本发明涉及加工螺纹孔的方法和装置，它仅使用一个刀具在工件上钻孔，钻孔后使该刀具在孔中移动，从而在孔壁上铣制出螺纹，然后把刀具从孔中抽出。 本申请是申请号为839045、申请日为1986年3月16日的美国专利申请的部分继续申请。
通常加工螺纹孔的方法是，首先用钻头或类似刀具在工件上钻孔然后从孔中抽出钻头，再用丝锥攻丝，在孔壁上获得螺纹。可以使用螺纹铣削钻孔刀具来代替丝锥。螺纹铣削仅在用于加工大直径孔（例如5/8或3/4吋）时可获得满意的效果，而加工小孔时速度太慢。美国专利第2813280号公开了一种将钻孔与攻丝相结合的方法，但是至今尚未发现它在商业上是否获得成功。
使用一种刀具代替单独的钻孔和攻丝或铣削刀具来完成整个加工过程将可以大大地降低生产成本，因为这样可以使工件在从一个加工工序换至另一加工工序时避免使其改变位置，或者可以避免使用带有这种单独装置的机床，即，能将钻孔和攻丝或铣削刀具依次移入工作位置的装置。美国专利3334366号公开了一种机床，它能卡住钻头或丝锥的主轴，但是在将丝锥安装在主轴上之前必须卸下钻头。
本发明提供了一种用于在工件上钻孔，并随后在孔壁上铣削螺纹的刀具这样，可以大大地节省生产时间，降低生产成本。用于完成上述职能的刀具在此被称为螺纹铣削钻孔刀具，它包括一个细长的钻杆，钻杆的一端是钻尖或钻头切削刃，在侧面具有螺纹铣削刃面。操作时刀具转动并作轴向移动，使钻尖钻入工件，这样在工件上就加工出了一个孔。随后，使刀具的转轴向横向移动，其移动距离至少等于将要加工螺纹的齿高，使得螺纹铣削刃面与孔壁相接触，这样，铣削刃面即可进行螺纹铣削了。随后，刀具轴线沿孔壁轨迹转动360度，同时刀具同步地沿轴向移动一个螺距的距离。这样就可在孔壁上铣削螺纹。随后将转轴移回至孔心处，再从孔中抽出刀具。
在优先选用的实施方案中，刀具以高速转动，即超过15，000转/分，最好是以30，000转/分级速度转动。钻尖和螺纹铣削刃面可由各种材料制成。例如，当工件是由环氧树脂或类似材料与卡夫拉（KEVLAR），玻璃纤维、碳纤维或类似材料粘合成的复合材料制成时，钻尖或铣削刃面最好是由金钢石或多晶立方氮化硼制成。当工件是钢铁材料时，可以使用陶瓷刃面;而当工件是铸铁时，可以使用氮化硅或碳化硅的刃面。
螺纹铣削钻孔刀具安装在一个由高速主轴所带的卡盘上，主轴是用来接近和离开工件而作轴向移动、横向位移和沿轨道运动的，从而完成螺纹铣削。在生产情况下，主轴最好是钻床里螺纹铣削钻孔主轴箱的一部分。所述钻床用于移动所述主轴箱，使之能够分别在一系列已排好的工件上钻孔和铣削螺纹。被螺纹铣削钻孔主轴箱带动的卡盘最好是在计算机控制下移动。
在加工螺纹孔地过程中，需要同时清洗工件的孔，及时除去切削废料，使之不会堵塞该孔，妨碍刀具的工作。为此目的，将流体引入孔中，使废料沿刀具的轴向排出该孔。在所公开的实施方案中，螺纹铣削钻孔刀具上带有流体通道，以便在一定压力下将流体输送至切削面附近的孔里，流体从孔中流出时即带走了切削废料。刀具上可以装有涡轮叶片，叶片的安装位置是在刀具周围紧紧覆盖在孔口上，用于在孔口处形成局部真空，以便引入压力流体和从孔中排出切削废料。
图1是本发明实施方案中用于加工螺纹孔的主轴箱的纵剖简图，它表示一种螺纹铣削钻孔刀具，在刀具下方有工件，工件上有使用本发明装置加工的螺纹孔;
图2是沿图1中2-2线的横剖图;
图3是正在工件上钻孔时的螺纹铣削钻孔刀具的纵剖图;
图4展示螺纹铣削钻孔刀具稍稍离开孔底，准备铣削螺纹;
图5表示图3和图4所示的螺纹铣削钻孔刀具横向位移了一个齿高的距离，准备铣削螺纹;
图6表示图3和图4所示的螺纹铣削钻孔刀具正在铣削螺纹;
图7是可用于螺纹孔加工方法的螺纹铣削钻孔刀具的侧视图;
图8是沿图7的8-8线的横剖图;
图9是图7所示的螺纹铣削钻孔刀具的端视图，它是沿图7中箭头9方向观察钻尖得到的;
