钻孔和攻丝一次成形的加工方法及设备研究

祁孔忠

摘要：现阶段，我国机械制造产业已经进入到快速发展时期，同时也取得了很大的进步，针对当前实际情况，钻孔和攻丝一次成形的加工方法还需要进一步优化，相关设备生产效率有待提高，整体上与西方国家还存在一定差距，因此需要相关研发人员加大对这方面的研发力度，从而提升我国机械生产水平和生产效率。为此本文首先分析钻孔和攻丝一次成形的加工顺序，然后提出研发新型复合刀具，最后提出数控机床控制系统的设计，通过新型加工方法减少螺纹加工工序，提升加工效率，减少成本支出，以供参考。

关键词：钻孔;攻丝;一次成形;加工方法;设备

0  引言

现阶段，我国社会经济及科学技术水平发展迅速，国际综合竞争实力日益提升。高新装备技术逐步发展，但在机械加工方面的水平还有待完善。虽然我国近几年对数控加工方面的技术给予了高度重视，同时也加大研发力度，但与西方国家相比还是存在一定的差距，因此需要相关科研工作人员加大力度提高机械加工水平，缩小我国与西方发达国家在数控加工技术方面存在的差距，提升我国综合实力。

1  钻孔和攻丝一次成形的加工顺序

1.1 解决刀具问题

钻孔和攻丝一次成形的加工顺序，第一步就在于刀具。加工所使用的刀具简单来讲就是需要制作出一种前部分为钻头，后部分为丝锥的复合刀具。就钻头和丝锥两者的不同之处来讲，不仅仅在于切削、受力、排屑数量存在不同，而且在冷却速度、冷却方法上也存在一定的差异。针对这两种刀具复合体能否成功应用于实践中还需要进一步研究。

1.2 形成标准螺纹

解决钻孔和攻丝一次成形的第二步工序就是形成标准螺纹，主要目的在于促使刀具旋转速度与移动速度两者相配合，也就是在设计标准螺纹时，应严格保证刀具切削与进给两者在速度上达成足够精准的比例。例如在进行垂直方向的M10*1.5螺纹孔加工过程中，应该保证主轴带动刀具处于匀速旋转一周，同时还能够保证刀具匀速下降1.5mm，这种加工工序与车床加工螺纹的方式基本相同。这种攻丝方式利用刀刃切削的方式将底孔壁金属部分切削去除，从而形成一种标准螺纹，这样一个固定化的螺距也因此而加工成型。但是利用复合刀具进行标准螺纹加工时，采用上述螺纹加工方式却无法获得一个标准螺纹，主要因为在使用钻头进行切削工作时，要求钻头与固定刀具处于轴向状态，这样才能保证钻头具备足够的切削力矩完成底孔部分的加工，但是在进行螺纹部分的加工时却无法保证刀具处于自由轴向移动状态。除上述方式之外，也可以通过设计新的机构方式，来满足两道工序对刀具轴向固定方面的相关要求，但是这种加工方式无法掌控好过度时间以及加工力度，导致最终生产出来的螺纹质量较差，严重情况下很有可能会形成一种“乱丝扣”。

1.3 研发新型刀具

为有效解决钻孔和攻丝两者在加工过程中一次成形的问题，需要研发出一种新型刀具，并根据加工工艺构建一套相应的硬件系统及软件系统，这样做的目的在于更严谨的确保在进行螺纹切削过程中，刀具旋转与刀具下降两者速度处于匹配状态。通过上述优化改进，复合刀具与数控机床、控制系统之间相配合，更好的实现钻孔和攻丝的一次成形，同时还能够进一步提升机床中钻孔、攻丝在加工方面的工作效率[1]。

2  钻孔和攻丝一次形成所需刀具的研制

2.1 钻头

在进行新型复合刀具设计时，其刀具前部分为钻头，后部分是一种丝锥状，后部分的丝锥仅有一个螺距，这样设计的原因是为了配合钻孔的实际需要，刀具在处于轴向状态时需要采取措施将其加紧固定，这种情况下只能通过计算机控制的方式来确保螺纹的精准度，对于中间过度部分主要采取平滑的方式进行过度，这样螺尖部分也就逐渐形成。

在进行钻头加工过程中，因钻头位置切削时产生的金属比较多，同时排屑量也比较大，随之带来的热量也非常多，因此钻头位置的排屑槽情况较深而且都是螺旋状，设计深槽的主要目的在于降低刀具横向面积，从而减少刀具需要承受的切削力矩的能力。一般来讲，钻头位置的排屑槽数量是两个，从而组成一种类似“麻花”钻的形状。

2.2 丝锥

当前使用比较普遍的丝锥形式为三条直槽，这种形式与需要进行金属切削的方式以及切削数量存在一定的关联性，三条直槽在实际切削过程中，其刃部位置要与被切削的金属两者处于垂直状态，这样才能更好的完成进刀。但是这种切削方式对于排屑上不占据优势，这主要是受到重力的作用，使金属屑不能通过垂直上升的方式排出孔外。于是在进行实际加工时，金属屑就只能留在直槽中无法取出，同时这对丝锥冷却也存在不利影响，直槽在使用过程中会在一定程度上减少圆柱体承受扭矩上的能力。在进行攻丝过程中，使用小型号丝锥（一般小于M5）很容易出现断锥情况，基于以上分析，就算是一种比较粗直径的丝锥，也应该采取逐步下移的方式，从而提升其排屑方面的能力，有效减少因出现断锥情况带来的危险[2]。

