1 概述

    螺紋加工是生產流程的終端工序之一，螺紋加工中的質量問題有可能使之前已經過昂貴加工過程的工件毀于一旦。在競爭激烈的市場環境下，要求實現快速、有效和可靠的螺紋加工。高效螺紋加工（High Performance Threading, HPT）是指在攻絲和螺紋成形加工時采用高效切削（HPC）技術，它需要考慮所有相關要素，而不僅僅只是刀具。在攻絲和螺紋成形加工中，為了退出刀具，機床主軸通常需要反轉，這就使能夠采用的切削速度受到限制。在引入高效螺紋加工（HPT）技術時，由于提高切削速度的作用受限，因此其他要素就變得更為重要。除了切削或成形刀具以外，還需要考慮螺紋加工原理、刀具夾頭與刀具夾持、加工工藝、冷卻潤滑，以及更進一步考慮加工過程的監控和產品的檢測、計量和量具校準。加工時間、輔助時間、安裝時間和檢測時間也必須予以考慮。只有將所有這些要素很好地組合到一起，才有可能實現高效螺紋加工。本文將對上述要素進行評述，介紹成功實現高效螺紋加工并最終轉化為高盈利性螺紋加工的解決方案。

    2 高效螺紋加工

    高效切削已成為一個眾所周知的概念。但是，對于各種不同的切削工藝，高效切削的關注重點也有所不同。其中，螺紋加工是一種非常特殊的加工方式。本文試圖回答以下問題：什么是高效螺紋加工？怎樣實現高效螺紋加工？高效螺紋加工有什么益處？

    高效螺紋加工意味著提高總的刀具加工效率（這里主要指單位時間加工的螺紋數量）。為了實現高效螺紋加工，當然需要提高切削速度。但攻絲和螺紋成形加工通常需要機床主軸反轉以退出刀具，由于機床能力所限，這就限制了切削速度的提高幅度。因此，其他一些要素（如加工時間、輔助時間、安裝時間和檢測時間）就變得更為重要。

    高效螺紋加工還意味著加工質量、避免報廢或將返工率降至最低，這就包括了螺紋檢測以及量具校準。最后，還必須通過監測螺紋加工過程，在各種問題出現之前及時預測和防范，從而避免出現難以預見的非生產時間。為了成功地實現高效螺紋加工，就必須全面考慮螺紋加工的全過程。

    3 螺紋廓形與螺紋加工方法

    有許多種不同的螺紋廓形，包括外螺紋和內螺紋。螺紋加工方法也很多，本文主要討論3種最重要的內螺紋加工技術：攻絲、螺紋成形加工和螺紋銑削。這些加工方法的工藝特點如下：

    （1）攻絲加工：①有屑切削加工；②連續切削；③主軸反轉；④加工內螺紋；⑤通過切削刃分層切削→螺旋拉削過程去除材料；⑥刀具材料主要為高性能高速鋼（HSS-E），有時也采用硬質合金；⑦使用不涂層和涂層刀具；⑧適合加工材料：HSS-E刀具≤HRC55；硬質合金刀具≤HRC63。

    （2）螺紋成形加工：①少屑加工；②分步（分層）成形加工；③主軸反轉；④加工內螺紋；⑤通過材料轉移形成螺紋；⑥刀具材料主要為高性能高速鋼（HSS-E）有時也采用硬質合金；⑦使用不涂層和涂層刀具；⑧適合加工材料：≤1200N/m2；破裂應變≥8％。

    （3）螺紋銑削加工：①有屑切削加工；②斷續切削；③主軸不反轉；④加工內、外螺紋；⑤通過三維碎屑去除材料；⑥刀具材料主要為硬質合金，有時也采用HSS-E；⑦通常使用涂層刀具；⑧適合加工材料：硬質合金刀具≤HRC60。

    4 螺紋銑削

    這是一種采用斷續切削方式的有屑切削方法。工件材料以一種三維螺旋插補方式被切除（形成短逗點狀切屑），內螺紋和外螺紋均可加工。銑削螺紋時，主軸和刀具無需反轉。螺紋銑削的優點之一是用一把刀具可以加工出幾種螺紋牙型。

    鉆銑加工是高效加工螺紋的一個例子。采用這種方法，可以只用一把刀具就完成鉆孔、倒角和螺紋銑削加工，從而可以縮短非加工輔助時間和換刀時間。鉆銑刀可用于加工鋁、鑄鋁和鑄鐵工件。

