螺纹滚压工艺原理分析及方法改进

郑向周



螺纹滚压工艺原理分析及方法改进

郑向周

(运城职业技术学院机电工程系 山西运城 044000)

针对企业在大批量生产六角头螺栓、双头螺柱等带有螺纹的零件时，使用滚丝机进行滚压加工能加大生产效率。介绍了螺纹滚压工艺原理、螺纹的啮合条件和运动过程，分析了滚压操作要领和产生故障的原因。经过多次试验得出，各种材料在滚压前应加工的中径尺寸以及滚压过程中易出现的问题及处理方法，为实际生产提供参考依据。

螺纹滚压工艺 故障排除 原理分析 中径尺寸

螺纹加工有车螺纹、铣螺纹、滚压螺纹、攻丝、套螺纹等各种工艺方法。车螺纹、攻丝、套螺纹等工艺方法一般都是借用车床等其它非螺纹类机床进行加工，效率不高，但对操作者的技能要求却很高，不利于大批量生产。用滚丝机进行螺纹滚压生产的工序操作简单、生产率高、加工范围广，滚压后材质纤维不被切断，螺纹成形质量高，刀具使用寿命长[1]，故在成批量加工各种外螺纹中得到广泛使用。外螺纹滚压产业在国民经济中有着重要的地位[2]，有必要对其原理过程及改进方法进行详细分析。

1 螺纹滚压的基本原理及操作要领

1.1 螺纹滚压的基本原理

要滚压出合格的螺纹工件，一台无病的螺纹滚丝机是必不可少的。国内已有不少专门生产螺纹滚丝机的厂家，也有自行设计制造螺纹滚丝机的单位。滚丝机工作的基本原理是通过液压力推动两个标准滚丝轮对工件进行加工。如图1所示，滚丝轮同时做旋转运动和挤压进给运动，从而在工件上挤压出标准的螺纹来。

图1 螺纹滚压原理示意图

滚丝轮是易消耗品，有专门的生产厂家进行生产，已形成标准化系列，有良好的互换性。支撑工件的支撑板也是消耗品，一般需要生产企业自行配备。为了不划伤工件，支撑板一般采用材质较软的铜质材料，并根据机床结构对支撑板的尺寸进行设计计算。

图1中，工件与滚丝轮轴线水平对齐，从图中可以看出：＝－－，

其中，为滚丝轮轴线到工作台距离；为工件外径；为固定座高度；为支撑板高度。支撑板的宽度以不干涉滚丝轮并能支撑起螺纹即可，宽度在一定范围内可以进行适当调节。

1.2 滚压操作要领

(1)滚压前调整滚丝轮的轴向距离，使两个滚丝轮轴向偏移1／2螺距。实际操作时先在工件表面轻轻滚压出一道印痕，检查左右两个滚丝轮滚压出的印痕是否重合。若不重合，则需调整滚丝轮的轴向距离至印痕重合可以进行螺纹滚压为止。

(2)调节滚丝轮中心距离，使工件挤压合适至能够滚压出合格的螺纹。挤压不能太轻也不能太重，两轮中心距离到达预定尺寸后，动轮停止进给运动，继续滚转几周对螺纹廓形进行修正后退出[3]。试加工时需用螺纹环规检查螺纹质量是否合格，定好滚压行程后即可进行滚压。在滚压过程中需对每一个螺纹进行检验。

2 螺纹滚压过程中经常遇到的故障与排除方法

要滚压出合格的螺纹，除了要有合适的螺纹中径尺寸外，滚压过程中常见的故障问题及解决办法见表1。

表1 螺纹滚压过程故障类别及排除办法

故障类别产主原因排除方法 中径尺寸小而外径大滚压时间过长，压力高，活动主轴位置调整太近增大滚丝轮径向距离，减小滚压时间 中径尺寸大而外径小滚压时间短，压力低，活动主轴位置调整太远减小滚丝轮径向距离，增加滚压时间 中径尺寸合格，外径过小滚压前中径尺寸过小测量中径尺寸是否合格 中径尺寸合格，外径过大滚压前中径尺寸过大测量中径尺寸是否合格 工件发生轴向移动工件的中径尺寸不正确检查滚丝轮与所加工工件是否匹配 工件螺峰被挫钝支承块偏低支承块粗糙度大调整支承块高度 检查支承平面粗糙度 工件螺纹乱扣主轴轴向发生较大移动中径尺寸不对检查滚丝轮是否固定好 检查滚丝轮与所加工工件是否匹配 工件滚压中途跳出支承块偏高 两滚丝轮直径不同调整支承块高度检查滚丝轮外径 滚压时产生细屑或鳞片牙位调整不好滚压时间太长调整滚丝轮轴向距离 调整滚压时间 滚压时工件过热主轴转速过高，进给速度太快滚压压力过大调整滚丝轮转速和进给速度，调整滚压时间

从表1中可见，大部分故障都与螺纹滚压前的中径尺寸有关。另外滚压时滚丝轮的径向距离、滚丝轮的滚压力、进给速度、转动速度、滚压时间的长短、工件支撑高度等都可能影响滚压后的螺纹质量。

