CN102962532A - 一种硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法 - Google Patents

Abstract

一种硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法，属于机械加工及工具技术领域。其特征是用特殊截形的盘形成型砂轮，采取刀轴与孔轴中心平行的螺旋磨削方式加工成形，其中工件不动，刀具在自转的同时，以偏心距e沿孔轴以螺旋轨迹公转。加工运动由盘形成型砂轮的自转、盘形成型砂轮绕孔轴的公转和盘形成型砂轮轴向进给三种运动复合而成。由于刀轴和孔轴平行，理论上存在原理性误差，即因盘形刀具在沿螺旋轨迹加工时，刀具的干涉导致螺纹形状超差，因此该方法要求选用特殊修形的盘形成型砂轮。本发明的效果和益处是与硬质合金或涂层丝锥加工螺纹方法相比，在加工硬脆材料零件小孔螺纹时，既能保证螺纹加工精度，同时可以获得更高的加工效率。

Description

一种硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法

技术领域

本发明属于机械加工及工具技术领域，涉及一种小孔螺纹加工方法，特别涉及一种硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法。

背景技术

以高体积分数颗粒增强金属基复合材料、陶瓷、石英等为代表的硬脆材料由于具有良好的性能，被广泛应用于现代科技领域。尤其是高体积分数颗粒增强金属基复合材料具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐腐蚀、吸振性好等一系列优点，在航空航天、汽车、战略性武器等领域有广泛的应用。但是硬脆复合材料的高比强度和高比刚度等特点使其成为难加工材料，特别是在硬脆材料零件上加工M2~M5的小孔螺纹更为困难。目前国内研究单位大多采用硬质合金丝锥手工攻丝的方法来加工硬脆材料零件小孔螺纹，为防止昂贵的硬脆复合材料零件在攻丝工序中因刀具折断而变成废品，许多相关制造企业不得已在手工攻丝过程中采用“攻丝-退刀-排屑-攻丝-退刀-排屑”重复步骤加工。加工效率极为低下，而且不能完全保证丝锥在攻丝过程中不发生折断情况。这种落后的小孔螺纹加工技术严重制约了新产品的研制进度和量产能力。采用盘状成形砂轮磨削加工螺纹方法，对于外圆螺纹，包络角度小，加工误差小，因此在生产中已经得到应用。但是对于内孔螺纹的加工，特别是小孔螺纹，由于包络角度大，加工过程中因存在严重的干涉现象，产生原理性误差，因而现实生产中几乎不采用该工艺方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法。解决硬质合金丝锥在攻丝中急剧磨损或因强度不足而折断导致材料报废的问题、排屑不及时对螺纹表面划伤的问题和加工效率低下的问题。

本发明采用的技术方案是：硬脆材料小孔螺纹加工是用特殊截形的盘状成型砂轮，采取刀轴与孔轴中心平行的螺旋磨削方式加工成形，其中：工件不动，砂轮在自转的同时，以偏心距e沿孔轴以螺旋轨迹公转，如图1所示。

理论上，盘状成型砂轮螺旋磨削螺纹孔时，只有当刀盘倾斜安装且倾斜角度等于螺纹角度时，加工不会产生干涉，即不会产生原理性误差，如图2所示。但是由于机床结构、工件结构和操作等方面的限制，尤其是加工小孔螺纹，刀具倾斜加工较难实现，因此生产实践中很少采用刀盘倾斜的加工方式。若采用图3所示的刀轴与孔轴中心平行的方式加工，因盘形刀具在沿螺旋轨迹加工，砂轮与已加工螺纹表面必然存在干涉导致螺纹形状超差，即产生原理性误差。为了消减这一误差，要求盘状成型砂轮进行特殊修形，即盘状成型砂轮切削刃部分夹角为α=α_o-Δα，其中α_o是标准螺纹角度，通常取60°；Δα为盘状成型砂轮修形角度，根据内螺纹公称直径和盘状成型砂轮直径等参数的不同，Δα取值范围为0°～6°，如图4所示。