关于丝锥排屑槽可以采用螺旋状，通过螺旋状槽进行加工的优势在于：一方面更方便排屑以及散熱;另一方面有利于提升丝锥在扭矩方面的承载能力。为有效证明螺旋槽与三条直槽在承受扭矩方面存在的差别，本文利用有限元软件AN SYS对三条直槽丝锥的承载能力以及螺旋槽的承载能力进行分别计算，从整体上来看，以上两种丝锥槽的截面形状是相同的，但因两者在应力流流向趋势存在差别;因此，这也就使得两者的承载能力也存在一定的差别，根据相关实践以及计算分析表明，两种结构形式的丝锥槽型号相同，但直槽形丝锥与螺旋槽丝锥相比，要低于5%以上的承载能力。

综上所述，在进行复合刀具的钻头以及丝锥两部分的设计时，全部采用三槽螺旋槽形状进行设计，一方面能够进一步提升排屑槽的排屑能力和排屑强度;另一方面方便进行刀具制作。在进行复合刀具钻头部分的设计时，可采用三槽的方式将其形成三个切削刃口，相比较于二刃口的“麻花钻”而言对中性更好，另外三槽与“麻花槽”两者在槽深上，前者明显低于后者25%以上，另外在开槽方面刀具在抗扭能力上也低于“麻花钻”产生的影响，简单来讲就是抗扭强度高于麻花钻[3]。

3  设计数控机床控制系统

3.1 数控机床特征

其一，在加工能力方面，通过数控机床能够进行形状比较复杂的零件加工，例如在飞机、汽车、船舶等领域的制造部门具有重要性生产地位，加工质量对整个机器产品的性能带来直接性影响。数控机床在加工过程中，可以实现任意可控，能够完成以往采用普通加工方式无法完成或具有困难、复杂性的零件进行加工[4]。

其二，加工出来的产品对质量要求比较高。从整体上来讲，利用数控机床进行产品加工，其加工原理在于通过CNC编程程序进行控制来实现机床自动加工，与人工加工相比较，有效降低因人为因素造成的误差，同时出现的加工误差情况也可以通过数控系统，运用软件技术的方式进行相应的校正和补偿处理。基于以上足以证明，采用数控机床进行产品加工能够切实提升产品的精确度以及加工质量。

其三，使用数控加工与普通机床加工两者相比较之下，采用数控加工能够提升生产效率为2倍到3倍以上，在进行比较复杂性的零件加工时，数控加工的生产效率可提升至十几倍以上，尤其是在进行五面体加工中心以及柔性单元方面的产品时，完成一次零件装夹就几乎等于是完成所有部分的加工;采用数控加工，一方面能够降低因装夹而出现的定位误差问题发生;另一方面切实降低产品加工过程中辅助性的加工内容，进一步提升产品加工效率[5]。

其四，对于各零件加工，只需要将零件加工程序改变一下即可使用，而且在使用过程中基本上不需要专门制造与零件相应的工装夹具，同时还能有效缩短产品的研制周期与生产周期，可适用于更多类型的品种、各种中小批量产品生产的需要。

3.2 分析数控机床控制系统

通过一台低挡数控钻铣床，将其中的刀具逐渐向下移动，由原本的步进电机带动其中的滚珠丝杠驱动，其中机床的主轴电机采用的是双速电机，可以适用于钻孔、攻丝在运转速度方面的实际需求，一般情况下，高速比较适用于钻孔，低速适用于攻丝，另外在机床主轴部分安装同轴光电编码传感器，主要用于测量刀具运转速度。在进行攻丝过程中，计算机系统受到光电编码脉冲传送的信息，从中得出刀具下移速度，并将数据换算为步进电机脉冲当量，这时候计算机就会根据数据发出脉冲数，利用脉冲放大器将数据传送给步进电机，步进电机就会根据脉冲数同时完成螺纹切削这一工序。例如采用控制核心为单片微处理器89C52，其中P1负责接收光电编码器传送来的信号，通过定时中断，促使P0口输出与刀具旋转速度两者相匹配，同时使用具有改写功能的存储芯片将其中的螺纹参数记录下来，这样做的目的在于促使机床能够进行多种类型螺纹加工。

4  总结

综上所述，本文首先从解决刀具问题、形成标准螺纹、研发新型刀具三个角度提出钻孔和攻丝一次成形的加工顺序;然后从钻头、丝锥两个角度提出钻孔和攻丝一次形成所需刀具的研制;最后从数控机床特征、分析数控机床控制系统两方面分析数控机床控制系统的设计，旨在以此文能够为相关人士提供参考，进一步提升产品加工成效以及产品质量。

参考文献：

[1]吕鹏程.锚具夹片钻攻一体机的设计与研究[D].安徽理工大学，2019.

[2]张渝，楊时敏，袁睿斌，吴战武，张英杰，刘洋，徐志刚.包覆药柱复合加工整形系统的实现及钻孔工艺方法研究[J].工具技术，2018，52（09）：93-97.

[3]陈永亮，彭涛，刘德帅，王志江.面向现场加工的全液压驱动主轴水下钻孔特性建模与优化方法[J].中国机械工程，2018，29（04）：471-476.

[4]教传艳，吴敬.车床钻孔攻螺纹加工方法及工装设计[J].金属加工（冷加工），2017（10）：42-43.

[5]李贺德，张仁成.小件批量钻孔和攻螺纹的效率改善[J].金属加工（冷加工），2017（09）：47-48.