工作原理 – 精密螺纹滚压
在 Horst Engineering & Manufacturing Co.，使用一年的多轴 Citizen Swiss 车削中心和 Eurotech 多轴车床可生产出完整的高精度加工部件。他们车削、钻孔、铣削，甚至攻丝。然而，在康涅狄格州东哈特福德的同一家小型工厂中，Horst Engineering 的姊妹公司 Thread Rolling Inc. 使用已有 50 年历史的 Waterbury、Hartford 和 Reed 滚丝机，通过专门但优雅简单的二次工艺形成外螺纹。 。并非他们所有的机器都是古董。许多设备都经过翻新，新机器与旧机器混合在一起。因此，他们把家安在老工厂最具历史意义的区域是再合适不过的了，这里有五十五年历史的木地板象征着六十年的家族企业。
螺纹滚压是一种已经存在了一百多年的工艺，并且正在使用的机器使五十岁的机器相比之下显得年轻。螺纹滚轮有多种类型和尺寸，但它们都使用一种机构，其中硬化钢模具相匹配并设置为强力穿透，以便将圆形直径的材料表面重塑为螺纹形状。将圆柱形工件或毛坯送入机器（手动或自动），模具旋转（圆柱形模具）或往复运动（扁平模具），以便在“无屑”成型过程中生产螺纹。每种螺纹形式、形状和尺寸都有一套独特的模具，这些模具通常由热处理工具钢（通常为 Rockwell C 58-62）磨削而成并采购，而不是内部制造。
螺纹滚压主要是在室温下进行的冷成型工艺，但当材料大于洛氏 C 45 时，热滚压确实存在利基，因为模具寿命会受到严重影响。与无心磨削（其姊妹工艺）一样，螺纹滚压工艺可以是横向进给或贯通进给。螺纹滚压是大批量生产螺纹应用的首选方法。行星板牙滚丝机每小时能够在数万个零件上形成螺纹。高速立式或倾斜平模往复机也可以产生高生产率，卧式圆柱二模机可以快速生产数千英尺的螺杆。
你在当地五金店买到的很多东西，比如木螺钉、方头螺栓和机器螺钉，都是在滚丝机的帮助下批量生产的。梯形螺纹、梯形螺纹、蜗杆螺纹、方螺纹和管螺纹只是可以通过螺纹滚压生产的几种独特形式。然而，机螺纹是精密加工行业的人们最熟悉的。
一方面，大批量自动螺纹滚压因其工艺速度和尺寸稳定性而令人感兴趣，但商业级紧固件和零件的生产是一种相对普通的做法。另一方面，高精度螺纹滚压是非常专业的领域，主要针对小批量零件。一些高科技行业，包括航空航天和赛车运动，需要具有超强表面光洁度的极其严格的公差螺纹，以及通过成型工艺制造的零件固有的额外强度。 Thread Rolling Inc. 使用立式圆柱三模机、卧式平模往复式机器和卧式圆柱二模机的组合来生产精密螺纹。
重点是生产各种高精度的机用螺纹，重点关注航空航天工业中最常见的标准 60° 统一螺纹和公制螺纹形式。这里最常见的滚制螺纹是 UNF、UNC、UNJF 和 UNJC 形式的 2A 级和 3A 级螺纹。 “J”形螺纹具有较大的受控根部半径，可增加螺纹高应力区域的强度，这在航空航天工业中很常见。高质量螺纹的尺寸检验与商业品种不同。规格各不相同，但航空航天和军事标准要求使用指示型螺纹量规来检查中径和相关尺寸。
中径的检查是通过使用螺纹基准设置的全形和单元件指示型量规进行的。螺纹通/不通环规仅供参考。标准外径千分尺用于检查大径，光学比较仪用于检查小径和根部半径。借助车间中可用的所有这些仪表，螺纹滚压操作员可以监控过程并快速进行调整。模具磨损和其他变量会影响轧制过程，但一旦机器设置完毕，该过程就会保持一致且可重复。
成型螺纹是高强度和关键应用（例如航空航天工业中的应用）的首选。滚压的螺纹，尤其是热处理零件上的螺纹，具有更高的张力、剪切和疲劳强度。滚压过程中不会去除任何材料，从而消除了切削或磨削螺纹的固有弱点之一。冷成型特性包括更高密度的材料晶粒或分子，特别是当它们沿着每个螺距的下侧面和螺纹根部被压实时。