    必須指出，采用螺紋銑削工藝，還能實現硬質螺紋銑削加工。例如，用一把H型圓周鉆銑刀（ZBGF H）可以在硬度為HRC58的硬材料上加工出螺紋（對于熱處理后的工件上遺漏的螺紋是一種非常完美的補救方法）。

    當然，螺紋銑削也有一些需要解決的問題，如牙型補償、加工編程，以及加工循環內外需要專門考慮的一些問題。

    螺紋銑削的一個優勢是可以去除在螺孔始點和終點處的不完整螺紋。

    為了進一步提高生產率，螺紋鉆銑刀還可以與一種以點（或端部）確定相位的刀具組合使用。這種模塊化系統（Mosys）刀具可以通過一次操作加工出復雜的孔/螺紋/倒角組合結構。

    5 攻絲

    攻絲是一種連續切削、有屑切削的螺紋加工方式。工件材料通過徑向尺寸遞增的切削齒被次第切除，這就意味著攻絲是一種螺旋拉削加工方式。

    絲錐通常用熔煉高速鋼或粉末冶金高速鋼（HSS-E）制造。在某些情況下，絲錐材料也可以采用硬質合金。攻絲可用于加工硬度在HRC63以下的工件材料。絲錐螺旋槽的旋向對刀具有很大影響，取決于是加工通孔螺紋還是盲孔螺紋，加工通孔時采用左旋槽，加工盲孔時采用右旋槽（加工右旋螺紋）。通常，每種槽型都會形成幾種切屑卷。切屑在排屑槽中的流動方向與刀具進給方向一致或相反。切削力和排屑槽的方向將引起不同的反作用力，將刀具拉入孔中或阻止刀具前進。絲錐夾頭應該對這些力予以補償。

    攻絲作為一種完整的加工過程，需要考慮以下參數及其相互作用：工件材料、刀具材料、刀具幾何形狀、加工工藝、刀柄與機床、涂層與冷卻/潤滑。如果修改其中一項參數，就會引起其他參數的連帶變化，因此需要對這些參數也進行相應的調整。尤其對于攻絲而言，不恰當地調整加工參數可能會降低螺紋加工性能和/或縮短刀具壽命。攻絲與其他加工方式不同，它只有一個（僅在一定范圍內）可選擇的切削參數（即切削速度Vc）。因此，所有其他參數都必須集成到刀具之中，以使刀具適合特定的加工要求。由于攻絲加工范圍廣泛、要求各異，為了達到最佳切削性能，就需要分別設計各種不同的絲錐。

    因此，絲錐應根據具體的加工要求來設計和制造。在設計過程中，應根據需要選擇相應的絲錐特性。絲錐通常選用不同的粉末冶金高速鋼（HSS-E）牌號制造，這些材料可實現硬度、高紅硬性、耐磨性和拉伸強度的最佳組合，尤其對于盲孔攻絲來說，由于絲錐需要在反轉時切除切屑，因此對材料性能要求很高。絲錐的熱處理方式取決于所用的高速鋼牌號和刀具用途，它是絲錐制造達到質量要求必不可少的工序。

    絲錐的幾何形狀應根據工件材料來設計，不僅要考慮前角，還要考慮后角。與許多其他刀具不同的是，螺紋牙型本身就是刀具幾何形狀的一部分。絲錐螺旋槽的螺旋角對于切屑流的控制至關重要。絲錐所用涂層也會影響切屑流，同時還會對積屑瘤的產生以及切削熱在工件、切屑和刀具之間的傳導產生影響

    在高速攻絲加工中，溫度的控制變得更為重要。通常，絲錐和螺紋成形刀具的涂層采用PVD工藝涂覆，該工藝的沉積溫度低于高速鋼材料的退火溫度。

    攻絲加工實例：在立式CNC加工中心上，用德國EMUGE公司帶內冷卻最小量潤滑（MQL）功能的柔性同步攻絲夾頭和EMUGE Rekord 2A-S型TiCN涂層絲錐，以60m/min的切削速度，在鑄鐵（GGG40）制動零件上加工M14-6GX螺紋。

    6 螺紋成形加工

    螺紋成形（滾壓成形）是一種少屑加工工藝。螺紋牙型是通過在多次滾壓成形過程中，工件材料發生位移而形成的。一般來說，所有成型性優良的工件材料（通常指拉伸強度小于1200N/mm2、斷裂伸長率大于8％的材料）基本上都可以利用該方法加工螺紋。

    螺紋成形加工通常可以提供比攻絲加工質量更好的螺紋表面，并能避免排屑問題。因此，它尤其被推薦用于深盲孔和小直徑孔的螺紋加工。在螺紋成形加工中，必須嚴格控制預孔的孔徑。即使孔徑出現很小的差異，也會導致刀具因螺紋過度成形而發生破損。

