螺紋車削刀具已經從全面改善車刀性能的塗層及材料等級方面所取得的共同進步中獲益。此外,在螺紋車削刀片方面,人們進行了更好的結構設計,實現了更佳的切屑控制。儘管發生了這些變化,製造工程師們傾向花很少的時間來優化螺紋加工操作,將螺紋加工過程看成是一種無法不斷取得進步的“黑匣子”。
圖1:部分輪廓刀片可以通過穿透不同深度而加工出一系列螺紋,刀片可以加工的節距精細度是由小端部半徑的尺寸決定的(沒有在該示意圖中表示),刀片可以加工的節距有多粗是由該半徑的強度決定的。
事實上,通過工程設計方式可以提高螺紋加工過程的效率。第一步應該是理解螺紋加工中一些基本的主題。
為什麼螺紋車削要求如此之高螺紋車削的要求要高於普通車削操作。切削力一般較高,螺紋刀片的切削端部半徑較小,比較薄弱。
在螺紋加工中,進給速度必須與螺紋的節距精確對應。對於節距為8螺紋/英寸(tpi)的情況,刀具必須以8轉/英寸或者0.125英寸/轉的進給速度前進。與普通車削應用(其中典型的進給速度大約為0.012ipr)相比,螺紋車削的進給速度要高出10倍。螺紋加工刀片刀尖處的作用力可能要高100~1,000倍。
圖2:多齒刀片,在一個系列中帶有多個齒,螺紋加工效率可能會提高,但切削力較高。
承受這種作用力的端部半徑一般為0.015英寸,而常規車削刀片的半徑為0.032英寸。對於螺紋加工刀片,該半徑受許可的螺紋形狀根部半徑(其大小由相關螺紋標準規定)的嚴格限制。它還受所需要的切削動作限制,因為材料無法經受普通車削中的剪切過程,否則會發生螺紋變形。
切削力較高和作用力聚集範圍較窄導致的結果 是:螺紋加工刀片要承受比一般車刀高得多的應力。
部分與全輪廓刀片的比較部分輪廓刀片,有時候被稱作“非加頂式”刀片,它在不給螺紋加頂或裝牙頂的情況下切削螺紋溝槽。(參見圖1)一把刀片可以產生一系列螺紋,直至最粗的節距-即每英寸螺紋數最少處為止-這是刀片端部半徑強度許可的。
這種端部半徑設計得足夠小,刀片可以加工各種節距。對於小節距,端部半徑會顯得尺寸過小。這意味著刀片必須穿透得深一些。例如,用一把部分輪廓刀片加工一個8tpi的螺紋需要螺紋深度為0.108英寸,而用完全輪廓刀片產生的相同螺紋則只需要0.81英寸的指定深度。因此,全輪廓刀片可以產生強度更高的螺紋。此外,全輪廓刀片加工出螺紋的操作可以少4道。
多齒刀片 多齒刀片連續地帶有系列齒,任何齒在螺紋溝槽中切削的深度都要比它前面的一個齒更深。(參見圖2)藉助這些刀片,加工一個螺紋所需要的操作道數可以減少80%。刀具壽命要遠遠長於單頂尖刀片,因為最終的齒只加工某個給定螺紋一半或三分之一的
金屬。
但是,由於它們存在較高的切削力,因此不提倡將這些刀片用於薄壁零件的加工-因為可能會產生顫振。此外,用這些刀片加工工件的結構必須具有足夠的螺紋間隙,以便所有齒退出切削。
圖3:橫切進給方法的選擇對螺紋加工效率有很大影響
圖4:齒腹橫切不產生V形切屑,而是產生類似於普通車削中的切屑。
每道的切削深度,或者說每道進給,在螺紋加工中是非常關鍵的。每個相連的操作道都要嚙合刀片切削刃較大部分。如果每道進給是恆定的(不推薦採用這種方式),則切削力和金屬去除率從上一道到下一道會劇烈增加。
例如,在採用恆定的0.010英寸進給/道的速度加工一個60度螺紋形狀時,第二道去除的材料為第一道的3倍。與隨後每道操作一樣,去除的金屬量連續成指數上升。
為了避免這種切除量增加並維持比較現實的切削力,切深應該隨著各道操作而減少。
橫切進給法至少有四種橫切進給法。(參見圖3)很少有人發現這些方法中某種方法對螺紋加工操作有效性的衝擊到底有多大。
某些螺紋加工刀片和刀夾系統具有這樣的能力,即通過改變螺旋角而按切削的方向精確地傾斜刀片。這種特徵可以加工出較高質量的螺紋,因為它可以防止刀片摩擦螺紋的齒腹。它還可以提供較長的刀具壽命,因為切削力均勻分佈在切削刃的整個長度上。
沒有按這種方式傾斜的刀片-讓切削刃與工件中心線平行的方式-會在刀片的前刃和后刃下形成不相等的間隙角。(參見圖5)特別是對比較粗的節距,這種不等性可能會引起齒腹發生摩擦。
可調式系統允許通過刀夾頭定位(一般採用填隙片)而傾斜刀片的角度。精確調節會獲得類似的前刃和后刃角,確保刃的磨損進展均勻。
圖6:這種客戶定製螺紋切削刀具被用來在一台六主軸車床上加工兩個獨立的螺紋,以前螺紋是一次加工一個。這裡使用的刀片實際上原來是設想用於螺紋銑刀的,但卻在這裡用作車削刀片。
現在市面上已經推出對直徑大約為0.3英寸的孔進行內螺紋車削加工的轉位刀片式刀具。
通過車削方式將這樣的小孔加工出螺紋具有很多優點。所加工的螺紋質量通常比較高,刀片結構允許切屑流出孔而很少損傷螺紋,且可以對刀片進行分度,因此刀具成本較低。
用於這些應用場合的硬質合金的等級一般是允許以較低的表面速度進行加工的那種。對於在小孔中進行內螺紋加工,機床方面所存在的限制一般是低表面速度以外的其他問題。
人們取得的技術進步已經擴大了螺紋車刀的應用範圍,而進入到小孔內螺紋車削加工就是其中一個實例。但是,儘管擴大了標準刀具的應用範圍,製造廠家仍然要遇到特定的問題,這就為定製刀具的存在創造了空間。(參見圖6)與刀具供應商合作開發的特殊刀具是在針對特定作業而搜索正確螺紋加工刀具時不可忽略的一種選項。