娄星机械现场分析螺纹攻牙的加工方法

    在科技高速发展的今天, 各种装备在制造时需加工大量的内螺纹, 而内螺纹加工方式和技术却没获得突破, 虽然有刀具公司对影响高速攻牙的各个环节进行了大量的研究, 如开发高速丝锥、丝锥切削部分加钛涂层、改善润滑剂、设计浮动丝锥夹头等, 取得了一定的进展。但对于小孔、薄板的内螺纹加工用传统攻牙方法如手工攻牙机、钻床攻牙、车床攻牙、压铸内螺纹及专用的攻牙机, 和内螺纹加工新技术如挤压攻牙、振动攻牙及数控铣螺纹技术都不能进行高效大批量加工。多数情况受场地和条件限制只能用手工攻牙机, 并且在加工过程中常常导致丝锥的磨损、阻塞特别是折断, 有的甚至使得产品成为废品, 生产效率低, 成为小孔、薄板攻牙的一个瓶颈。由于内螺纹加工方法的效率较低, 严重制约机械产品的生产效率。在现代制造技术快速发展的环境下, 对于大量高品质和高精度的螺纹孔的要求不断增加, 然而当前的攻牙技术不能完全满足要求, 就需要一种高效, 便宜的攻牙技术。娄星机械应用创新理论设计方法, 针对小孔、薄板的内螺纹加工提出不同于传统攻牙的新方法--冲击攻牙。

1、创新设计理论的主要观点与方法

创造( Creation) 强调新颖性、独特性和实用性, 而创新( In-novation) 是创造的某种实现, 是集科学性、技术性、社会性、经济性于一身, 并贯穿于科学技术实践、生产经营实践和社会实践的一种横向性实践活动。根据设计的内容特点, 创新设计可分为开发设计、变异设计和反求设计三种类型。创新发明的源泉是人类思维的创造性, 也即创造性思维。创造性思维方法有近百种,可以归为五大类: 1) 逻辑推理类创造方法, 有分析法、变化法、类推法、演绎法、归纳法、类比法、观察法、自然现象探求法、组合法和分解法; 2)信息启发类创造方法, 有新技术应用法、技术移植法、专利利用法、情报整理法、横向思考法、逆向思考法及信息交合法; 3) 市场驱动类创造方法, 有缺点列举法、用途扩展法、功能诱导法、应需创造法、等价交换法和废物利用法;4) 思维技巧类创造方法, 有逐步逼近法、模仿法、提示目录法、思路提示法和相关树法; 5) 灵感类创造方法, 有大胆设想法、捕捉机遇法、联想法、形象思维法、灵感法和互相激励法等。灵活运用这些方法的同时创新者要有如饥似渴汲取知识的欲望和浓厚的兴趣, 要具备强烈的创新意识与动机和坚持创新的热情与兴趣; 还要积极的克服环境障碍、心理障碍、认知障碍及信息障碍。

设计是人类改造自然的创造性劳动, 设计的本质就是创新。机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力, 利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法、技术原理等),进行创新构思, 设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种活动。它包含两个部分: 一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、实用性等; 二是创造设计出新机器、新产品,以满足新的生产或生活需要。创新是机机械设计与制造械设计中的核心。创新设计本身, 是要求在设计中更充分发挥设计者的创造力, 利用最新科技成果, 在现代设计理论和方法指导下, 设计出更具竞争力的新颖产品。因此, 设计者是设计方向的驱动者, 设计者创造性思维在设计过中的发挥与应用将决定产品创新程度。创造性思维主导、决定着机械创新设计。机械创新设计的过程大都从形象思维开始, 然后经过逻辑推理和判断相应的综合、分析与决策, 而产生设计, 然后进一步将其设计具体化。作为设计主体的机械设计人员必须重培养和开发创造性思维习惯及能力, 挖掘自身潜能, 形成创新意识和能力. 机械创新设计技术是设计员针对新的或预测的需求, 充分发挥自己的创造性思维, 运用先进的设计方法、理念构思并设计出过去没有的全新产品的技术。