    BMBF的“干切削”研發項目證明了對鑄鋁材料（GK-AlSi9Cu3）進行滾壓成形加工的可能性。通過對各種潤滑劑和潤滑劑供液系統的對比研究，得出的結論是：潤滑劑對滾壓成形加工具有很大影響。采用最小量潤滑（MQL）內冷卻滾壓絲錐，可使加工扭矩值減小到與采用水基冷卻液幾乎相同的水平（僅為干切削扭矩值的1/3）。該項研究表明，在螺紋成形加工中，也有可能用MQL技術替代澆注冷卻方式。

    螺紋成形加工實例：在臥式CNC加工中心上，用EMUGE公司的內冷卻（20巴水基冷卻液）柔性同步攻絲夾頭和EMUGE 2 Drück-S-?L-IKZ-TIN-T1滾壓成形絲錐，以30m/min的切削速度，在拉桿（材料為42CrMo4V）上加工M14×1.5-7GX螺紋。

    7 同步攻絲（剛性攻絲）

    同步攻絲加工是指通過數控方式使刀具和機床主軸的軸向運動（通常比較慢）與旋轉運動（通常比較快）保持同步，從而使螺紋的螺距線始終保持在刀具切削刃的任一部分上。這種螺距運動的精確性減少了發生螺紋漏切的可能性（該現象常常被認為是直徑過大，但實際上是螺距中斷）。不過，必須對加工運動進行嚴密監測，如果在軸向運動與旋轉運動之間存在哪怕極其微小的不同步，也會產生對刀具影響極大的軸向力。這種軸向力將會引起更大的螺紋側面摩擦力，并加快刀具磨損，使其更容易失效。

    相當大的軸向力是由初始攻絲階段（開始切削時）逐漸產生的切削力引起的，而且在切削過程中不會消失；主軸超速和同步攻絲循環的固有誤差也會引起這種軸向力。EMUGE公司的柔性同步攻絲夾頭能夠對這種軸向載荷進行補償，實際上它基本上是一種剛性攻絲夾頭，但具有在±0.5mm范圍內進行最小長度補償（壓縮或拉伸）的功能，可以補償主軸超速和同步攻絲固有誤差引起的軸向力。

    柔性同步攻絲夾頭的作用就像位于機床主軸與絲錐之間的一個阻尼元件，用于彌補螺距的差異，將過大的軸向力和螺紋切削誤差減小到最低限度。它有助于高效螺紋加工的其他功能還包括：與采用剛性夾頭類似的高徑跳精度；通過彈簧夾頭或具有方形配合面的PGR夾頭牢固夾緊絲錐的能力。

    柔性同步攻絲夾頭還適用于其主軸具有內部供液功能的機床。通過內部通道輸送的冷卻液（壓力可達50巴）從絲錐上的軸向開孔或沿排屑槽開的孔中噴出，可將切屑通過螺紋孔沖出，同時達到最佳潤滑效果，從而大大提高加工效率。

    不過，同步攻絲加工也意味著，在整個攻絲過程中，切削速度是變化的，而且也不可能達到最大切削速度。由于其滑座的質量慣性和控制器速度各不相同，每臺機床都有自己特定的阻尼動態特性。因此，由于需要加工的螺紋深度不同，切削速度也始終在變化。此外，與加工通孔相比，加工盲孔時主軸需要更早開始減速。

    8 高效螺紋加工的刀具夾持

    PowRgrip系統是一種極其精確的絲錐夾持方式（對于高效螺紋加工尤其如此）。它采用一種機械夾緊系統，實現了大夾緊力、高徑跳精度，并具有用同一個夾頭夾持不同尺寸刀具的能力。這種夾持系統由一個刀柄、高精密彈簧夾頭，以及一臺用于將彈簧夾頭和刀具插入刀柄的小巧機械裝置組成。該裝置將彈簧夾頭插入刀柄的作用力超過6噸，所產生的夾緊力與熱裝夾頭不相上下，而且對小尺寸刀具沒有限制，也不存在使用高溫熱裝系統時的危險性。公差為h9的絲錐柄能夠毫無問題地夾緊，更換刀具只需幾秒鐘。還應該指出，這種PGR夾緊裝置用于夾緊其他一些刀具（如鉆頭和立銑刀）時，效果也非常好。利用一個非常簡單、易于使用的裝置，就能對刀具的長度進行預調。