3 螺纹滚压故障原因分析

3.1 螺纹的导程、螺距、头数与升角关系

为分析螺纹滚压成型原理，图2所示给出螺纹的导程、螺距、升角和头数关系及示意图。

图2 螺纹导程、头数、螺距、升角关系图

图2中，螺纹沿中径圆展开后有：

tan=(1)

式(1)中，为螺纹中径，mm；为螺距，mm；为导程，mm；为螺纹升角，(°)。

若螺纹线数为 1，则螺距=；若螺纹线数为，则有：

=(2)

3.2 滚丝轮与螺纹啮合过程分析

滚丝轮与工件螺纹相啮的条件如下：

(1)滚丝轮螺纹内凹牙型与工件螺纹牙型一致；

(2)滚丝轮与工件螺纹螺距相等，螺纹升角相等，但因外啮合旋向相反；

(3)滚丝轮与工件啮合中径处的运动线速度相等；

(4)滚丝轮与工件螺纹头数不相等。

设滚丝轮转速为1，r/s；中径为1，螺纹线数1，螺距；设工件转速为2，r/s；中径为2，螺纹线数为2，螺距为。

转动时在啮合中径处线速度相等，则有：1π1=2π2

从而得到：

可以看出，滚丝轮与工件转速之比与其中径成反比。

由式(1)、式(2)得：tan1＝，

tan2＝

啮合时滚丝轮与工件螺纹升角相等，从而有tan1＝tg2，得到：

所以在理论上，只要所滚压螺纹外径和头数之比与滚丝轮外径和头数之比相等，并且满足上述啮合条件，同一副滚丝轮就可以滚压不同外径螺纹的工件。在实际生产中受螺纹大小及滚丝轮型号的限制，一副滚丝轮只固定滚压一种螺纹。滚丝轮的制作尺寸一般与相应需要滚压的螺纹外径匹配，比如滚压直径尺寸较小的螺纹就没有必要制作外径很大的滚丝轮。

3.3 运动过程分析

在工作过程中，工件和滚丝轮啮合在一起，以相反方向转动。分析滚丝轮和工件的运动过程如下：

(1)假定工件不转动，轴向不固定，滚丝轮的轴向固定，在时间(s)内由导程定义，工件将沿滚丝轮轴向的爬升距离为：

1＝11＝11(mm)；

(2)实际上，工件转速为2，在时间内工件沿滚丝轮轴向与上述移动相反方向爬升距离为：

2＝22＝22(mm)；

只要工件原始中径尺寸合适，且符合正确啮合条件时，在螺纹滚压过程中工件是不会发生轴向位移的。当一副滚丝轮制作好之后，其外径尺寸与其螺纹头数之比是固定的，所以要滚压的螺纹工件的外径尺寸也是固定的。如果用滚丝轮滚压原始外径错误的工件，在强行滚压时将会发生工件轴向窜动和乱扣等现象。

4 滚压前螺纹中径的车削尺寸

在滚丝轮牙型的作用下，滚丝轮滚压外螺纹时，螺纹会发生塑性变形，所以滚压前的光杆尺寸即为螺纹中径小于成形后螺纹的外径尺寸。以60°普通螺纹牙型为例，根据螺纹牙型结构即可计算出螺纹滚压前的中径尺寸。在实际生产中这样的中径尺寸并不能滚压出合格的螺纹。根据以上的分析，如果中径尺寸不合适，就会引起滚压故障，导致滚压出来的螺纹不合格。根据工件材质的不同，大批量车制时应先做一下试验，确定合适的尺寸后再进行生产。一般实际尺寸要比理论中径尺寸小0.02～0.1 mm不等，所要滚压的螺纹尺寸越大，相应的中径尺寸应该小一点。

以下是在长期实践过程中总结出的部分材质螺纹滚压前中径尺寸的应给公差，列表如下：

表2 部分材质滚压前应车螺纹中径值

材质螺纹规格中径尺寸/mm上差/mm下差/mm 35CrMoM65.35－0.04－0.08 GW136M87.188－0.03－0.06 45M109.026－0.04－0.08 冷拉钢20M16-14.701－0.04－0.08 锻钢42CrMoM2018.376－0.06－0.1 冷拉钢20M24-22.501－0.06－0.1 锻钢45M3027.727－0.06－0.1 35CrMoM3027.727－0.08－0.12 GW136M3330.727－0.08－0.12

5 结语

螺纹滚丝机按型号不同，可滚压最大直径达100 mm、螺距最大为8 mm的不同螺纹，是螺栓类零件加工的关键性环节。实践证明，生产车间只要按以上正确的理论方法操作，再配以车床、铣床、钻攻床等设备，就能够充分发挥螺纹滚丝机的作用，完成大批量螺栓、螺柱等零件的加工任务。

[1] 陆建中,孙家宁.金属切削原理与刀具[M].北京:机械工业出版社,1993.

[2] 北京中经纵横经济研究院.中国外螺纹滚压产业发展趋势及投资前景研究[R].北京:北京中经纵横经济研究院,2009.

[3] 王启仲.金属切削原理与刀具[M].北京:机械工业出版社,2008.