CN106180919B - 摩擦力效应可控的自动攻丝工具 - Google Patents

Abstract

一种基于摩擦力平衡的自动攻丝工具，属于自动攻丝的机械加工领域，涉及各力间的相互作用及摩擦力守恒原理。在原有的攻丝工具基础上，对直型滑轨添加一个螺旋升角，使其具有一定的倾斜角度。滑轨设置为螺旋线模式，螺旋线的切线与攻丝工具中心轴线成一定角度；这个角度称为螺旋升角；螺旋升角的选择范围为1°‑arc tanμ；其中μ为所自动攻丝工具螺旋滑轨摩擦副的摩擦系数。螺旋升角的存在使得在切削的过程中摩擦力减小，从而降低了切削中的轴向力。轴向力减小避免了二次切削的产生，提高了螺纹的加工精度。

Description

摩擦力效应可控的自动攻丝工具

技术领域

本发明属于自动攻丝的机械加工领域，涉及各力间的相互作用及摩擦力守恒原理。

背景技术

自动攻丝工具在车床加工中应用相当广泛。在加工过程中，被加工螺纹相对板牙旋转提供轴向力带动攻丝工具滑动部分或者尾座实现进给运动对螺纹进行加工。但在实际的加工中，由于润滑不充分等原因，容易导致攻丝工具滑动部分摩擦力过大，影响螺纹加工精度。特别是6150等大型车床尾座比较沉重，基本无法产生滑动实现进给运动。切削时只能依靠攻丝工具滑动部分的位移实现进给。当攻丝工具摩擦力较大或者螺纹螺距较大时会产生较大轴向分力，影响套扣精度，甚至产生撸扣现象，大大限制了攻丝工具的应用范围。

发明内容

本专利摩擦力效应可控的原理，依据自锁角原理对摩擦产生的轴向力进行去除，实现切削过程中，小轴向力的切削，提高了螺纹的加工精度。

基于摩擦力平衡的自动攻丝工具，包括滑轨、滑动销、板牙、锥体、攻丝套筒和锁紧螺丝，其特征在于：

滑轨设置为螺旋线模式，螺旋线的切线与攻丝工具中心轴线成一定角度；这个角度称为螺旋升角；螺旋升角的选择范围为1°-arc tanμ；其中μ为自动攻丝工具螺旋滑轨摩擦副的摩擦系数。

实验证明最佳螺旋升角α为arc tan(μ/2)。

根据攻丝材料的硬度差异，所加工螺纹的深浅，对螺旋升角进行调整；调整幅度为arc tan(μ/2)的15％范围内；当攻丝材料材质较硬，螺纹较深时，会使扭矩较大，产生较大轴向力，这时调大倾斜角度；反之，当攻丝材料材质较软，螺纹较浅时，会使扭矩较小，产生较小轴向力，这时调小倾斜角度。

该结构用于在攻丝过程中产生适当的附加力以抵消切削过程中轴向切削力过大的问题。

图1为自动攻丝工具的正面图，包括锥体、滑动套筒、攻丝套筒、螺旋滑轨、滑动销、锁紧螺丝等结构；图2为自动攻丝工具正面剖视图；图3为螺旋滑轨延长后的空间形态图；图4：自动攻丝工具端面图，包括锁紧螺丝和螺纹加工工具。具体结构如下图1，图2，图3，图4所示：

力学原理设计：

1、直型滑轨受力情况分析

普通自动攻丝工具主要包括工具套筒、滑动连接体和丝锥套。其中，滑轨与攻丝工具的中心轴线平行，如图5所示。

图6为普通攻丝工具的受力情况，其中：Fn为攻丝或套扣时所产生的扭矩；F为由切削刀具后刀面所产生的推动力；Ff为摩擦力。

由摩擦力守恒定理，可知F与Ff相等。根据摩擦力公式Ff＝Fn可知，当Fn较大或者μ较大时，切削工具(丝锥或则板牙)需要提供较大的推动力才能使切削正常进行。当所需的推动力大于切削工具所能提供的最大值时，切削刀具会产生加工滞后现象，使已加工螺纹被二次切削导致加工中径减小，精度降低。(如图7图8所示)

2、螺旋滑轨力学原理

图9中：Fn为攻丝或套扣时所产生的扭矩；F为由切削刀具后刀面所产生的推动力；Ff为摩擦力。F1为Fn沿斜面方向分力；F2为Fn垂直方向分力。

由摩擦力守恒定理，可知，Ff＝F+F1.通过设计螺旋升角，提供F1，抵消部分摩擦力，从而使切削刀具后刀面所产生的推动力减小，使之小于切削工具所能提供的最大值，避免刀具在加工过程中出现滞后现象，减少了出现二次切削和撸扣的可能，从而提高了加工精度。

