螺紋滾壓有優(yōu)勢(shì)

螺紋滾壓是一種成形工藝，材料被重新組合以形成所需要的形狀。結(jié)果，在滾壓操作完成后工件毛坯會(huì)增長(zhǎng)。

外螺紋加工主要是用車削(采用單點(diǎn)和成形刀具)及磨削(采用單點(diǎn)接觸或成形砂輪)方式加工的。這兩種金屬切削工藝的原理都是通過(guò)去除一定的材料而形成所需要的螺紋幾何形狀。

各大車間所用的另一種工藝是螺紋滾壓。它不是一種金屬切削過(guò)程。它不通過(guò)去除金屬而形成所需要的輪廓，而是按滾輪拉絲模的鏡像形成螺紋。

金屬加工制造商們正面臨著前所未有的競(jìng)爭(zhēng)壓力。“用一貫采用的方式”加工零件已經(jīng)行不通了。將最好的加工工藝與特定應(yīng)用場(chǎng)合相匹配，對(duì)某個(gè)加工作業(yè)而言可能意味著要么從中贏利，要么就失掉它。界限是非常嚴(yán)格而沒(méi)有回旋余地的。

為了說(shuō)明螺紋車削和磨削加工的一種可替換方法，本文介紹螺紋滾壓在CNC車削中心上的優(yōu)、缺點(diǎn)。討論了應(yīng)用規(guī)格和各種螺紋滾壓類型，技術(shù)資料來(lái)自LMT-Fette公司(俄亥俄州Cleveland市)。

無(wú)切屑螺紋成形工藝

一般而言，最適合滾壓的材料很難切削，反之亦然。螺紋滾壓依賴于基材的塑性 - 即基材的變形能力，以便永久地將滾輪的形狀壓在工件的坯件中。被切削材料良好的塑性通常會(huì)導(dǎo)致形成膠質(zhì)切屑，并在刀具上形成積屑瘤。例如鑄鐵沒(méi)有合適的流動(dòng)特性，因此不適合進(jìn)行螺紋滾壓加工。

LMT-Fette公司認(rèn)為，由于滾輪壓力的作用，將使材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生5%的最小延伸系數(shù)以及246,000磅/平方英寸(本站注：約合173kgf/mm²或1698MPa)的拉伸屈服強(qiáng)度。這些數(shù)據(jù)隨材料類型、大徑及次徑尺寸不同而不同。

該示意圖表示出了滾壓螺紋(左)與切削加工螺紋(右)微粒流之間的區(qū)別。螺紋滾壓過(guò)程會(huì)產(chǎn)生額外的拉伸強(qiáng)度并提高表面光潔度。

毛坯材料因螺紋滾壓過(guò)程中的壓力而產(chǎn)生塑性變形，因此會(huì)產(chǎn)生最小5%的延伸率以及最大246,000磅/平方英寸的拉伸強(qiáng)度。

在螺紋滾壓操作中，在工件的軸向、切向或徑向安裝一個(gè)滾輪架。盡管每種滾輪架都采用相同的基本操作原理，但不同的螺紋加工應(yīng)用場(chǎng)合需要采用不同的方式接近工件毛坯。本文在后面將詳細(xì)介紹三種螺紋滾壓方式。

假定工件材質(zhì)滿足滾壓的屈服和流動(dòng)要求，則滾壓過(guò)程與螺紋切削相比具有若干優(yōu)點(diǎn)。與其它生產(chǎn)方法相比，滾壓加工出來(lái)的螺紋物理特性得到提高。在螺紋滾壓過(guò)程中采用的是冷作業(yè)，這樣與切削操作相比就增加了拉伸強(qiáng)度，并提高了表面光潔度。

與許多冷加工操作一樣，工件毛坯的金屬矩陣最初通過(guò)模具的作用力而壓縮，從而進(jìn)行塑性屈服，并產(chǎn)生出模具的形狀。螺紋滾壓操作方式在很大程度上與此相同。螺紋滾壓頭中滾輪的形狀會(huì)在工件毛坯中形成螺紋形狀。