图10和11分别是图7所示螺纹铣削钻孔刀具的螺纹铣削刃面的局部放大图，它们是图7中10和11区域的放大图;
图12是一种带有流体通道的螺纹铣削钻孔刀具的侧视图，压力流体从其通道注入孔中，从孔中带走切削废料;
图13是图12所示螺纹铣削钻孔刀具顶部的端视图;
图14是图12所示的螺纹铣削钻孔刀具底部的端视图;
图15是沿图13中15-15线的剖视图;
图16～21表示使用图12所示刀具加工螺纹孔时的步骤。
如图1所示，由刀具24在工件22上加工出螺纹孔20，在此将其称之为螺纹铣削钻孔。上述刀具被安装在用于加工螺纹孔的主轴箱26上。主轴箱26具有下列功能：
（1）使刀具以高速转动，例如：15，000转/分或更高;
（2）使刀具沿轴向朝工件22移动，以便在工件上钻孔;
（3）使刀具转轴的中心向横向移动，其距离是将要加工螺纹的齿高;
（4）使刀具24沿轨道转动360度，而同时还将其沿轴向移动一个螺距的距离，从而在工件孔壁上铣削出螺纹;
（5）使刀具转动中心移回孔心处，并从孔中抽出刀具。
高速主轴30上带有卡盘28，刀具24卡在卡盘上，这样，用于加工螺纹孔的主轴箱26所带的刀具24就有可能进行上述的移动。这种主轴是由弗特纳机加工工具有限公司（Fortuna Werke Maschinenfabrik GmbH）制造的，由威斯康星州、杰弗顿市、毕氏大街624号的拉塞尔T。吉尔曼有限公司（Russell T.Gilman，lnc，624 Beech Stseet，Gcofton，WI.）在美国销售。其他的主轴生产厂家为：
佛蒙特、斯普林菲尔德市的布赖思特磨具公司（Bryant Grinden Corporation，Spsingfield，VT）;
威斯康星州、菜辛市、兰河大街3715号的精密仪器公司（The precise Cospsoation，3715 Blue Riues Ave，Racine，WI.）。
主轴带动卡盘和刀具24，刀具如图1所示是从主轴箱26的端部伸出。主轴的转速至少应是15，000转/分，最好是在30000转/分左右。
支承主轴的结构可有各种不同的布局，在此示意性地给出了一种布局，它能够完成所需要的运动。对于熟知本领域的人来说，也会做出其它布局。在示意性给出的布局中，用于加工螺纹孔的主轴箱26包括有壳体32，壳体中装有主轴30。该主轴是由一个具有柱形表面35的外轨道环34带动，柱形表面35由壳体32的内柱形面38支承。如图2所示，外轨道环具有一个偏心于外柱形面36的内柱形面40。装在外轨道环上的环形齿轮42与一个小齿轮44相啮合。位置控制电机46装在壳体32上，小齿轮44装在电机的驱动轴上，电机能带动外轨道环34按要求进行顺时针转动或逆时针转动。位置控制电机46可以适用型号为P-530的电机，它是由美国宾夕法尼亚州、威螺弗杰市、艾森豪威尔大街2550号的波特斯卡尔公司（Portescap U.S，2550 Eisenhowes Avenue Valley Forge，PA）制造的。在电机和环34之间，也可以使用同步型皮带传动装置来代替啮合齿轮42和44。
在轨道环34的偏心内柱形面40中具有一个主轴位移环48，环48具有一个用于安放主轴的孔49，孔49偏心于其外表面50，高速主轴30安装在该孔中。主轴30的安装位置是偏心于主轴位移环的外柱形面50的，这样当位移环转动到轨道环里如图2所示的位置时，主轴的中心或转动轴心与轨道环34的中心或转动轴心相重合，即，与外柱形面36的中心相重合。
将第二位置控制电机54安装在主轴位移环48上。电机54上装有小齿轮56，它与外轨道环34上的环形内齿轮58相啮合。位置控制电机54可以选用与电机46相同的型号。电机54的转动带动主轴移动环在外轨道环34中转动，使得主轴30的转动轴心52向横向移动。上述的位移使刀具24向横向移动。最好是当刀具24由主轴30带动以高速转动时，发生上述的移动。这样，由于电机54的工作使得刀具24向横向移动，其距离是所需加工螺纹的齿高。
