大导程小直径螺纹孔电火花加工方法研究

刘振强，赵四强

（中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州 450015）

0 引言

小直径螺纹孔在日常生产和生活中有着广泛的应用，其加工尤其是大导程小直径螺纹孔的加工一直是机械加工领域的难题之一。由于电火花加工不用机械能量，不靠切削力去除金属，而是直接利用电能进行加工，加工过程易于控制；且可以加工任何硬度的金属材料、导电材料，包括硬质合金等。因此，可以利用电火花加工方法解决大导程小直径螺纹孔的加工难题，本文结合具体项目研究了一种基于电火花的大导程小直径螺纹孔的加工方法。

1 产品描述

某项目传动机构中的导向件，其导槽结构为非标准的多头大导程梯形螺纹。螺纹大径为7mm，小径为5mm，导程为80mm，零件结构如图1所示。该零件的材料为30CrMnSiA，经调质处理后，硬度要求为HRC32～37。由于工件内孔很小，且不完全贯通，材料硬度又较高，用常规机械加工方法很难实现。本文通过工艺分析、专用工装设计、加工流程说明及试验，试验证明：采用电火花加专用工装的加工方法，成功解决了材料硬度高，大导程小直径螺纹孔的加工难题。

图1 零件结构示意图Fig.1 Parts structure diagram

2 工艺分析

30CrMnSiA属于高强度合金钢，在硬度大于HRC30时，切削抗力较大，刀具需要有足够的刚性和强度，机械加工难度较大。

多头大导程螺纹通孔一般采用特制的拉刀，可以通过拉削方法完成螺纹孔的加工，加工精度稳定，效率较高，该方法适用于大批量生产。但由于拉削为多齿分层加工，所以拉刀的长度很大，被加工孔必须为完全贯通，该零件为单件小批生产，螺纹孔下方虽然也有通孔，但下方的光孔直径小于螺纹大径，且中间空刀位置尺寸太小，根本无法让出拉刀安装位置。

常规拉削方法无法实现，我们试图采用单刃勾头车刀，在能够定向旋转的数控车床上从内向外分层分头进行拉削加工。按照零件的结构尺寸计算，这样的勾头车刀刀杆最大极限直径只能做到4mm，有效长度大于30mm。根据前面的工艺分析，显然刀具的刚性和强度是不能满足要求的。

既然问题出在刀具的刚性和强度上，我们设想，是否可以采用电火花加工方法实现该螺纹孔的加工，由于电火花的电极与工件无直接接触关系，因此电极是不需要承受切削力的，也就不存在刀具刚性和强度问题了。但是电火花机床工作的运动规律为直线往复运动，直接使用是无法加工出螺旋槽的。如果我们能够改变机床的运动规律，让其在往复运动的同时按照特定的规律进行旋转运动，问题就能够迎刃而解了。

3 专用工装设计

专用工装的设计原则：①让电极实现旋转运动；②控制电极在往复运动过程中的旋转规律；③工装不允许让电极与机床工作台或工件之间导通。

按照以上设计原则，我们设计了专用工装，结构如图2所示。

图2 专用工装结构示意图Fig.2 Frock structure diagram

专用工装主要由过渡座、轴承、导向杆、导向套、电极、安装座、绝缘垫等组成。过渡座上端直接与电火花机床的主轴连接，安装座将工装可靠固定在机床的工作台上，导向杆、导向套则实现电极特定的运动规律。

电极通过紧定螺钉直接安装在导向杆下方，导向杆与过渡座之间轴承连接，可实现电极的旋转运动。

过渡座与导向套之间所有的连接面均采用绝缘材料隔离，包括螺栓组件，这样就避免了电极与机床工作台或工件之间的导通，保证了机床的正常工作。

由于导向杆与连接座之间的轴承在工作过程中要灵活转动，为了避免电路通过轴承时产生放电现象造成轴承损坏，可以将连接机床主轴的极性导线直接与导向杆上部连接。

工装导向杆上螺旋槽只需要控制导程和旋向与工件要求一致即可，与导向杆直径和螺旋槽形状尺寸都没有关系。为了制造方便，我们可将导向杆和导向套直径做大一些，且只需要加工一条螺旋槽。螺旋槽截面做成矩形，一是制作简单；二是容易控制与定位销的配合间隙。

电极结构如图3所示，工作面尺寸形状虽然受到工件的限制，但由原来的内螺纹变成了相应的外螺纹，且电极材料一般均选择紫铜或石墨，这就大大降低了加工难度。另外，电极是通过螺钉连接在导向杆上的，在受损后更换非常方便。

图3 电极结构示意图Fig.3 Electrode structure diagram

4 加工原理及流程

当机床正常进行工作时，主轴带动过渡座仍然做直线往复运动，但此时导向杆带动电极却在做特定规律的螺旋运动，这就实现了我们想要的机床运动规律。导向杆外圆上加工有导程为80mm的矩形螺旋槽，导向套内安装有与螺旋槽相配合的定位销。导向杆在上下往复运动的过程中，受到定位销的限制，只能作螺旋运动，沿轴向每移动80mm则旋转1周，这样就实现了我们所要的螺纹形状。

专用工装安装使用时，首先要根据机床的运动行程和工件的高度尺寸调整好安装位置，必要时可以在安装座下方增加适当的垫块，确保电极的正常有效工作范围，且在机床返回参考点时导向杆不会从导向套中完全脱出。

当设计要求螺旋线在工件端面上有起始相位要求时，需在电极杆上做出基准平面，手动将电极下降到与工件表面完全接触时锁定电极，调整工件与电极的方向正确后，将电极抬起，方可启动机床开始工作。

更换电极必须在一个工件螺纹槽加工完成之后进行，工作过程中不得更换，否则容易造成螺纹线混乱，当有起始相位要求时，更换电极后需重新调整工件安装位置和方向。

为确保产品的质量和加工精度，在进行正式产品加工之前，首先要进行新工艺试验，试验过程中，根据电极工作面预留的放电间隙，通过调整机床参数，达到产品符合设计要求后方可进行正式产品的加工。

大导程螺纹一般用于导向机构，其螺纹连接是不能够自锁的。本文描述的专用工装也正是利用了大导程螺纹的这个特性，才能够顺利实现电极的特定动作。通过改变导向杆上导向槽的特性，即可实现不同的规定运动。因此，该加工方法适用于各种非自锁结构的特形内孔加工。但由于电火花加工效率较低，电极损耗也较快，不适用于大批量生产。

5 结束语

本文通过对大导程小直径螺纹孔加工技术的工艺分析与研究，设计了专用的工装，并进行了加工工艺试验和样件试制，基本解决了大导程小直径螺纹孔的加工技术难点，满足了螺纹孔加工精度和加工质量要求。通过采用电火花加专用工装的螺纹孔加工方法，为大导程小直径螺纹孔的加工提供了新的方法和思路，加工方法合理有效、专用工装结构设计简单，适应性强，对于工艺研究和单件小批生产非常适用，具有一定的参考和借鉴价值，值得推广和应用。