母材的壓縮導(dǎo)致因金屬矩陣的壓縮而引起工件硬化。它會(huì)在螺紋中產(chǎn)生疲勞阻力。這種硬化的狀態(tài)是該工藝的一部分，因此隨后對(duì)滾壓螺紋進(jìn)行的任何熱處理過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生退火效應(yīng)。螺紋滾壓應(yīng)該在熱處理之后進(jìn)行。相反，車削和磨削卻可以在硬化前也可以在硬化后進(jìn)行，讓金屬矩陣產(chǎn)生所需要的形狀并且讓金屬微粒結(jié)構(gòu)幾乎保持原封不動(dòng)。

材料的可滾壓性

成功的螺紋滾壓取決于若干應(yīng)用參數(shù)。在這些參數(shù)中有待滾壓螺紋的類型、大徑、節(jié)距和齒根深度等。螺紋滾壓另外還要考慮的方面包括毛坯的壓延性以及冷流動(dòng)性等。

在進(jìn)行滾壓螺紋時(shí)，通過(guò)移動(dòng)母材來(lái)將螺紋形狀壓到工件毛坯中。這種移動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是螺紋齒根深度。隨著滾輪把將形成根部的材料錯(cuò)位，材料將從徑向和軸向由根部流出。

由滾輪的位置將螺紋節(jié)徑保持在預(yù)定尺寸，因此錯(cuò)位的材料實(shí)際上延長(zhǎng)了工件毛坯。依據(jù)被滾壓螺紋的尺寸和形狀而定，與螺紋車削或切削相比，螺紋滾壓可以節(jié)省15～20%的材料。在大批量生產(chǎn)中，這個(gè)數(shù)據(jù)就意味著很大一批原材料。

由于螺紋外徑與工件毛坯具有非常密切的關(guān)系，因此毛坯直徑一定要非常精確。材料流動(dòng)率是根據(jù)指定的毛坯直徑及變化率計(jì)算的。超出或低于該直徑都將加工出不合格的螺紋。

材料尺寸過(guò)低將無(wú)法完全流進(jìn)滾輪拉絲模。毛坯尺寸過(guò)大將對(duì)滾輪和滾輪架施加不必要的壓力，從而可能導(dǎo)致螺紋滾壓?jiǎn)卧獡p壞。

螺紋滾壓的成功在很大程度上與要形成的形狀有關(guān)。產(chǎn)生的大多數(shù)螺紋是依據(jù)60°統(tǒng)一或類似標(biāo)準(zhǔn)形成的，這些都很容易滾壓。用于加工這些形狀的大多數(shù)滾輪都具有比較尖銳的齒頂，通常帶有圓弧刃來(lái)幫助拉絲模穿透材料。這些螺紋的角度，在每個(gè)齒側(cè)面上為30°，保證了使材料在軸向和徑向以一種可控而預(yù)定的方式進(jìn)行流動(dòng)時(shí)所需要的作用力。

也可以滾壓愛(ài)克米螺紋(頂角為29°的英制梯形螺紋)及蝸桿螺紋，但是相對(duì)較高的材料錯(cuò)位量以及材料必須移動(dòng)的距離，有可能在齒側(cè)面產(chǎn)生卷層。這些類型螺紋的可滾壓性可以通過(guò)改變螺紋根部配置 - 從平底改為圓弧狀 - 而改善。螺紋滾壓還可以應(yīng)用在壓力拋光、壓花中，在某些情況下還可以用在型鍛操作中。

軸向螺紋滾壓

根據(jù)機(jī)床類型以及要制造的螺紋類型，車間可以選擇若干螺紋滾壓配置。軸向螺紋滾輪從車削中心尾座端部開(kāi)始，沿工件毛坯中心線移動(dòng)，從而形成螺紋。一般的軸向滾輪頭加工范圍為直徑0.06～9英寸。

軸向滾輪頭通常安裝在車削中心轉(zhuǎn)塔刀套之一中。一次走刀可以將3個(gè)(或最多6個(gè))滾輪進(jìn)給到毛坯上，并通過(guò)工件毛坯的旋轉(zhuǎn)加以啟動(dòng)。

滾輪在軸向頭上布置為允許毛坯通過(guò)，這樣就可以形成比滾輪寬度更長(zhǎng)的螺紋。這些滾輪頭上開(kāi)始的一些螺紋是遞進(jìn)的，就象絲錐或拉刀一樣，并且需要在工件毛坯上有一條棱�？梢杂幂^短的遞進(jìn)過(guò)程一直加工到肩部或其它工件特征之前，但是滾輪的壽命有可能受額外應(yīng)力的影響。