当刀具24向横向移动所需加工螺纹的一个齿高后，启动电机46，使其带动轨道环34转动，轨道环34带动主轴的轴心52转动，从而也就可以带动刀具24在孔20内绕孔心沿轨道转动360度。当然，上述轨道的半径是等于主轴轴心52沿横向偏离孔心的位移量。实际上，钻孔20时，主轴轴线与外轨道环的外柱形面35的中心重合，然后为铣削螺纹，将主轴轴线从该位置作横向移动。
为了在孔20上铣削出螺旋螺纹，在主轴和刀具沿轨道运动的同时，还必须使刀具沿轴向移动一个螺距的距离。主轴的这种轴向运动是通过联于壳体32上的位置控制电机60来完成的。如图1所示，电机60具有轴62，轴上具有螺纹，与主轴相啮合。当启动电机60，使轴60在一个方向上转动时，主轴30可以向伸出壳体32的方向上运动，当反向启动电机60时，主轴可以从工件上抽出。
用于加工螺纹孔的主轴箱26的壳体32可以作为一个部件被安装在合适的机床上。在生产情况下，该机床能够移动主轴箱，使之能进入加工一系列的工件的位置。这里没有上述的机床的图例，因为它是本领域普通技术人员熟知的。
位置控制电机46、54和60最好受控于一个程控计算机，以完成刀具24所进行的上述运动，下面还要着重叙述这些运动。参照图3至图6，在电机60作用下，以高速转动的刀具24沿其转轴方向进给，使得钻尖64钻入工件22。随着刀具朝向工件的连续运动钻尖将钻出一个柱形光孔66，孔的直径基本等于所需要加工螺纹的螺根直径。这样，刀具所进行的第一个步骤是在工件上钻孔66。
第二个步骤（根据不同情况可任意确定是否需要）是抽回刀具24，使其距孔底至少具有一个螺距的距离。图4给出了抽回刀具后的情况，在此尖64距孔底67一个螺距的距离。上述步骤是否需要取决于加工螺纹孔刀具的速度、工件材料的类型以及依赖于彼时彼地的其他因素。
加工螺纹孔方法的第三个步骤是向横向移动刀具24的转动中心，移动距离等于所要加工螺纹的齿高。向横向移动刀具是在刀具24以高速转动时进行的。在刀具作横向移动后，刀具相对于孔66的位置情况如图5所示。在图5中可以看到刀具是被移向左边，刀具的螺纹铣削刃面铣入了孔66的壁中，已开始在孔壁上铣削螺纹。
加工螺纹孔方法的下一步骤是使刀具24在孔66中绕孔心沿轨道转动360度。其转动轨道是这样的，即刀具24的转动中心围绕孔心转动，转动轨道的半径等于图5所示的横向位移。如果要求在孔中加工螺旋螺纹，刀具24在进行上述轨道运动的同时，还需要使其沿轴向移动一个螺距的距离。上述轴向移动是在一个与刀具24的轨道运动相一致的均匀速度下进行的，以便使其周边上的螺纹的螺旋角均匀。在图6中示出了已经沿轨道基本完成了180度转动的刀具24，它已经沿轴向朝孔底67移动了半个螺距。如果要求加工圆环形螺纹（没有螺旋角），在螺纹铣削钻孔刀具进行轨道运动时不用进行轴向移动。
刀具24完成360度旋转后，它将横向移动，使其转动中心回至与工件上孔的中心线相重合的位置，随后从螺纹孔中抽出刀具，这样螺纹就加工好了。钻孔、铣削螺纹和从孔中抽出刀具的全部工作仅需几秒或几分之一秒的时间。
如果使螺纹铣削钻孔刀具完成上述运动的控制系统能够非常容易地受控于程控计算机，使其能按照所需加工螺纹的尺寸和工件的材料来改变进给速度、横向位移、孔深和诸如此类的参数，那来将会受到本专业一般技术人员的欢迎。
图7～11更为详细地说明了螺纹铣削钻孔刀具24。该刀具的一端有钻杆68，钻杆68具有一个与卡盘相联接的部分70，该部分用于装在卡盘28上，使刀具安装在加工螺纹孔的主轴箱上。刀具的另一端是钻尖64，它具有切削刃面72和74，以及后刃面76和78。
