727－0.08－0.12

5 結(jié)語

螺紋滾絲機按型號不同，可滾壓最大直徑達100 mm、螺距最大為8 mm的不同螺紋，是螺栓類零件加工的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。實踐證明，生產(chǎn)車間只要按以上正確的理論方法操作，再配以車床、銑床、鉆攻床等設(shè)備，就能夠充分發(fā)揮螺紋滾絲機的作用，完成大批量螺栓、螺柱等零件的加工任務(wù)。

[1] 陸建中,孫家寧.金屬切削原理與刀具[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993.

[2] 北京中經(jīng)縱橫經(jīng)濟研究院.中國外螺紋滾壓產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢及投資前景研究[R].北京:北京中經(jīng)縱橫經(jīng)濟研究院,2009.

[3] 王啟仲.金屬切削原理與刀具[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.