螺紋滾壓可以用于在工件毛坯中形成多種形狀。

切向螺紋滾壓

顧名思義，切向滾輪架通過(guò)從側(cè)面接近工件毛坯而形成螺紋。切向滾輪架有時(shí)候稱作側(cè)面滾壓或橫向滑動(dòng)架，設(shè)計(jì)用于通過(guò)推動(dòng)來(lái)滾壓螺紋，以可控的進(jìn)給速度進(jìn)行，每次兩個(gè)固定的平行輥?zhàn)油瑫r(shí)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)中的工件中。切向滾壓需要機(jī)械或伺服進(jìn)給。無(wú)法手動(dòng)操作這些滾輪。

輥?zhàn)优c工件毛坯直徑進(jìn)行方形、切向接觸，從而迫使材料進(jìn)行均勻的塑性流動(dòng)，形成滾輪拉絲模的形狀。這種成形過(guò)程非�？欤瑫�(huì)產(chǎn)生沒(méi)有毛刺的精確輪廓。

在操作中，切向滾輪在工件毛坯旋轉(zhuǎn)15～30轉(zhuǎn)后產(chǎn)生一個(gè)完整的螺紋。這種螺紋滾輪的優(yōu)點(diǎn)是可以在非�？拷�肩部或其它工件特征的前面或后面形成螺紋(在一個(gè)螺紋內(nèi)，有時(shí)候更少)。

切向滾輪只在滾輪寬度內(nèi)滾壓螺紋。Fette的切向輥?zhàn)庸ぷ鲗挾确秶鸀?.61～1.59英寸。這些滾輪被推薦用于愛(ài)克米及梯形螺紋，因?yàn)樗�需要的力超出了工夾的設(shè)計(jì)極限。

徑向螺紋滾壓

第三種螺紋滾輪是徑向滾輪架。它用兩個(gè)或三個(gè)輥?zhàn)釉诠ぜ�毛坯旋轉(zhuǎn)一次的過(guò)程中形成螺紋。

這種螺紋滾輪上的輥?zhàn)油ㄟ^(guò)偏心磨削。在每個(gè)輥?zhàn)由嫌梢粋�(gè)平坦部分開(kāi)始，螺紋形狀漸進(jìn)完成。在平坦一側(cè)開(kāi)始淺淺的螺紋形狀，在另一側(cè)形成完整的形狀。

工夾上的一個(gè)“三輥?zhàn)?rdquo;式徑向架，用找正的平坦部分來(lái)形成間隙開(kāi)口。這樣工件毛坯可以定位成在輥?zhàn)雍统善仿菁y零件之間退出而不損壞螺紋。“兩輥?zhàn)?rdquo;式滾輪架采用相同的原理。

從內(nèi)部來(lái)看，輥?zhàn)油ㄟ^(guò)釋放附在旋轉(zhuǎn)離合器上的張力彈簧而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。一旦釋放，工件或滾輪單元的旋轉(zhuǎn)就會(huì)繼續(xù)偏心輥?zhàn)拥南蚯斑\(yùn)動(dòng)，直至工件毛坯的轉(zhuǎn)矩使離合器彈簧復(fù)位為止。

徑向螺紋滾壓頭的工作范圍為直徑1/16～2½英寸。與切向滾壓頭一樣，螺紋長(zhǎng)度不能超出螺紋滾輪的寬度。

關(guān)于柔性

準(zhǔn)確而精密的螺紋加工對(duì)任何車間而言都是一種關(guān)鍵的技巧。考慮將螺紋滾壓作為制造螺紋零件的一種可能工具應(yīng)該作為車間加工策略之一。

螺紋滾壓需要在滾輪架和滾輪方面進(jìn)行刀具投資，這種投資比單點(diǎn)螺紋切削刀片要高。然而，對(duì)于涉及硬化材料、較高表面光潔度、表面一致性以及較高生產(chǎn)量的應(yīng)用場(chǎng)合，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看螺紋滾壓技術(shù)可能具有更高的性價(jià)比。此外，由于滾輪架也可以在配備單點(diǎn)螺紋加工功能的CNC車削中心上使用，因此螺紋滾壓可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要而靈活地加以應(yīng)用，依據(jù)工件實(shí)際情況決定正確的刀具。