大導程小直徑螺紋孔電火花加工方法研究

劉振強，趙四強

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南鄭州 450015）

0 引言

小直徑螺紋孔在日常生產和生活中有著廣泛的應用，其加工尤其是大導程小直徑螺紋孔的加工一直是機械加工領域的難題之一。由于電火花加工不用機械能量，不靠切削力去除金屬，而是直接利用電能進行加工，加工過程易于控制；且可以加工任何硬度的金屬材料、導電材料，包括硬質合金等。因此，可以利用電火花加工方法解決大導程小直徑螺紋孔的加工難題，本文結合具體項目研究了一種基于電火花的大導程小直徑螺紋孔的加工方法。

1 產品描述

某項目傳動機構中的導向件，其導槽結構為非標準的多頭大導程梯形螺紋。螺紋大徑為7mm，小徑為5mm，導程為80mm，零件結構如圖1所示。該零件的材料為30CrMnSiA，經調質處理后，硬度要求為HRC32～37。由于工件內孔很小，且不完全貫通，材料硬度又較高，用常規機械加工方法很難實現。本文通過工藝分析、專用工裝設計、加工流程說明及試驗，試驗證明：采用電火花加專用工裝的加工方法，成功解決了材料硬度高，大導程小直徑螺紋孔的加工難題。

圖1 零件結構示意圖Fig.1 Parts structure diagram

2 工藝分析

30CrMnSiA屬于高強度合金鋼，在硬度大于HRC30時，切削抗力較大，刀具需要有足夠的剛性和強度，機械加工難度較大。

多頭大導程螺紋通孔一般采用特制的拉刀，可以通過拉削方法完成螺紋孔的加工，加工精度穩定，效率較高，該方法適用于大批量生產。但由于拉削為多齒分層加工，所以拉刀的長度很大，被加工孔必須為完全貫通，該零件為單件小批生產，螺紋孔下方雖然也有通孔，但下方的光孔直徑小于螺紋大徑，且中間空刀位置尺寸太小，根本無法讓出拉刀安裝位置。

常規拉削方法無法實現，我們試圖采用單刃勾頭車刀，在能夠定向旋轉的數控車床上從內向外分層分頭進行拉削加工。按照零件的結構尺寸計算，這樣的勾頭車刀刀桿最大極限直徑只能做到4mm，有效長度大于30mm。根據前面的工藝分析，顯然刀具的剛性和強度是不能滿足要求的。

既然問題出在刀具的剛性和強度上，我們設想，是否可以采用電火花加工方法實現該螺紋孔的加工，由于電火花的電極與工件無直接接觸關系，因此電極是不需要承受切削力的，也就不存在刀具剛性和強度問題了。但是電火花機床工作的運動規律為直線往復運動，直接使用是無法加工出螺旋槽的。如果我們能夠改變機床的運動規律，讓其在往復運動的同時按照特定的規律進行旋轉運動，問題就能夠迎刃而解了。

3 專用工裝設計

專用工裝的設計原則：①讓電極實現旋轉運動；②控制電極在往復運動過程中的旋轉規律；③工裝不允許讓電極與機床工作臺或工件之間導通。

按照以上設計原則，我們設計了專用工裝，結構如圖2所示。

圖2 專用工裝結構示意圖Fig.2 Frock structure diagram

專用工裝主要由過渡座、軸承、導向桿、導向套、電極、安裝座、絕緣墊等組成。過渡座上端直接與電火花機床的主軸連接，安裝座將工裝可靠固定在機床的工作臺上，導向桿、導向套則實現電極特定的運動規律。

電極通過緊定螺釘直接安裝在導向桿下方，導向桿與過渡座之間軸承連接，可實現電極的旋轉運動。

過渡座與導向套之間所有的連接面均采用絕緣材料隔離，包括螺栓組件，這樣就避免了電極與機床工作臺或工件之間的導通，保證了機床的正常工作。

由于導向桿與連接座之間的軸承在工作過程中要靈活轉動，為了避免電路通過軸承時產生放電現象造成軸承損壞，可以將連接機床主軸的極性導線直接與導向桿上部連接。

工裝導向桿上螺旋槽只需要控制導程和旋向與工件要求一致即可，與導向桿直徑和螺旋槽形狀尺寸都沒有關系。為了制造方便，我們可將導向桿和導向套直徑做大一些，且只需要加工一條螺旋槽。螺旋槽截面做成矩形，一是制作簡單；二是容易控制與定位銷的配合間隙。

電極結構如圖3所示，工作面尺寸形狀雖然受到工件的限制，但由原來的內螺紋變成了相應的外螺紋，且電極材料一般均選擇紫銅或石墨，這就大大降低了加工難度。另外，電極是通過螺釘連接在導向桿上的，在受損后更換非常方便。

圖3 電極結構示意圖Fig.3 Electrode structure diagram

4 加工原理及流程

當機床正常進行工作時，主軸帶動過渡座仍然做直線往復運動，但此時導向桿帶動電極卻在做特定規律的螺旋運動，這就實現了我們想要的機床運動規律。導向桿外圓上加工有導程為80mm的矩形螺旋槽，導向套內安裝有與螺旋槽相配合的定位銷。導向桿在上下往復運動的過程中，受到定位銷的限制，只能作螺旋運動，沿軸向每移動80mm則旋轉1周，這樣就實現了我們所要的螺紋形狀。

專用工裝安裝使用時，首先要根據機床的運動行程和工件的高度尺寸調整好安裝位置，必要時可以在安裝座下方增加適當的墊塊，確保電極的正常有效工作范圍，且在機床返回參考點時導向桿不會從導向套中完全脫出。

當設計要求螺旋線在工件端面上有起始相位要求時，需在電極桿上做出基準平面，手動將電極下降到與工件表面完全接觸時鎖定電極，調整工件與電極的方向正確后，將電極抬起，方可啟動機床開始工作。

更換電極必須在一個工件螺紋槽加工完成之后進行，工作過程中不得更換，否則容易造成螺紋線混亂，當有起始相位要求時，更換電極后需重新調整工件安裝位置和方向。

為確保產品的質量和加工精度，在進行正式產品加工之前，首先要進行新工藝試驗，試驗過程中，根據電極工作面預留的放電間隙，通過調整機床參數，達到產品符合設計要求后方可進行正式產品的加工。

大導程螺紋一般用于導向機構，其螺紋連接是不能夠自鎖的。本文描述的專用工裝也正是利用了大導程螺紋的這個特性，才能夠順利實現電極的特定動作。通過改變導向桿上導向槽的特性，即可實現不同的規定運動。因此，該加工方法適用于各種非自鎖結構的特形內孔加工。但由于電火花加工效率較低，電極損耗也較快，不適用于大批量生產。

5 結束語

本文通過對大導程小直徑螺紋孔加工技術的工藝分析與研究，設計了專用的工裝，并進行了加工工藝試驗和樣件試制，基本解決了大導程小直徑螺紋孔的加工技術難點，滿足了螺紋孔加工精度和加工質量要求。通過采用電火花加專用工裝的螺紋孔加工方法，為大導程小直徑螺紋孔的加工提供了新的方法和思路，加工方法合理有效、專用工裝結構設計簡單，適應性強，對于工藝研究和單件小批生產非常適用，具有一定的參考和借鑒價值，值得推廣和應用。