2 冲击加工螺纹的机构创新设计

2.1 功能原理分析

攻牙加工过程中丝锥刀刃的运动轨迹为螺旋型, 就必须要求为丝锥提供旋转运动和进给运动, 要实现内螺纹加工就必须为丝锥提供上述两个运动所需要的力矩和速度, 并且攻牙过程中丝锥需克服稳态负载和动态负载, 切削瘤的变化、材质发生变化以及其它因素变化形成丝锥的动态负载。而保证攻牙的速度和质量的关键是否能为丝锥提供能量克服动态负载。由于薄板小孔螺纹加工历程较短, 采用将传统的丝锥旋转运动和进给运动所需要的两套不同机构的稳态能量提供方式, 改变为具有动态峰值能量的提供方式 - - 冲击提供能量。冲击攻牙是利用冲击部件所具有的惯性能量使丝锥产生攻牙的旋转运动和轴向运动, 这种冲击能量具有动态瞬时作用的性质, 充分利用动态瞬时能量比较大,能量集中和可以将低能量储备成为动态高能量的思想, 从而将有限的能量集中起来, 实现较大的工作能力, 以大幅度提高攻牙的效率。即冲击攻牙装置是应用冲击部件 - - 冲锤所具有的惯性能量的储备特性, 将丝锥攻螺纹过程中丝锥克服载荷所需要的旋转运动和轴向运动的能量由冲锤来提供, 应用弹性恢复元件提供丝锥反程运动所需要的动力, 采用动力减振元件来调整丝锥的初始运动和初始工作状态。冲击攻牙机的机械系统如图 1 所示。

在此系统中动力部分为冲锤, 执行部分为丝锥, 控制部分根据板厚和孔径的大小控制冲锤的速度和加速度进而控制传动部分传递给丝锥一个合理的速度和扭矩。在本系统中的关键部分是传动部分, 下面主要就传动部分进行设计。

2.2 传动系统方案设计

传动系统的功能如图 2 所示。

黑箱即传动部分的功能: 输入是直线运动, 输出是旋转运动和轴向运动, 旋转运动由正向旋转和反向旋转组成, 正向旋转是进行攻牙, 反向旋转是退出工件, 并且一次直线运动必须使得正向转动大于一周, 这就要求主运动以直线运动形式变换到转动形式; 要求冲击力对丝锥径向的影响尽可能的小, 以保证丝锥攻牙的稳定性, 减小丝锥折断的几率, 因此要求丝锥的旋转轴线与冲锤的冲击力方向平行。根据这种思想设计了四类能完成黑箱功能的机构, 其中它们的回复都由弹簧返程动力提供, 丝锥的初始运动和初始工作状态通过动力减振来调整, 最后由主运动的转动通过螺旋传动机构输出丝锥的螺旋运动, 即旋转运动和轴向运动。

2.3 冲击攻牙传动系统方案设计

( 1) 齿条 - 齿轮 - 锥齿轮机构方案。齿条 - 齿轮 - 锥齿轮机构传动方案如图 3 所示。冲锤向下运动, 给齿条施加向下的力, 齿条带动与之啮合的齿轮转动, 齿轮与锥齿轮固联, 再通过锥齿轮调速输出丝锥攻牙需要的扭矩和角速度。攻牙完成后冲锤退回, 齿条在弹簧的恢复力作用下, 齿条反向运动, 通过齿轮驱动丝锥反向运动, 退出工件, 完成一个工作循环。

( 2) 滑块 - 连杆 - 齿条 - 齿轮机构方案。滑块 - 连杆 - 齿条 - 齿轮机构方案如图 4 所示。冲锤向下运动, 给滑块施加一向下的力, 滑块通过两连杆驱动齿条水平滑动, 再带动与之啮合的齿轮转动, 从而带动丝锥转动, 并提供给丝锥攻牙需要的扭矩和角速度。攻牙完成后冲锤退回, 齿条在弹簧的恢复力作用下, 齿条反向运动, 滑块返回同时通过齿轮驱动丝锥反向运动, 退出工件, 完成一个工作循环。