实际加工误差阈值δ_o主要由加工原理性误差δ、工艺系统的几何误差、工艺系统受力变形误差等组成。其中原理性误差阈值δ理论上至少应当控制在允许的加工误差δ_o三分之一以内。当盘状成型砂轮原理性误差小于实际加工误差δ_o的三分之一时，盘状成型砂轮不用修形即可满足加工要求。当盘状成型砂轮原理性误差大于实际加工误差δ_o的三分之一时，需要对盘状成型砂轮进行修形。

设d=ηD，d为盘状成型砂轮直径，D为标准内螺纹公称直径，η为盘状成型砂轮直径与标准内螺纹公称直径的比例系数。根据误差计算公式（1）可以求得系数η的临界值[η]。式中：δ为原理性误差值；δ_o为实际加工误差阈值；D为标准内螺纹公称直径；d为盘状成型砂轮直径；P为螺距。

$\mathrm{\δ}=\frac{P}{2\mathrm{\π}}\arcsin \sqrt{1-\frac{1}{{(D-\mathrm{\ηD})}^2}{\left[\frac{D^2-2\mathrm{\η}{D}^2+{(D-1.0825P)}^2}{2(D-1.0825P)}\right]}^2}\≤\frac{1}{3}{\mathrm{\δ}}_o---\left(1\right)$

当公式（1）左右两边相等时，可以求得系数η的临界值[η]。当η≤[η]时，可选择盘状成型砂轮的切削刃夹角：α=α_o，其中α_o为标准螺纹牙型角；当[η]<η<1时，应选择盘状成型砂轮的切削刃夹角：α=α_o-Δα，其中Δα为修形角度，Δα=0.5°～6°。

小孔螺纹采取刀轴与孔轴中心平行的螺旋磨削方式加工成形，加工运动由盘状成型砂轮的自转n、盘状成型砂轮绕孔轴的公转ω和盘状成型砂轮轴向进给f三种运动复合而成，如图5所示。根据硬脆材料性质、孔径大小和加工要求，自转转速n=1000r/min~30000r/min。公转偏心距e满足公式（2）要求，螺距P、进给速度f和公转速度ω满足公式（3）要求。

$e=\frac{D-d}{2}---\left(2\right)$

$P=\frac{f}{\mathrm{\&omega;}}---\left(3\right)$

本发明的效果和益处是：

（1）与硬质合金或涂层丝锥加工螺纹方法相比，在加工硬脆材料零件小孔螺纹时，既能保证螺纹加工精度，同时获得更高的加工效率。

（2）硬质合金或涂层丝锥加工硬脆材料小孔螺纹排屑不畅，容易导致切屑对螺纹的划伤，本方法盘状成型砂轮以偏心距e公转，切屑及时排出，获得更好的螺纹表面质量。

（3）硬脆材料硬质点多，材料强度高，对于小孔攻丝而言，硬质合金或涂层丝锥容易因强度不足在攻丝过程中折断，断在材料内部的丝锥很难取出，甚至导致零件报废。本方法盘状成型砂轮直径小于底孔直径，因此即使发生刀具折断现象时，刀具很容易取出，避免了因刀具折断而造成的巨大经济损失。

（4）很多硬脆材料，例如某些铝基复合材料零件只允许干加工，由于攻丝时不允许使用润滑液，将进一步加剧攻丝过程切屑的堵塞和摩擦，甚至无法实现攻丝。本方法采用直径小于螺纹底孔直径的盘状成型砂轮加工可避免该现象的发生。

（5）同一型号的盘状成型砂轮可加工多种直径系列的螺纹，适合小批量多品种的加工需求。

附图说明

图1是本方法小孔螺纹成形磨削原理图。

图2是盘状成型砂轮轴线倾斜加工示意图。

图3是盘状成型砂轮轴线垂直加工示意图。

图4是盘状成型砂轮修形角度原理图。

图5是本方法盘状成型砂轮偏心公转加工原理图。

图6是本方法小孔螺纹加工三维示意图。

图1和图5中：1刀具刀体；2盘状成型砂轮头；3标准内螺纹公称直径D；4标准内螺纹小径D₁；5刀具自转转速n；6刀具公转转速ω；7偏心距e；8偏心公转轨道。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

