任杰，李婷婷，孟宇，閆獻(xiàn)國(guó)

(1. 太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2. 山西醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，山西 太原 030001)

0 引言

螺紋是連接元件中非常重要的部分，在現(xiàn)代工業(yè)中幾乎所有的設(shè)備都有螺紋連接存在[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代機(jī)械中螺紋連接件通常占每個(gè)設(shè)備中機(jī)械部件總數(shù)的60%以上[2]。劣質(zhì)的螺紋會(huì)降低整個(gè)生產(chǎn)過程的質(zhì)量，并且產(chǎn)品會(huì)被歸類為有缺陷的產(chǎn)品，從而影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效率[3]。NASSAR S A等人[4]提出不合格的螺紋牙根半徑會(huì)對(duì)預(yù)緊螺紋緊固件的疲勞性能產(chǎn)生不利影響。ONYSKO O等人[5]提出鉆桿間相互固定和確保密封性在很大程度上取決于鉆桿上連接螺紋的精度。因此提高螺紋加工質(zhì)量和加強(qiáng)螺紋質(zhì)量控制具有重要意義[6]。

盡管在過去的幾年中，用于內(nèi)螺紋制造的許多加工方法都取得了巨大的成功，例如螺紋銑削和車削[7-8]，但攻絲幾乎是制造小直徑內(nèi)螺紋的唯一方法[9]。攻絲是制造過程的最后階段，因此必須獲得良好的公差(幾何尺寸和尺寸公差)和表面粗糙度，以實(shí)現(xiàn)無間隙的完美組裝。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于攻絲加工是在封閉或半封閉孔中進(jìn)行的不間斷切削，這種惡劣的加工條件使得內(nèi)螺紋的加工質(zhì)量很難保證。遺憾的是，過去對(duì)攻絲加工的研究主要集中在切削力[10]和刀具磨損[11]等方面，鮮有文獻(xiàn)研究攻絲加工的螺紋質(zhì)量。中徑差是一種幾何誤差，指螺紋各向中徑間的最大差值，它是評(píng)價(jià)螺紋加工質(zhì)量的非常重要的參數(shù)之一。在實(shí)際操作中，由于各種原因，會(huì)使實(shí)際中徑偏離理想中徑，從而導(dǎo)致中徑差的產(chǎn)生。當(dāng)具有微米級(jí)中徑差的內(nèi)螺紋與理想的外螺紋結(jié)合時(shí)，由于內(nèi)外螺紋間接觸面積的急劇變化可能會(huì)引起螺紋表面載荷分布不均勻，在中徑較小的位置出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中，從而加快磨損，縮短使用壽命，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生“松曠”甚至“滑扣”[12]。因此，為保障攻絲加工的螺紋質(zhì)量，確定中徑差的影響因素就顯得至關(guān)重要。

螺紋的加工質(zhì)量取決于刀具的幾何形狀及切削條件[13]。HSU C C等人[14]發(fā)現(xiàn)絲錐的螺旋角會(huì)嚴(yán)重影響螺紋的加工質(zhì)量。查正衛(wèi)[15]表明提高主軸轉(zhuǎn)速可以有效提高車削螺紋的表面粗糙度?？梢姾侠淼剡x擇攻絲加工的刀具和切削條件是保證螺紋質(zhì)量的有效手段。

在本研究中，使用高速鋼直槽絲錐對(duì)45鋼進(jìn)行了攻絲加工，選擇了不同切削錐長(zhǎng)度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)工件進(jìn)行了干切削試驗(yàn)，以確定切削錐長(zhǎng)度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)中徑差的影響。

1 理論及試驗(yàn)

1.1 中徑差的基本理論

如圖1所示，中徑差可以分為徑向中徑差和軸向中徑差兩種。緊固螺紋檢測(cè)體系對(duì)它們的定義如下[16]。

圖1 徑向中徑差與軸向中徑差

螺紋的徑向中徑差ΔD2r和軸向中徑差ΔD2a可分別由實(shí)際螺紋各徑向上和軸向上的最大中徑與最小中徑之差確定：

ΔD2r=D2rmax-D2rmin

(1)