( 3) 摆杆 - 连杆 - 齿条 - 齿轮机构方案。摆杆 - 连杆 - 齿条 - 齿轮机构方案如图 5 所示。冲锤向下运动, 先给滑板施加向下的力, 滑板驱动摆杆摆动, 摆杆通过连杆带动齿条水平运动, 齿条带动与之啮合的齿轮转动, 从而带动丝锥转动, 并提供给丝锥攻牙需要的扭矩和角速度。攻牙完成后冲锤退回, 齿条在弹簧的恢复力作用下, 齿条反向运动, 滑板通过摆杆反向摆动返回, 同时通过齿轮驱动丝锥反向运动, 退出工件, 完成一个工作循环。

( 4) 滚珠螺旋副 - 齿轮副机构方案。滚珠螺旋副- 齿轮副机构方案如图 6 所示。冲锤向下运动, 先给滚珠螺旋机构施加向下的力, 由滚动螺旋机构输出转动, 再经齿轮传动把一个合理的速度和力传到丝锥, 从而带动丝锥转动, 并提供给丝锥攻牙需要的扭矩和角速度。攻牙完成后冲锤退回, 滚珠螺旋机构在弹簧的恢复力作用下, 转动反向, 通过齿轮驱动丝锥反向运动, 退出工件, 完成一个工作循环。这种机构又有两种形式, 一种为螺母只做往复运动不做旋转运动, 驱动丝杠做旋转运动, 如图 6 所示, 另一种为丝杠只做往复运动不做旋转运动, 驱动螺母做旋转运动。经分析比较采用最后一个方案滚珠螺旋副 - 齿轮副机构,因为滚珠螺旋副机构全圆周螺旋槽参与传动, 输出很大的转矩;全滚动摩擦, 传动效率高; 传动零件少, 传动链最短, 结构简单,占用空间较小, 结构尺寸小; 具有良好的动态性能。比较两种形式第二种形式加工方便、受力稳定。考虑受力均衡、稳定设计成结构对称的冲击攻牙装置结构如图 7 所示。

2.4 选定方案的运动分析

冲击攻牙的攻牙过程分为四个阶段, 第一阶段为空行程阶段, 冲锤向下做直线运动, 且在冲锤还没有接触到缓冲器之前,这个阶段攻牙装置还没有处于运动状态, 冲锤也没有负载。第二阶段为缓冲阶段, 冲锤向下运动通过缓冲器使攻牙机构开始运动, 当缓冲器在冲锤冲击作用下变形至与装置接触面平齐的位置时, 冲锤完成了缓冲阶段。缓冲器作用是部分吸收冲锤在运动过程中所产生的很大的惯性能量, 防止冲锤直接冲击到装置的接触面, 造成装置损坏。第三阶段为攻牙阶段, 丝锥开始攻牙, 此时冲锤把自身的冲击能量完全传递到装置上, 通过滚珠螺旋传动机构把向下的直线运动转变为旋转运动, 并传递到丝锥上, 从而为丝锥攻牙提供必须的旋转运动, 整个装置进入攻牙加工状态。第四阶段为返回阶段, 当冲锤到达最大行程后, 装置完成了攻牙过程, 冲锤及上机架返回, 丝锥退出, 回复是依靠弹簧恢复器在缓冲阶段和攻牙阶段储备的弹性势能。