    9 高速攻絲

    采用攻絲附件裝置是實現高速攻絲的一種有效解決方案。一般來說，采用該方法可以省略長度補償攻絲夾頭（其中集成了機床主軸的反轉功能）。攻絲附件裝置能夠實現在全螺紋深度上穩定地進行高速攻絲。通過取消長度補償裝置，可有效實現絲錐的反轉。攻絲附件裝置適用于M4－M20螺紋的高速加工。根據螺紋尺寸的大小，可采用1500－3000r/min的轉速進行加工。該裝置具有內冷卻供液功能（冷卻液最大壓力50巴）。刀具用彈簧夾頭夾持。

    攻絲附件裝置的攻絲操作步驟與采用常規的補償夾頭或同步主軸攻絲時的操作步驟類似。不過，一個公認的差別是，這種攻絲方法是以恒定的切削速度來加工整個螺紋深度，因此，其切削條件始終保持恒定。這不僅對切削/滾壓絲錐的加工狀態有利，而且還可以避開有可能產生積屑瘤的切削速度范圍。

    EMUGE公司的SWITCH-MASTER攻絲附件裝置具有以下優點：

    ①可顯著縮短攻絲循環時間和加工輔助時間，降低加工成本；②恒定的切削速度可提供更長的刀具壽命；③可減輕機床的磨損和破損，節省機床維修費用和購置成本；④恒定的功率消耗可以節約能源。

    旋轉方向的改變是通過外部輔助氣動裝置來實現的，其優點是：①齒輪換向時絲錐不會產生軸向晃動；②可使作用于絲錐螺紋側面的軸向力降至最小；③無論主軸轉速和螺紋螺距如何，都可以通過一個接近傳感器，以極高的精度確定齒輪的換向點。該功能可確保非常精確地加工出螺紋深度；④由于齒輪換向路徑較短，工件與絲錐之間的安全距離也可以縮短，從而能縮短攻絲循環時間；⑤旋轉方向的快速變換可減小齒輪換向零件的磨損；⑥采用全油浴潤滑提供了平穩和低磨損的運行環境；⑦攻絲附件裝置的軸向與徑向運動是彼此完全分開的，從而可以防止冷卻液相互滲漏問題；⑧止動夾具可以保護攻絲附件裝置，防止可能發生的扭曲，并起到傳遞輔助能量的作用。一旦止動夾具與機床類型完全符合，就允許進行自動換刀；⑨使用條件：適用于帶電主軸的CNC數控機床；螺紋加工范圍：M4－M12；最大轉速：3,000r/min；適用于右手螺紋加工（左手螺紋加工功能可選）；適用主軸型式：通過該裝置的標準（DIN 1835 B+E）直柄接口（直徑25mm），HSK、BT和CAT刀柄可以適用于該裝置的攻絲加工；內冷卻供液壓力：50巴，可選配最小量潤滑（MQL）功能。

    10 最小量潤滑（MQL）攻絲

    對于許多加工來說，內冷卻供液方式非常有益。內冷卻絲錐有兩種基本設計型式：一種是用于盲孔攻絲的IKZ型（內冷卻孔直接通過絲錐中心）；另一種是用于通孔攻絲的IKZN型（內冷卻孔通過絲錐中心，但出口位于排屑槽中）。

    對于MQL攻絲，還有一個額外要求。機床主軸與MQL攻絲夾頭、攻絲夾頭與刀具之間的轉換接口必須避免空氣阻抗和MQL氣霧分離。從液氣混合點到靠近刀具切削刃的出口，氣霧必須在封閉的管道中流動。為了對公差進行補償，接口處必須配備彈簧加載管，以確保氣霧能不間斷、無阻抗地流動。

    11 加工過程監控

    在高效切削（HPC）攻絲或螺紋成形加工中，除了螺紋加工本身以外，對加工過程的監控也非常重要。采用加工過程監測系統，有助于在各種問題發生之前對其進行預測和預防，從而縮短機床的故障停機時間；刀具可以使用到其實際壽命終結為止，而不必按預設的螺紋加工數換刀；即便是難度較大的加工，操作者也無需全時值守，從而使一人照管多臺機床乃至“熄燈生產”成為可能。

    EMUGE公司的DDU系統在攻絲夾頭上內置有一個傳感器，通過將探測到的加工功率和數據輸出變化傳送到非接觸式信號接收器，就能同時、實時地檢測出攻絲扭矩和軸向力。該系統還可以探測刀具的破損或缺失、預孔缺失、螺紋深度不完整等缺陷，它還能檢測加工過程中逐漸增大的刀具磨損，從而使準確預測刀具壽命，以及將刀具使用到壽命終結（刀具破損之前）成為可能。這樣就能縮短非加工時間，而這正是高效加工螺紋的重要組成部分。