钻杆的侧面上具有螺纹齿形，该螺纹齿形是由若干围绕钻杆的轴线以对称形式排列的螺旋槽构成的。在本实施方案中，只示出以序号80和82表示的两个螺旋槽。每一螺旋槽具有一个螺旋齿形，它可以是任一种所希望的螺纹形状。本实施方案所示的齿形是一种美国专利4023914号、商标为SPIRALOCK所介绍的防松螺纹。在此将美国专利第4023914号的内容作为参考资料。
每一螺旋槽最好具有切削或铣削面84和86，它们是用比钻杆更硬的材料制成的。在优先选用的实施方案中，该刃面是由天然或合成多晶金刚石和（或）多晶立方氮化硼的复合材料制成的。上述材料制成的铣削面特别适用于在由下述材料制成的复合工件上钻孔和铣削螺纹，即由环氧树脂或其它树脂粘合碳纤维、卡夫拉（KEVLAR）、玻璃纤维等而成的复合材料，也适用于在由特殊磨料制成的其它任何工件上钻孔和铣削螺纹。适于完成上述目的的和多晶切削面可以是美国专利第4241135号、4242106号和4247304号中介绍的那种类型（在此将上述美国专利作为参考资料），但是复合材料不仅限于这些内容。当工件是铸铁时，加工螺纹孔的铣削面最好是由氧化硅或碳化硅制成。当工件是钢铁材料，例如钢时，可以使用陶瓷切削面。
在图8、10和11中用序号88表示多晶金刚石和（或）立方氮化硼复合材料，可以用任何合适的方法将其固定于螺旋槽上。例如复合材料可以具有金属衬层90，通过铜焊层92将其联于螺旋槽80上。图8中用序号94表示联接层。螺纹铣削钻孔刀具的质心应基本位于指定的转轴轴线上，以便在高速转动的条件下将动不平衡限制在最小值。
可以理解，工件上所加工的是左旋还是右旋螺旋将取决于螺纹铣削钻孔刀具的轨道运动的方向和轴向运动的方向。例如，如果螺纹铣削钻孔刀具在轴向的一个方向上运动，顺时针的转动运动可获得左旋螺纹，但是，刀具在轴向的反方向上运动时，则可获得右旋螺纹。
图12～15给出了一种改进型的螺纹铣削钻孔刀具，其设计是可以向刀具正在工作的孔中又供给流体，由流体将刀具产生的废料或切削废料在刀具周围带出孔口。为了提供流体，一个纵向的压力流体通道100与刀具同轴地从刀具的上端102朝其下端钻尖部64a处延伸。如图12、14和15所示，将要接近钻尖时，通道100分成两个支路104和106，两支路通向钻尖下部的后刃面76a和78a的后部。
压力流体从刀具上部的通道100处引入刀具，沿通道向下流至钻尖64a处，然后流回至孔中并在刀具周围流出孔口。在所示实施方案中，上述流体来自于图12所示的压力流体源111，该流体源由压力管线113联于通道100的上部。涡轮110包括有一组径向伸出的叶片112，涡轮被安装在钻杆68a上，其位置是在切削部分的上端，就在卡盘联接部分下面。这些叶片可以位于环件114上，该环件可以在钻杆部分68a和70a上向下滑动，从而卡死在刀具的钻杆上。叶片的倾角是这样的，即使得叶片可以在刀具正在其中工作的孔口处产生局部真空。在所示出的实施方案中，叶片的设计是当刀具沿顺时针或右旋方向转动时，形成一个局部真空。在有些情况下，完全不用叶轮110而仅依靠通道100上端的压力流体源111的压力将流体注入，或者也可同时使用叶轮110。
图16～21给出了刀具24a在加工螺纹孔工作时所处的不同移动阶段。在图16中，刀具位于工件22a上方。图16～21中并未示出用于加工螺纹孔的主轴箱，但是很清楚，刀具24a是由它带动的。
在图17中，刀具24a已沿轴向移至工件并在其上钻孔66a。随着涡轮110接近工件22a的上表面116，涡轮与表面116之间的空气空间“S”减小，直至涡轮叶片极接近其表面。由于叶片的旋转作用，在孔66a的孔口附近有效地形成了一个真空区，从而也就在孔中形成了真空，这有助于流体通过通道100流入，如参照图12～15所进行的描述那样，这样刀具所产生的切削废料或废物也就能够沿刀具从孔口处排出该孔。
在图18中，刀具已经退回了一个螺距。在图19中，刀具已经径向移动了一个齿高的距离，以便使其绕孔心沿轨道运动。如图21所示，螺纹铣削钻孔刀具移回至孔心后，从孔中抽出，返回至图16所示的起始位置。