2.5 选定方案的力分析

在此冲击攻牙机构的每个工作周期循环中下机架始终固定不动。在空行程阶段冲击攻牙装置不受力; 在缓冲阶段, 冲锤向下运动, 接触到缓冲器时给缓冲器施加向下的力, 在弹簧反力和系统阻力作用下缓冲器压缩; 在攻牙阶段, 冲锤继续向下运动, 冲锤接触到上机架的冲击面后, 在冲锤的冲击力的作用下并在很短时间内上机架与冲锤运动同步, 因丝杠与上机架固联, 丝杠随上机架一起向下运动, 力作用在弹簧和丝杠上, 弹簧被压缩, 丝杠向下的力作用于滚珠螺旋机构的滚珠上, 通过滚珠作用于螺母, 此力形成对螺母的转矩, 螺母与齿轮固联, 再经齿轮调速, 把转矩传递给丝锥, 进而丝锥完克服阻力完成内螺纹的加工; 在返回阶段, 冲锤的向下作用力消失, 弹簧的恢复力作用于上机架, 通过丝杠、滚珠、螺母、齿轮提供给丝锥一个反向的力矩, 丝锥在此力矩作用下反向旋转退出工件。

2.6 选定方案的可行性分析

由于薄板小孔的内螺纹用现有方法加工效率低, 且加工质量难以保证, 这就需求一种能满足要求的新型装置突破这种制约, 冲击攻牙装置就是为此而设计的。冲击攻牙与其他方法具有比较优势, 传统攻牙时, 丝锥的旋转运动和进给运动需要两套不同的机构, 传递给丝锥运动的能量以稳态方式提供。如手工攻牙的旋转运动和进给运动的能量都由人来提供, 钻床攻牙的旋转运动由电机来完成, 而进给运动则由人工来完成, 这两种都要消耗人得体能。振动攻牙是传统攻牙技术的改进, 与传统攻牙的技术相似, 丝锥的回转运动由周期性扭转振动来驱动, 进给运动则需要专门的设备来完成。振动攻牙可以降低切削力, 提高表面质量,抑制刀具磨损, 但振动攻牙通过扭转振动传递的能量有限, 工作效率较低。冲击攻牙将传统的丝锥旋转运动和进给运动需要的两套不同机构的稳态能量提供方式, 改变由具有动态峰值能量的冲击提供方式, 将有限的能量集中起来实现较大的工作能力。因此该装置的设计具有螺纹孔加工理论和方法上的创新, 而且在国防、汽车、机械加工业行业等领域应具有较强的实用价值。

通过运动分析和力分析, 冲击攻牙在原理方案上可行。在制造加工上整个机构的零件易于加工。由于冲击攻牙装置既可以制造成为专用机械设备, 又可以在传统的冲床和其它冲击设备上实现内螺纹加工, 其结构简单, 在需求拉动和技术推动的双重作用下具有较强的开发与应用潜力和远景。

3 结论

利用创新设计理论和方法设计的冲击攻牙是对薄板、小孔螺纹加工的一种新型攻牙方法, 其攻牙的原理和方法尚处于设计阶段, 其特点为: 1)滚珠螺旋传动结构有效的解决了往复直线运动转化为正反旋转运动, 使得结构简单紧凑。2) 冲击攻牙的能量集中, 生产效率高。3)通过冲锤的冲击驱动冲击攻牙机构从而将速度和力矩传递到丝锥上, 攻牙只需一套传动机构, 易于控制。4)由于能量转换过程中存在冲击, 会产生噪音, 对生产环境有一定影响。5) 适合于多种作业和不同场合的薄板小孔内螺纹加工。

虽对冲击攻牙的原理和方法从理论上进行了分析和设计,但未能在实际中加以检验, 仍需完善冲击攻牙机结构的原理分析、结构设计与制造。冲击攻牙的加工机理及其应用研究, 不仅可以获得新的内螺纹加工方法, 而且对于提高内螺纹的加工效率和质量都有较大的促进作用。由于冲击攻螺纹孔的冲击能量和速度的可控性, 因此以不同的材料、不同的螺纹孔直径、不同类型的丝锥, 在有效地控制冲锤的速度、质量、冲击力的基础上, 可以获得冲击攻牙的工艺参数。