超声波切削模具超声波切削模具螺纹试验研究

1、超声波切削模具螺纹滚丝（滚压）

(滚丝、搓丝)是一个冷锻而非切削过程,在进行滚压超声波切削模具螺纹时，滚轮模具通过移动母材来将超声波切削模具螺纹形状压到工件毛坯中,随着滚轮把将形成根部的材料错位，材料将从径向和轴向由根部流出，而滚轮的形状会在工件毛坯中形成超声波切削模具螺纹形状。下图表明了滚压超声波切削模具螺纹与切削超声波切削模具螺纹的材料微组织变化状况。

滚压主要用于外超声波切削模具螺纹的加工,加工前，坯件的直径应大致与超声波切削模具螺纹的中径相等，对于较高精度超声波切削模具螺纹，毛坯直径的选择要根据材料性能计算及工艺试验来确定。超出或低于合适的直径都将加工出不合格的超声波切削模具螺纹。毛坯外径太小将无法完全流进滚轮模具；毛坯尺寸过大将对滚轮和滚轮架施加不必要的压力，从而可能导致超声波切削模具螺纹滚压设备损坏。

滚压超声波切削模具螺纹大多数是60°牙顶角超声波切削模具螺纹，所用滚轮都具有比较尖锐的齿顶，通常带有圆弧刃以便于穿透材料。每个齿侧面上为30°，保证了使材料在轴向和径向以一种可控而预定的方式进行流动时所需要的作用力。下图为超声波切削模具螺纹滚压轮。

操作的原则的各种方法如图3 - 76 。

2.滚压方法

按滚压模具的不同，超声波切削模具螺纹滚压可分搓丝和滚丝两类。

搓丝  两块带超声波切削模具螺纹牙形的搓丝板错开1/2螺距相对布置，静板固定不动，动板作平行于静板的往复直线运动。当工件送入两板之间时，动板前进搓压工件，使其表面塑性变形而成超声波切削模具螺纹。 

搓丝在搓丝机或在安装自动开合超声波切削模具螺纹滚压头的自动车床上进行，适用于大批量生产标准紧固件和其它超声波切削模具螺纹联接件的外超声波切削模具螺纹，效率相当高，每分钟可达到50个。这种方法加工超声波切削模具螺纹的外径一般不超过25 mm，长度不大于100 mm。

滚丝 按照进给方式的不同，滚丝又分为三种形式：

² 轴向超声波切削模具螺纹滚压

轴向超声波切削模具螺纹滚轮从车削中心尾座端部开始，沿工件毛坯中心线移动，从而形成超声波切削模具螺纹。一般的轴向滚轮加工范围为直径1.5～228 mm。

 

轴向滚轮通常安装在车削中心转塔刀套之一中。一次走刀可以将3个(或最多6个)滚轮进给到毛坯上，并通过工件毛坯的旋转加以启动。 

滚轮的布置允许毛坯通过，这样就可以形成比滚轮宽度更长的超声波切削模具螺纹。这些滚轮上开始的一些超声波切削模具螺纹是递进的，就像丝锥或拉刀一样，可以一直加工到肩部或其它工件特征之前，但是滚轮的寿命有可能受额外应力的影响。

² 切向超声波切削模具螺纹滚压

 

顾名思义，切向滚轮架通过从侧面接近工件毛坯而形成超声波切削模具螺纹。切向滚轮架有时候称作侧面滚压或横向滑动架，通过推动来滚压超声波切削模具螺纹，以可控的进给速度进行，每次两个固定的平行辊子同时进入旋转中的工件中。切向滚压需要机械或伺服进给，无法手动操作。

滚轮与工件毛坯直径进行切向接触，从而迫使材料进行均匀的塑性流动，形成滚轮拉丝模的形状。这种成形过程非常快，会产生没有毛刺的精确轮廓。 

在操作中，切向滚轮在工件毛坯旋转15～30转后产生一个完整的超声波切削模具螺纹。这种超声波切削模具螺纹滚轮的优点是即使超声波切削模具螺纹的两端有轴肩，也加工的出来。

切向滚轮只在滚轮宽度内滚压超声波切削模具螺纹。Fette公司的切向辊子工作宽度范围为15～40 mm。

² 径向超声波切削模具螺纹滚压

第三种超声波切削模具螺纹滚轮是径向滚轮架。它用两个或三个辊子在工件毛坯旋转一次的过程中形成超声波切削模具螺纹。

这种超声波切削模具螺纹滚轮上的辊子通过偏心磨削。在每个辊子上由一个平坦部分开始，超声波切削模具螺纹形状渐进完成。在平坦一侧开始浅浅的超声波切削模具螺纹形状，在另一侧形成完整的形状。

 “三辊子”式径向架用找正的平坦部分来形成间隙开口。这样工件毛坯可以在辊子和成品超声波切削模具螺纹零件之间退出而不损坏超声波切削模具螺纹。

 

径向超声波切削模具螺纹滚轮的工作范围为直径1.5～63.5 mm。与切向滚压头一样，超声波切削模具螺纹长度不能超出超声波切削模具螺纹滚轮的宽度。

3.滚压超声波切削模具螺纹的优点

与其它加工方法相比，滚压加工出来的超声波切削模具螺纹力学性能得到提高。在超声波切削模具螺纹滚压过程中采用的是冷作业，这样与切削加工相比就增加了拉伸强度，并提高了表面光洁度。

