弱刚性结构件螺纹孔数控加工方法

1前言

弱刚性结构件是机械加工过程中出现加工回弹的薄壁焊接件，是工程机械行业常见的结构形式。这种工件板厚小，加工部位周围没有刚性加强。当刀具切入时，被加工零件发生弹性变形，被加工的孔径与机床主轴形成一个夹角。刀具退出时，机床带动刀具拉回，工件恢复原状，刀具受到较大的拉力，刀具和工件容易损坏。为了抵消加工过程中的变形，必须使用具有轴向和周向“间隙”的机床。目前，摇臂钻床在行业中应用广泛。摇臂钻床虽然操作简单，但经济实用。但自攻螺钉劳动强度大、质量差，不利于加工自动化率的提高。然而，传统的数控自攻螺钉对机床精度和工件刚度的要求较高，无法解决数控自攻螺钉用于弱刚性结构零件的问题。为此，作者制作了非标准攻丝刀具，实现了弱刚性结构零件的数控攻丝。

2工程机械行业常用的攻丝方法

目前工程机械行业大型结构件螺纹孔的攻丝方法有三种:摇臂钻床攻丝、数控机床刚性攻丝和数控机床柔性攻丝[1]。具体实现方法如下。

2.1摇臂钻床攻丝摇臂钻床是一种孔加工设备，其摇臂可绕立柱旋转升降，主轴箱在摇臂上水平移动，可用于钻孔、铰孔、铰孔、攻丝、刮端面等。摇臂钻床操作灵活，适用范围广，特别适合单件或批量生产带孔的大型零件。使用摇臂钻床攻丝，需要操作者始终在机器前操作，劳动强度大，加工受人为因素影响大，因此螺纹孔的定位精度差，加工的螺纹孔精度差。

另外，用摇臂钻床攻丝时，要加攻丝油，一般是铅油，可以降低切削温度，增加攻丝的润滑性，保证切削精度和丝锥寿命。这个操作步骤需要操作者手工喷漆，劳动强度大，而且攻丝油会影响螺纹孔和工件的清洁度，严重时会影响油漆附着力。

2.2数控机床刚性攻丝刚性攻丝是机床控制主轴旋转与Z轴进给同步的攻丝方法。刚性攻丝要求攻丝刀具和主轴严格固定，伸出和旋转方向一致。由于数控机床的手柄是刚性的，没有自动调整间隙的功能，所以在主轴上安装了一个位置编码器，其原理是C轴编码器走一次，螺距转一次。攻丝精度高，加工效率高。刚性螺纹攻丝常用的工具是花纹钻柄加ER弹簧套，结构简单，成本低，如图3所示。因为主轴角度和Z轴进给总是同步的，所以加工的螺纹精度高，如图4所示。卡盘和丝锥的连接是刚性夹紧，主轴转速和进给建立了严格的线性比例关系。因此，刀具强度高，攻丝效率高。但刚性攻丝对机床精度和工件装夹稳定性要求较高，不适合加工刚性较弱的结构件螺纹孔。

2.3数控机床柔性攻丝螺纹又称浮动攻丝螺纹，是一种主轴转速和进给量之间没有严格同步比例关系的攻丝方法。这样丝锥是轴向浮动的，丝锥的轴向运动是由切入工件的螺纹驱动的。根据龙头的自导向能力，它只需要提供旋转运动。带有柔性攻丝卡盘的工具通常用于加工中心柔性攻丝螺纹。如图5所示，西门子840D系统MCALL CYCLE840柔性攻丝循环用于数控攻丝。攻丝工具的夹紧部分设有过载保护离合器。当攻丝扭矩超过工具设定扭矩时，过载保护离合器断开，丝锥停止进给，防止丝锥断裂。

由于柔性攻丝螺纹的累积误差，主轴转速低于刚性攻丝螺纹，加工中心柔性加工效率低，适合中小批量生产。柔性攻丝机床参数少，直接调用柔性攻丝循环就可以了，对调试人员要求不高。但在加工刚性较弱的结构件时，螺纹孔加工部分会发生局部变形，导致攻丝扭矩超过刀具设定扭矩，无法完成正常攻丝。

3弱刚性结构件螺纹孔的加工

起重架是起重机的重要结构部件，由法兰和立板焊接而成，两侧立板较薄。加工法兰上的螺纹孔时，工件受到轴向和径向的切削力。由于被加工零件刚性差，攻丝刀具相对于后尾翼产生相对力，导致后尾翼立板变形。底孔轴线和工具丝锥轴线之间的偏差。

经现场验证，用刚性丝锥工具加工起重架螺纹孔时，由于立板变形，丝锥退出时，机床带动丝锥回拉，工件恢复原状，丝锥被工件拉断，导致断裂。使用柔性攻丝工具加工起重架螺纹孔时，由于立板变形，丝锥受到较大的轴向和径向反作用力，攻丝扭矩超过攻丝工具设定的扭矩，导致丝锥空转，无法完成攻丝。

从以上分析可以看出，无论是刚性攻丝刀具还是带柔性卡盘的攻丝刀具都无法实现这类工件螺纹孔的数控攻丝。因此，有必要设计制造一种非标准攻丝刀具，解决标准攻丝刀具存在的问题，实现加工中心的数控攻丝，提高结构件的自动化水平。