ΔD2a=D2amax-D2amin

(2)

1.2 試驗(yàn)與檢測(cè)

a)工件

工件采用牌號(hào)為45鋼，45鋼屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，由于其優(yōu)良的力學(xué)性能，且價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件。45鋼主要由碳、硅和錳等元素組成，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。工件尺寸為140 mm × 140 mm × 14 mm的板料，板料上用于攻絲的底孔直徑為6.8 mm。

表1 45鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

b)絲錐

試驗(yàn)選用某公司生產(chǎn)的高速鋼直槽絲錐，絲錐的基本幾何參數(shù)見表2。為了比較切削錐長(zhǎng)度對(duì)徑向中徑差和軸向中徑差的影響，分別采用了5 mm和2.5 mm兩種不同切削錐長(zhǎng)度的絲錐，如圖2(a)所示。

表2 絲錐的基本幾何參數(shù)

c)試驗(yàn)方案

攻絲試驗(yàn)時(shí)，使用ERG32筒夾式攻絲夾頭和BT40浮動(dòng)刀柄，將直槽絲錐安裝在加工中心上，如圖2(b)所示。在功率為7.5 kW的VMC650立式加工中心上，分別使用兩種不同切削錐長(zhǎng)度的絲錐進(jìn)行一系列干攻絲試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表3所示。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性，每組試驗(yàn)參數(shù)均進(jìn)行兩次試驗(yàn)。

圖2 刀具與機(jī)床

表3 試驗(yàn)方案

d)質(zhì)量檢測(cè)

攻絲試驗(yàn)后，使用某公司的GJ-5S內(nèi)螺紋測(cè)量?jī)x對(duì)螺紋孔的徑向中徑差和軸向中徑差進(jìn)行測(cè)量(圖3)，測(cè)試溫度為(20±1)℃。測(cè)量時(shí)，使用單一中徑測(cè)頭每隔10°測(cè)量一次中徑值。由于內(nèi)螺紋的前3個(gè)牙承擔(dān)了絕大多數(shù)的載荷[17]，因此對(duì)每個(gè)螺紋孔都進(jìn)行了前3個(gè)完整螺紋的測(cè)量。測(cè)量完成后，通過測(cè)量數(shù)據(jù)的處理來確定螺紋徑向中徑差和軸向中徑差，具體確定方法如下：

圖3 內(nèi)螺紋測(cè)量?jī)x

1)螺紋徑向中徑差的確定：首先找到每個(gè)完整螺紋在徑向位置的最大和最小中徑，然后再通過公式(1)由最大和最小中徑的差值來確定每個(gè)螺紋的徑向中徑差。

2)螺紋軸向中徑差的確定：找到在各軸向位置上3個(gè)完整螺紋的最大和最小中徑值，然后再通過公式(2)由同一軸向位置上最大和最小中徑的差值來確定各位置的軸向中徑差，再通過各軸向位置軸向中徑差的比較，最終確定螺紋孔的軸向中徑差。

徑向中徑差和軸向中徑差的結(jié)果均取同一組加工參數(shù)兩個(gè)螺紋孔的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 徑向中徑差

為了研究切削錐長(zhǎng)度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)螺紋徑向中徑差的影響，采用高速鋼直槽絲錐對(duì)45鋼進(jìn)行了干攻絲試驗(yàn)，具體分析結(jié)果如下：