由滚轮的压缩作用实际上延长了工件毛坯，与车削或切削相比，超声波切削模具螺纹滚压可以节省15～20%的材料。在大批量生产中，就意味着可以节约很大一批原材料。

因此超声波切削模具螺纹滚压的优点是：

ü 超声波切削模具螺纹表面粗糙度小于车削、铣削和磨削；

ü 滚压后的超声波切削模具螺纹表面因冷作硬化而能提高强度和硬度；

ü 材料利用率高；

ü 生产率比切削加工成倍增长，且易于实现自动化，滚压模具寿命也很长可重复使用。

4.滚压缺点

滚压超声波切削模具螺纹的缺点有以下几点：

û 母材的压缩导致加工硬化，降低超声波切削模具螺纹的疲劳寿命；

û 材料有局限性，滚压超声波切削模具螺纹要求材料的硬度不超过HRC40；

û 对毛坯尺寸精度要求较高；

û 对滚压模具的精度和硬度要求也高，制造模具比较困难；

û 不适于滚压牙形不对称的超声波切削模具螺纹。

总结：滚压超声波切削模具螺纹既有自身优势，也有不可避免的缺陷。滚压可以大大提高超声波切削模具螺纹的抗拉强度，但超声波切削模具螺纹中的加工应力又大大降低了超声波切削模具螺纹的疲劳寿命，所以在选择超声波切削模具螺纹的加工方法时，要综合考虑超声波切削模具螺纹的使用场合、受力特点等各种因素，根据实际需要选择合理的工艺。这应该就是Areva公司选择用滚压的方法加工支承设备螺栓超声波切削模具螺纹，而West House则不允许使用滚压方法加工超声波切削模具螺纹的原因。

 

 

超声波切削模具螺纹滚丝有许多优势，它能在各种螺钉、螺栓、螺栓的高水平生产中用于形成精确、均匀、光滑的超声波切削模具螺纹。轧制速度相当于与高速钢切削速度。 没有材料的切削,节省了高达27%的材料. 在超声波切削模具螺纹滚压过程中采用的是冷作业，这样与切削加工相比就增加了拉伸强度，并提高了表面光洁度。滚丝在要求有良好的表面光洁度的切削中有很大的优势。通过滚丝制得的硬质合金螺栓的抗疲劳强度比切削制得的硬质合金螺栓大5到10倍，因此磨损寿命也得到了延长。模具用于滚压而非摩擦，所以可以在很长一段时间内保持原来形状，不易变形，工作是持续的，检验成本很低，几乎所有的外超声波切削模具螺纹都是通过滚丝制得的因为滚丝速度提高了一半，成本却降低了一半。

 

3.7.5超声波切削模具螺纹磨削

磨削是一种加工工艺，并且也用于需要精确光滑加工的螺杆超声波切削模具螺纹成型流程中，这种工艺特别用于加工硬化超声波切削模具螺纹。

有两种类型的砂轮，如图3-77，图（a)是单线砂轮磨削法，磨削前将砂轮修成牙形相符的形状，并使砂轮轴线相对工件轴线倾斜一个螺旋升角。超声波切削模具螺纹磨削时，工件的旋转运动和工作台的移动保持一定的展成关系，即工件每转一周，工作台相对应移动一个导程。通常的速度从4到50米/秒 ，螺杆旋转的横向速度取决于超声波切削模具螺纹的螺距 ，进给速度为0.008到0.05米每秒，表面的工作速度取决于磨削的深度和材料。

短超声波切削模具螺纹多用图（b)所示的多线砂轮切入磨削法 ，磨削前用滚轮将砂轮圆柱面修成和弓箭牙形相同的多线环形槽。采用切入法磨削，当砂轮完全切入牙深后，工件回转二周即可。工件和工作台之间也应保持展成关系。多线法磨削超声波切削模具螺纹生产率较高，但加工精度较低。多线砂轮切入磨削时，砂轮的宽度应大于超声波切削模具螺纹面总长度，适合成批磨削普通超声波切削模具螺纹。

最精密的外超声波切削模具螺纹是经过热处理后再研磨以消除可能的变形。加工10个螺距的超声波切削模具螺纹或更精细的可以直接从固体硬化坏件。粗超声波切削模具螺纹就是不经过前面的这些加工制得的。 

 

（3）多线砂轮纵向磨削法     将砂轮修整成多线环形槽，用纵向法展成磨削超声波切削模具螺纹表面。前面的环形槽主要起粗磨作用，后部的环形槽则起半精磨、精磨作用，采用较大的背吃刀量在一次纵向进给中磨去工件的全部磨削余量，将超声波切削模具螺纹磨至精度要求。这种磨削法的特点是将环形砂轮再修整成台阶形，其类同于外圆深度磨削法所使用的台阶砂轮，使砂轮前部至后部的吃刀量逐渐减小，最后的台阶则将超声波切削模具螺纹磨削至尺寸。多线砂轮纵向磨削法具有极高的生产效率，加工精度也较高。 

       如上述三种超声波切削模具螺纹磨削方法中，单线砂轮磨削法是超声波切削模具螺纹磨削的基础。在各种企业的超声波切削模具螺纹精加工过程中，都要应用超声波切削模具螺纹的单线砂轮磨削技术。多线砂轮磨削法在企业中很少见，常使用滚轮修整砂轮。滚压轮式成形的，修整时对砂轮表面进行滚压，形成环形表面。