附图说明

图1是摩擦力效应可控的自动攻丝工具正面图。

图2是摩擦力效应可控的自动攻丝工具正面剖视图

图3是螺旋滑轨空间形态图。

图4是摩擦力效应可控的自动攻丝工具端面图。

图5是普通自动攻丝工具正面图。

图6是直型滑轨受力分析。

图7是正常切削示意图。

图8是二次切削示意图。

图9是螺旋滑轨受力分析。

1：锥体；2：滑轨；3：滑动套筒；4：滑动销；5：锁紧螺丝；6：攻丝套筒；7：螺旋升角；8：螺旋滑轨空间延长曲线；9：板牙。

具体实施方式

最佳螺旋升角确定方法：

螺旋升角α根据的螺旋滑轨摩擦副的摩擦系数μ决定，当沿斜面分力F1与摩擦力Ff相等时，所需要的补偿角度为最大值。计算公式为：

αmax＝arc tanμ

当倾斜角度为arc tanμ时，沿斜面方向的力等于摩擦力，可以完全抵消后刀面所产生的拖拽力，是螺旋升角选择的最大值。小于这一角度切削过程中也会起到一定的辅助作用，但不应小于1度。因此，螺旋升角的选择范围为，1°～arctanμ之间。实验证明，当螺旋升角为arc tan(μ/2)时可以获得最佳的切削效果，是推荐的第一选择。

例如，螺旋滑轨摩擦副的摩擦系数为0.1，那么最大螺旋升角为arctan0.1＝5.7°，最佳设计螺旋升角为arctan0.05＝2.9°.

螺旋升角调整原则

根据Ff＝F+F1，当沿斜面分力F1与摩擦力Ff相等时，所需要的补偿角度为最大值，但在加工过程中，没有切削刀具后刀面所产生的推动力F，无法完成切削。因此螺旋升角无法取得最大值，螺旋升角的大小，还需要根据不同的加工情况进行确定。当加工硬度大的，螺纹深的工件时，攻丝或套扣时所产生的扭矩增大，Ff-F1的值增大即切削刀具后刀面所产生的推动力F增大，为避免超过最大承受力，这时应适当调大螺旋升角来增大补偿力。反之，当攻丝材料材质较软，螺纹较浅时，会使扭矩较小，产生较小轴向力，这时可以适当调大倾斜角度。

调整幅度为最佳角度的15％左右。

案例：我们应用同一台6150机床分别附带直型滑轨的攻丝工具和螺旋滑轨的攻丝工具加工两组材质相同，螺距为2的螺纹，测得中径如下表：

通过计算得出两种摩擦力效应可控的自动攻丝工具(螺旋滑轨)和普通自动攻丝工具(直型滑轨)加工工件的中径的平均值，方差和标准差，结果如下表。

	螺旋滑轨	直型滑轨
			中径平均值	16.19	16.04
中径偏差	0.037	0.101

通过上表对比可以得出：

1、利用螺旋滑轨的自动攻丝工具加工螺纹中径平均值明显大于利用直型滑轨的自动攻丝工具加工的螺纹中径平均值，说明螺旋滑轨二次切削现象出现概率明显低于直型滑轨；加工数量相同的螺丝，螺旋滑轨的自动攻丝加工螺纹中径偏差明显小于直型滑轨的自动攻丝工具加工螺纹中径偏差，螺旋滑轨的自动攻丝工具精度更高；攻丝工具的滑轨设计为螺旋式，螺旋线的切线与工具的中心轴线成固定角度。切削时，切削力会沿斜面产生分力从而抵消部分摩擦力，减少了出现二次切削和撸扣的可能，从而提高了加工精度。

2、螺旋升角的确定根据所加工金属的摩擦系数决定，最大螺旋升角计算公式为：α＝arc tanμ。通过实验验证，最佳螺旋升角α为arc tan(μ/2)。

3、螺旋升角的选择范围为1-arc tanμ。

4、根据攻丝材料的硬度差异，所加工螺纹的深浅，对攻丝工具最佳螺旋升角进行调整；调整幅度为arc tan(μ/2)的15％范围内。基本原则为，当攻丝材料材质较硬，螺纹较深时，会使扭矩较大，产生较大轴向力，这时适当调大螺旋升角；反之，当攻丝材料材质较软，螺纹较浅时，会使扭矩较小，产生较小轴向力，这时适当调小螺旋升角。

Claims (2)

1.基于摩擦力平衡的自动攻丝工具，包括滑轨、滑动销、板牙、锥体、攻丝套筒和锁紧螺丝，其特征在于：

滑轨设置为螺旋线模式，螺旋线的切线与攻丝工具中心轴线成一定角度；这个角度称为螺旋升角；螺旋升角α取arc tan（μ／２）,其中μ为自动攻丝工具螺旋滑轨摩擦副的摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的基于摩擦力平衡的自动攻丝工具，其特征在于：

根据攻丝材料的硬度差异，所加工螺纹的深浅，对攻丝工具螺旋升角进行调整；调整幅度为arc tan（μ／２）的1５％范围内；当攻丝材料材质较硬，螺纹较深时，会使扭矩较大，产生较大轴向力，这时调大螺旋升角；反之，当攻丝材料材质较软，螺纹较浅时，会使扭矩较小，产生较小轴向力，这时调小螺旋升角。