请参考图1、图2、图3、图4、图5和图6，其中图1是本方法小孔螺纹成形磨削原理图；图2是盘状成型砂轮轴线倾斜加工示意图；图3是盘状成型砂轮轴线垂直加工示意图；图4是盘状成型砂轮修形角度原理图；图5是本方法盘状成型砂轮偏心公转加工原理图；图6是本方法小孔螺纹加工三维示意图。

实施例：对碳化硅颗粒增强铝基复合材料材料进行M2小孔螺纹加工，加工螺纹精度要求为四级。

盘状成型砂轮磨料可采用金刚石或CBN。

根据实施例要求可知，M2内螺纹公称直径D=2，螺距P=0.4；M2螺纹的实际加工误差阈值（四级精度）δ_o为0.056mm，将上述数值带入公式（1），令公式（1）取等号，可以求得系数η的临界值[η]=0.23。

当η≤[η]，即η≤0.23，d=ηD≤0.46时，盘状成型砂轮不需要进行修形即可满足加工要求。当[η]<η<1即0.23<η<1，0.46<d<1.57时，盘状成型砂轮需要修形，修形后的切削刃部分夹角为α=α_o-Δα，其中α_o是标准螺纹角度，通常取60°。Δα为盘状成型砂轮修形角度，根据盘状成型砂轮直径d的大小，Δα取值范围为0.5°～6°。盘状成型砂轮直径d与原理误差δ关系曲线如下图所示。考虑盘状成型砂轮强度的要求，建议刀盘直径d选取范围在φ1~1.57mm之间，建议修形角度Δα=4°。

Claims (5)

1.一种硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法，其特征在于，采用盘状成型砂轮；采取刀轴与孔轴中心平行、盘状成型砂轮的自转、盘状成型砂轮绕孔轴的公转和盘状成型砂轮轴向进给三种运动复合而成的螺旋磨削方式。

2.根据权利要求1所述的硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法，其特征在于，在刀轴与孔轴中心平行的螺旋磨削加工中，工件不动，刀具在自转的同时，以偏心距e沿孔轴以螺旋轨迹公转。

3.根据权利要求2所述的硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法，其特征在于，砂轮自转速度为1000r/min~30000r/min，且公转偏心距e应满足公式（2）要求；螺距P、盘状成型砂轮轴向进给速度f和盘状成型砂轮绕孔轴公转速度ω满足公式（3）要求，

$e=\frac{D-d}{2}---\left(2\right)$

式中：D为标准内螺纹公称直径；d为盘状成型砂轮直径

$P=\frac{f}{\mathrm{\&omega;}}---\left(3\right).$

4.根据权利要求1所述的硬脆材料小孔螺纹成形磨削方法，其特征在于，盘状成型砂轮的直径d由公式：d=ηD确定，其中D为标准内螺纹公称直径，η为盘状成型砂轮直径与标准内螺纹公称直径的比例系数；比例系数η由下列公式（1）确定；当下列公式左右两边相等时得到的系数η称为临界系数[η]，

$\mathrm{\&delta;}=\frac{P}{2\mathrm{\&pi;}}\arcsin \sqrt{1-\frac{1}{{(D-\mathrm{\&eta;D})}^2}{\left[\frac{D^2-2\mathrm{\&eta;}{D}^2+{(D-1.0825P)}^2}{2(D-1.0825P)}\right]}^2}\&le;\frac{1}{3}{\mathrm{\&delta;}}_o---\left(1\right)$

式中：δ为原理性误差值；δ_o为实际加工误差阈值；D为标准内螺纹公称直径；d为盘状成型砂轮直径；P为螺距。

5.根据权利要求4所述的硬脆材料小孔螺纹磨削方法，其特征在于，当η≤[η]时，盘状成型砂轮的切削刃夹角：α=α_o，其中α_o为标准螺纹牙型角；当[η]<η<1时，盘状成型砂轮的切削刃夹角：α=α_o-Δα，其中Δα=0.5°～6°。

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