航空航天金属很难加工和成型，因此用于大批量加工的螺丝机和车床上使用的常见螺纹附件很难满足精密螺纹的质量要求。如果不使用专用设备，则无法有效地实现在热处理合金钢或由 Inconel® 或钛制成的特殊合金零件上形成螺纹所需的力。 Thread Rolling Inc. 专注于直径小于 1.500 英寸的螺纹，但滚压螺纹可用于直径达 5.00 英寸甚至更大的紧固件。为了移动这么多的材料，需要很大的力量，由非常大的机器产生高达三十或四十吨的滚动压力。有些螺纹被认为非常重要，以至于需要进行破坏性测试采样过程，以 500 倍的显微镜检查螺纹的每个螺距。
正确形成的螺纹需要模具精确对齐或“匹配”。无论该工艺使用两个还是三个模具，它们都必须正确跟踪以避免内部缺陷，例如重叠、裂纹、折叠、接缝和凹坑。破坏性螺纹检测方法用于识别内部缺陷并验证是否已实现适当的材料晶粒流动。代表性样品在每次新设置开始时进行测试，并在生产运行过程中定期进行测试。
测试过程要求从零件的其余部分切下螺纹，纵向一分为二，安装在环氧树脂中，研磨并研磨至三微米的光洁度，蚀刻以显示微观结构，并进行显微镜检查。整个过程需要一个多小时，但需要专门的金相制备和检测设备。由于生产暂停进行测试，因此需要一系列机器，因此机械师同时从事多项工作，在磨削、螺纹加工和测试过程之间交替进行。
很多时候，收到的零件是散装包装的，但当它们带着闪亮的精密螺纹返回时，它们会被单独包装，并带有保护装置，以防止在运输过程中损坏。最近的一天，一名店员正在包装一个内衬泡沫的蓝色容器。
将泡沫插入物模切为单个原型轴。这个十八英寸的零件两端都滚有螺纹。该零件的设计和制造适合滚压螺纹。这意味着预滚螺纹直径经过适当倒角并磨削至正确的中径，即大径和小径之间的假设直径，用于确定螺纹尺寸。这项特殊的工作不需要破坏性测试，但为了安装机器，安装件是用类似的材料生产的。由于采用单件批量生产，因此没有犯错的余地，技术精湛的机械师也知道这一点。
最高质量的滚压螺纹是由最优质的毛坯制成的。因此，发送到 Thread Rolling Inc. 的大多数零件都尺寸过大，以便最终的定径过程可以通过无心磨削来控制。一旦磨削出正确的尺寸（通常由螺纹加工助理和磨削助理一起工作），零件就会被磨削至 0.0004 英寸以内的最终尺寸，同时将圆度保持在 0.000050 以内。滚丝之前，直径上的表面光洁度始终优于 32 微英寸。由于模具的抛光作用，轧制后的光洁度（尤其是侧面）可达到 4 微英寸，具体取决于材料和硬度。精加工是选择滚压而不是其他螺纹加工工艺的另一个原因。
大多数设备缺乏 CNC 控制，这意味着该过程不如螺纹加工、车削或铣削那么用户友好。很难向客户解释大直径在轧制时实际上尺寸增加。有些人不愿意相信他们可以将毛坯车削到低于大直径并且他们的零件不会报废。例如，0.250-28 UNF-3A 螺纹的中径为 0.2268-.2243，大径为 0.2500-.2435。滚制螺纹之前的毛坯尺寸将接近最大节圆直径，并且由模具移位的材料将形成为落在大直径公差范围内。
Thread Rolling Inc. 的工作人员经常听说客户回避需要螺纹滚压的工作，因为该过程看起来很困难、神秘或超出他们的控制范围。该工艺是独特的，但在精密成型行业内，有许多工艺专家。在当今“全能”多轴机器自动执行工作的环境中，这一过程不可能像人们想象的那样容易完成。要成为一名成功的滚丝操作员，需要大量的“感觉”。高精度螺纹滚压是一种实用的利基工艺，并且将继续存在。