无切削加工内螺纹专利技术发展趋势的研究

陈湘辉

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

螺纹连接是一种广泛应用于各行各业的可拆卸的固定连接，是通过内螺纹与外螺纹的配合实现，螺纹加工的品质直接关系到螺纹连接的稳定性和可靠性。传统的内螺纹加工是采用切削攻丝技术，利用相应的成型刀具进行螺纹孔的加工，其仍存在许多问题[1]，如：①切屑的状态不易控制、切屑不易排出、易划伤已加工表面；②攻丝扭矩大，轴向力控制困难，易使孔径及螺距误差扩大，易损坏刀具；③刀具刚性差，承载能力低，加工速度低，加工效率低等；④由于材料的组织是被切削的缘故，螺纹部的有效强度也受到损失。然而，在航空航天、现代机械设备、汽车及仪表仪器等领域，对螺纹连接的连接精度、连接强度和连接可靠度有着更高的要求，采用其他方法代替切削方法加工内螺纹，以得到强度更高、质量更好地内螺纹零件，是大家研究的重点。

内螺纹的无切削加工技术实质上是利用材料的塑性进行加工，根据金属材料受力后发生塑性变形和流动的特点，在预制好的工件内孔上利用压力和螺纹工具的作用产生塑性变形，得到所需的内螺纹。采用无切削加工，由于螺纹工具对内孔周围的金属材料的反复挤压，所成形的螺纹表层组织比心部组织严密，螺纹表面的纤维组织沿牙形呈连续的流线分布，螺纹的表面粗糙度、耐磨性较好，且经无切削加工形成的内螺纹，由于没有切断材料的组织，螺纹部的抗剪、抗拉强度高。

为了研究无切削加工内螺纹技术的发展情况，笔者通过CPRSABS数据库、DWPI数据库和SIPOABS数据库中检索到的文献对无切削加工内螺纹技术进行专利分析。

1 无切削加工内螺纹技术专利申请整体状况

1.1 无切削加工内螺纹技术国内外专利申请趋势

国外关于无切削加工内螺纹技术的专利申请始于1926年，大致分为三个阶段：①缓慢发展阶段，从1926年至1976年，专利申请量较少，大部分年份的申请量在0～2件，申请量最多的一年为1959年，有6件专利申请。②快速发展阶段，从1977年至1988年，这一阶段的专利申请量比缓慢发展阶段有了较大的提高，申请量最多的一年是1980年，共有18件专利申请，其中前苏联有12件专利申请，且这一段阶段中，前苏联每年都有关于无切削加工内螺纹技术的专利申请。③平稳发展阶段，从1989年至今，这一阶段中，日本的申请量最大，占比为30%，其次是德国，占比26%，俄罗斯和前苏联各占比10%，韩国占比7%。

中国关于无切削加工内螺纹技术的专利申请从1988年才开始出现，从1988-2002年之间的申请量始终在0-2件之间，2003年的申请量开始增多，达到了5件，进入了较快的发展阶段，2003-2017年期间，专利申请量有了一定的提高，并在2016年的时候达到了高峰，这一年有13件专利申请。

1.2 无切削加工内螺纹技术专利申请国家分布

无切削加工内螺纹技术，申请量排名靠前的国家分别是：①前苏联（SU）；②中国（CN）；③日本（JP）；④德国（DE）；⑤美国（US）。虽然前苏联在20世纪90年代解体，但是到目前为止，其专利申请总量仍然是最多的。由于中国的专利制度启动较晚，其关于无切削加工内螺纹技术的专利申请开始也较晚，但专利申请的数量较多，说明中国对无切削加工内螺纹技术有一定的研究。图1为无切削加工内螺纹技术主要申请国的专利申请趋势。前苏联（SU）关于该技术的专利申请是从1951年开始，前期申请量很少，在1978年和1980年的申请量最多，达到了12件，随着前苏联的解体，从1992年后，其专利申请量相应地消失。日本（JP）关于无切削加工内螺纹技术的专利申请是从1973年开始的，并在1983年达到了申请量的高峰，随后的专利申请量有波动，但是比起其他国家，日本的专利申请量还是较多。德国（DE）关于无切削加工内螺纹技术的专利申请是开始最早的，从1926年开始，但是随后就进入了沉寂期，只是偶尔有一件或几件专利申请。美国（US）关于无切削加工内螺纹技术的专利申请趋势与德国相似，开始较早，美国是1942年开始的，但是没有一个申请量的高峰，只是偶尔申请1-2件，申请量较少。

图1 无切削加工内螺纹技术主要申请国的专利申请趋势

2 无切削加工内螺纹技术分类

无切削加工内螺纹技术主要包括外部滚轧加工内螺纹、内部滚轧加工内螺纹、冲压加工内螺纹、拉拔加工内螺纹、挤压加工内螺纹、先轧制螺纹再卷圆形成内螺纹。通过对所检索到的文献进行分析、归纳，获得其专利技术发展状况。