    DDU系統還可以對每一次螺紋加工的數據進行記錄和歸檔，這一功能對于保證加工質量非常有用。每一次螺紋加工都各不相同，通過對一把新刀進行首次測量，可以區分這種差異。然后，可以對刀具加工螺紋過程中產生的軸向力和切削扭矩進行觀測和監控，隨著切削力的增大，可以實時檢測刀具的磨損狀況。

    12 螺紋的檢測

    ISO 9000系列質量管理標準的實施增加了檢測和驗證產品質量的重要性。在螺紋加工中，這項工作包括對已加工螺紋的檢測，以及對使用過的螺紋量規的測量與校準。

    需要檢測的一些螺紋參數包括：①螺距；②螺紋中徑；③小徑；④大徑；⑤同心度；⑥錐度；⑦牙型角。

    內螺紋的測量可以采用多種方法，如三點測量法。該方法使用一個安裝在長度測量裝置上的雙頭球形測頭進行測量。被測距離ΔL是測頭位置1到2的距離與1到3的距離的算術平均值。所有3個接觸點是否全都位于同一圓柱面（螺紋軸線）上并不重要。假如能完全對準螺紋軸線，兩點測量法（只需觸測1和2兩點）也能滿足測量要求。M是測頭上兩端測球的中心距（測頭常數）。利用一些公式對測量數據進行計算，就能確定螺紋中徑。計算時，需要考慮測球直徑、螺紋廓形，乃至測球在測力作用下的變形量等。這樣測得的只是螺紋中徑，為了獲得螺紋的小徑、大徑、同心度或螺紋廓形等，還需要進行其他測量。

    在實際生產中，一種更快捷、更實用的內螺紋檢測方法是采用螺紋量規（通止規）。螺紋量規可以快速、簡便地檢測和評估各種螺紋參數（如螺距、直徑、廓形、同心度、錐度等），從而確保后續裝配工序中零件的配合精度，避免因螺紋質量缺陷而延長裝配工序的非生產時間。

    13 螺紋量規的校準

    只有使用經過校準的螺紋量規，才能保證螺紋檢測的有效性。已磨損或因其他原因不準確的量規會造成對螺紋質量的誤判。按預定周期對量規進行校驗可以保證檢測結果的正確性。校驗方式不僅包括對量規進行測量，還包括與更高層級的標準進行比對。

    為了實現螺紋量規的校準，一個非常重要的前提條件是擁有連續傳遞的溯源路徑。測量的溯源性是指通過一個或多個量值傳遞層級，將一個相關測量的被測值與相應的國家基準進行比對。在每一個層級，都要將測量儀器與不確定性偏差更小、屬于更高層級的測量基準進行比對。測量基準的層級越高，其測量的不確定性就越小。一般的經驗法則是：上一級測量基準的不確定性約為下一級測量基準不確定性的1/3。量值傳遞層級的一個示例：第一層級為國家基準（如德國的PTB或美國的NIST）；第二層級為認證校準實驗室基準；第三層級為企業的工具室基準；第四層級為車間基準。量規和測量儀器的校準通常是在獨立的校準實驗室進行。利用相關的軟件，可以對量規的校準周期、測量結果等進行有效的跟蹤管理。

    14 小結

    高效螺紋加工并不只是需要提高切削速度，而是必須對整個工藝流程進行優化升級。必須采用合適的HPT刀具，并與恰當的刀具幾何形狀、涂層、冷卻潤滑系統、機床參數等相結合；此外，還必須對加工過程進行嚴密監控，對加工結果進行精確檢測。簡言之，為了實現高效螺紋加工，必須遵循以下10條原則：

    （1）根據加工任務選擇最佳螺紋加工方案（攻絲/滾壓成形/螺紋銑削）；

    （2）根據工件材料和加工要求，采用恰當的刀具材料和幾何形狀；

    （3）選擇適當的工藝參數；

    （4）選用合適的絲錐夾頭和刀具夾持方式；

    （5）選擇符合加工要求的刀具涂層；

    （6）確保工件安裝正確，機床剛度足夠；

    （7）考慮適用的冷卻潤滑方式（澆注式冷卻/MQL/高壓內冷卻）；

    （8）使用經過校準的螺紋量規檢測螺紋；

    （9）采用加工過程監控；

    （10）確保所有選擇功能的正確組合（例如：MQL潤滑+MQL夾頭+MQL絲錐）。