從圖4可知，對(duì)使用同一參數(shù)加工的螺紋孔而言，第一個(gè)螺紋的徑向中徑差是最大的，而第二和第三個(gè)螺紋的徑向中徑差在逐漸減小。這說明隨著逐漸地向孔內(nèi)深入，螺紋的徑向中徑差有不斷減小的趨勢(shì)。究其原因，可能是因?yàn)榻z錐相當(dāng)于懸臂梁，隨著攻絲加工的不斷進(jìn)行，絲錐懸臂長(zhǎng)度在不斷地縮短，導(dǎo)致絲錐剛度增加，刀具的振動(dòng)幅度減小所致[18]。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速恒定為100 r/min時(shí)，切削錐長(zhǎng)度為2.5 mm的絲錐比5.0 mm加工的螺紋孔具有更小的徑向中徑差，這說明切削錐長(zhǎng)度對(duì)螺紋的徑向中徑差有影響。這可能是減少了參與切削的切削刃，使絲錐的振動(dòng)幅度增加較少所致。當(dāng)切削錐長(zhǎng)度恒定為5.0 mm時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，螺紋的徑向中徑差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)(第一個(gè)螺紋除外)。這說明主軸轉(zhuǎn)速對(duì)螺紋的徑向中徑差有影響?？赡艿脑蚴钱?dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，參與切削的切削刃迅速增加，導(dǎo)致阻尼迅速增加，振幅減小。但同時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速的提高也會(huì)導(dǎo)致阻尼變化率的降低，所以較高的轉(zhuǎn)速會(huì)抑制振幅的降低。而第一個(gè)螺紋徑向中徑差的持續(xù)增加，這可能是因?yàn)榻z錐剛度的變化起主要作用的結(jié)果。

圖4 不同加工參數(shù)的徑向中徑差

2.2 軸向中徑差

在進(jìn)行高速鋼直槽絲錐對(duì)45鋼的干切削試驗(yàn)時(shí)，不同的切削錐長(zhǎng)度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)螺紋徑向中徑差的影響如圖5所示，具體分析如下：

圖5 各軸向位置的軸向中徑差

從圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速恒定為100 r/min時(shí)，從整體上看切削錐長(zhǎng)度為2.5 mm的絲錐加工的螺紋孔在各軸向位置上軸向中徑差比5.0 mm的更小。這也導(dǎo)致了2.5 mm的絲錐能夠加工出軸向中徑差更小的螺紋孔，如圖6所示。從上述的描述可以看出，切削錐長(zhǎng)度會(huì)影響螺紋的軸向中徑差的大小。而當(dāng)切削錐長(zhǎng)度恒定為5.0 mm時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，軸向中徑差同樣會(huì)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這與螺紋徑向中徑差的變化規(guī)律相同，說明了主軸轉(zhuǎn)速對(duì)螺紋的軸向中徑差有影響。

圖6 不同加工參數(shù)的軸向中徑差

2.3 中徑差

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，切削錐長(zhǎng)度為2.5 mm的絲錐在100 r/min的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行切削時(shí)，可獲得最佳的螺紋中徑差，其中徑向中徑差的最小值從第一個(gè)螺紋到第三個(gè)螺紋分別為25 μm、12 μm和10 μm，軸向中徑差的最小值為9 μm。

3 結(jié)語(yǔ)

攻絲作為加工小直徑內(nèi)螺紋的唯一方法，由于嚴(yán)苛的加工條件，加工質(zhì)量難以保證。中徑差是評(píng)價(jià)螺紋加工質(zhì)量非常重要的參數(shù)。因此為了保證螺紋加工的質(zhì)量，有必要對(duì)螺紋中徑差的影響因素進(jìn)行研究。通過使用高速鋼直槽絲錐對(duì)45鋼進(jìn)行了攻絲試驗(yàn)來研究切削錐長(zhǎng)度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)螺紋中徑差的影響。研究結(jié)論如下：

1)隨著攻絲逐漸地向孔內(nèi)深入，螺紋的徑向中徑差有不斷減小的趨勢(shì)；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速恒定為100 r/min時(shí)，切削錐長(zhǎng)度為2.5 mm的絲錐比5.0 mm加工的螺紋孔具有更小的徑向中徑差；當(dāng)切削錐長(zhǎng)度恒定為2.5 mm時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，螺紋的徑向中徑差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

2)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速恒定為100 r/min時(shí)，2.5 mm絲錐加工的螺紋孔的軸向中徑差比5.0 mm的更??；當(dāng)切削錐長(zhǎng)度恒定為5.0 mm時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，軸向中徑差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3)在100 r/min的主軸轉(zhuǎn)速下，使用切削錐長(zhǎng)度為2.5 mm的絲錐進(jìn)行切削可獲得最佳的螺紋中徑差。