2.1 外部滚轧加工内螺纹

外部滚轧加工内螺纹，其是在工件内部设置带螺纹的芯棒，通过对工件外部进行滚轧加工使工件内表面与带螺纹的芯棒接触发生塑性变形，从而在工件内表面形成内螺纹，其技术改进主要是对外部滚轧装置进行改进，外部滚轧装置采用旋转滚轧、行星式旋转滚压装置或轧辊等。外部滚轧加工内螺纹的技术最早于1926年提出，这也是最早的无切削加工内螺纹专利技术，这件专利是由德国申请人于1926年2 月27日提出的发明名称为一种中空管体中制备内螺纹的方法（申请号：DEG0066619D），其是在中空管体内部设置螺纹芯棒，中空管体外部设置滚轧装置，通过滚轧装置的旋转滚轧，使中空管体内部形成内螺纹。随后直到1950年6月16日才再次出现外部滚轧加工内螺纹的专利申请，其是由法国申请人提出的一种管材加工内螺纹的方法（申请号：FR1187602DA），管材内部设置螺纹芯棒，管材外部设置旋转部，旋转部上设置滚珠，旋转部与滚珠实质上构成行星式旋转滚压装置，通过对管材外部进行旋转滚压，从而在管材内部形成内螺纹。

2.2 内部滚轧加工内螺纹

内部滚轧加工内螺纹是在工件内表面设置带螺纹的滚轧工具，通过滚轧工具的滚轧加工使工件内部形成内螺纹，其技术改进通常都是对内部滚轧工具进行改进。采用内部滚轧加工内螺纹的技术最早出现于1942年，比外部滚轧加工内螺纹技术的出现时间晚了约16年，其是由美国申请人于1942年7月29日申请的发明名称为一种螺纹轧制工具的专利（申请号：US19420452722A），其是在工件内部设置了一个芯棒，芯棒上均匀分布地镶嵌了3个可独立旋转的带螺纹的轧辊，轧辊的螺纹面凸出芯棒的外圆周面，芯棒的旋转带动轧辊旋转，通过芯棒的旋转运动带动轧辊进行滚轧、工件的平移运动，从而在工件内表面形成内螺纹。1958年4月30日德国申请人申请了一件发明名称为一种内螺纹轧制方法的专利（申请号：DEP0020611A），该专利将工件内部的螺纹轧辊改设6个，6个螺纹轧辊分两层设置，每层3个，6个轧辊在工件内部与轴线垂直的平面上均匀分布，通过这样的设置大大提高了内螺纹滚轧的效率。

2.3 冲压加工内螺纹

冲压加工内螺纹是在工件内表面设置螺纹芯棒，通过冲压模具或冲头对工件外表面进行冲压，使工件内部与螺纹芯棒接触发生塑性变形，从而形成内螺纹。其专利申请的出现时间晚于外部滚轧加工内螺纹和内部滚轧加工内螺纹，最早是1978年2月27日前苏联申请人申请的发明名称为内螺纹成形的专利（申请号：SU2582784A），其是采用冲压方法加工内螺纹，包括冲压模具，冲压模具包括上模和下模，工件内部设置螺纹芯棒，工件置于冲压模具中，通过上模和下模的合模，使工件内表面与螺纹芯棒接触发生塑性变形形成内螺纹。同一年，日本申请人也申请了一件采用冲压方法加工内螺纹的专利，发明名称为螺母内螺纹成形方法（申请号：JP11343678A），其申请日是1978年9月13日，比前苏联的申请晚六个多月。该专利所采用的冲压方法是在工件外部设置了4个冲头，工件内部设置螺纹芯棒，4个冲头从四个方向对工件外表面进行冲压，从而在工件内表面形成内螺纹。

2.4 拉拔加工内螺纹

拉拔加工内螺纹是在工件外表面设置模具以限定工件外部尺寸，工件内孔中设置旋转的螺纹芯棒，通过对工件沿轴线方向拉拔并在模具及螺纹芯棒的共同作用下使工件内表面形成内螺纹。1982年11月16日日本申请人申请了一件发明名称为制备内表面带槽的管的装置和方法（申请号：JP20809182A），该专利采用拉拔的方法制备内螺纹，在工件外部设置模具，模具内腔为锥形面，工件内部设置旋转的螺旋芯棒，通过将工件沿轴向方向拉拔穿过模具，通过模具的挤压作用使工件内表面与螺纹芯棒的接触面发生塑性变形，从而在工件内表面形成内螺纹。

2.5 挤压加工内螺纹

挤压加工内螺纹是在工件内表面设置螺纹芯棒，工件外表面设置挤压模具，通过对工件沿轴向施加挤压力使工件内表面形成内螺纹。1991年5月5日，前苏联申请人申请了一件发明名称为采用冷塑性变形成形中空工件内螺纹的专利（申请号：SU4934369A），该专利采用挤压的方式加工内螺纹，在工件内部设置螺纹芯棒，工件外部设置模具以对工件外部尺寸进行限定，通过沿工件轴向对工件施加挤压力，使工件内表面与螺纹芯棒接触的部分发生塑性变形形成内螺纹。

2.6 先轧制螺纹再卷圆形成内螺纹

先轧制螺纹再卷圆形成内螺纹，即先在板材的一面轧制出螺纹，然后再将板材卷圆、焊接，从而在工件内表面形成螺纹，如1993年7月13日法国申请人申请了一件发明名称为采用轧制生产螺纹件的方法的专利（申请号：FR9309064A），该专利是先在板材的一面轧制出螺纹，然后再将板材卷圆、焊接，从而在工件内表面形成螺纹。

3 结语

综上可知，国外在无切削加工内螺旋领域的专利申请开始较早，最早起源于德国，前苏联的专利申请量最多，且对无切削加工内螺纹技术改进的贡献最大，中国的专利申请起步较晚，这与中国专利制度实施晚于国外有着密切的关系，但中国的专利申请总量较高，说明中国也在研发无切削加工内螺纹技术，只是到目前为止，中国对无切削加工内螺纹的技术改进较小。