Threading (manufacturing)

Thread cutting, as compared to thread forming and rolling, is used when full thread depth is required, when the quantity is small, when the blank is not very accurate, when threading up to a shoulder is required, when threading a tapered thread, or when the material is brittle.^[5]

Thread milling

Threads may be milled with a rotating milling cutter if the correct helical toolpath can be arranged. This was formerly arranged mechanically, and it was suitable for mass-production work although uncommon in job-shop work. With the widespread dissemination of affordable, fast, precise CNC, it became much more common, and today internal and external threads are often milled even on work where they would formerly have been cut with taps, die heads, or single-pointing. Some advantages of thread milling, as compared to single-point cutting or taps and dies, are faster cycle times, less tool breakage, and that a left- or right-hand thread can be created with the same tool.^[10] Additionally, for large, awkward workpieces (such as a fire hydrant casting), it is simply easier to let the workpiece sit stationary on a table while all needed machining operations are performed on it with rotating tools, as opposed to rigging it up for rotation around the axis of each set of threads (that is, for the "arms" and "mouth" of the hydrant).

There are various types of thread milling, including several variants of form-milling and a combination of drilling and threading with one cutter, called thrilling.

One main advantage against tapping, is that tapping only starts making a complete thread profile on the third thread, whereas thread milling will produce a complete thread profile from the top to the bottom.^[11]

Form-milling uses either a single- or multiple-form cutter. In one variant of form-milling, the single-form cutter is tilted to the helix angle of the thread and then fed radially into the blank. The blank is then slowly rotated as the cutter is precisely moved along the axis of the blank, which cuts the thread into the blank. This can be done in one pass, if the cutter is fed to the full thread depth, or in two passes, with the first not being to the full thread depth. This process is mainly used on threads larger than 1.5 in (38 mm). It is commonly used to cut large-lead or multiple-lead threads. A similar variant using a multiple-form cutter exists, in which the process completes the thread in one revolution around the blank. The cutter must be longer than the desired thread length. Using a multiple-form cutter is faster than using a single-form cutter but it is limited to threads with a helix angle less than 3°. It is also limited to blanks of a substantial diameter and no longer than 2 in (51 mm).^[12]

Otra variante del fresado de forma implica mantener el eje de la fresa ortogonalmente (sin inclinación respecto al ángulo de hélice de la rosca) y alimentar la fresa en una trayectoria que generará la rosca. ^{[ 13 ]} La pieza suele ser una pieza de trabajo estacionaria, como un saliente en un cuerpo de válvula (en el fresado de rosca externa) o un orificio en una placa o bloque (en el fresado de rosca interna). Este tipo de fresado de rosca utiliza esencialmente el mismo concepto que el contorneado con una fresa de extremo o una fresa de punta esférica, pero la fresa y la trayectoria se disponen específicamente para definir el "contorno" de una rosca. La trayectoria se consigue mediante interpolación helicoidal (que es interpolación circular en un plano [normalmente XY] con interpolación lineal simultánea a lo largo de un tercer eje [normalmente Z]; el modelo de control CNC debe ser compatible con el uso del tercer eje) ^{[ 13 ]} o mediante una simulación utilizando incrementos extremadamente pequeños de interpolación lineal de 3 ejes (lo cual no es práctico de programar manualmente, pero se puede programar fácilmente con software CAD/CAM). ^{[ 14 ]} La geometría de la fresa refleja el paso de la rosca pero no su avance; el avance (ángulo de hélice de la rosca) está determinado por la trayectoria de la herramienta. ^{[ 15 ]} Las roscas cónicas se pueden cortar con una fresa cónica de forma múltiple que completa la rosca en una revolución usando interpolación helicoidal, ^{[ 16 ]} o con una fresa recta o cónica (de forma simple o múltiple) cuya trayectoria de herramienta es de una o más revoluciones pero no puede usar interpolación helicoidal y debe usar software CAD/CAM para generar una simulación de interpolación helicoidal similar a un contorno. ^{[ 16 ]}

Las herramientas utilizadas para el fresado de roscas pueden ser sólidas o indexables. Para roscas internas, las fresas sólidas generalmente se limitan a orificios mayores de 6 mm (0,24 pulg.) ^{[ 15 ]} , y las herramientas de corte de roscas internas indexables se limitan a orificios mayores de 12 mm (0,47 pulg .) . La ventaja es que, cuando el inserto se desgasta, se reemplaza de forma fácil y más económica. La desventaja es que el tiempo de ciclo suele ser mayor que con las herramientas sólidas. Cabe destacar que las herramientas de corte de roscas sólidas de múltiples formas se parecen a los machos de roscar, pero se diferencian en que la herramienta de corte no tiene conicidad posterior ni chaflán de entrada. Esta falta de chaflán de entrada permite que las roscas se formen dentro de una longitud de paso del fondo de un orificio ciego. ^{[ 17 ]}    

Emocionante

Thrilling is the process of threading and drilling (accomplished in the reverse order) internal threads using a specialized cutting tool on a CNC mill. The cutting tool tip is shaped like a drill or center-cutting endmill, while the body has a thread-shaped form with a countersink cutter form near the shank. The cutter first plunges to drill the hole. Then the thread is circularly interpolated just like the multiple-form cutter described above. This tool drills, chamfers, and threads a hole all in one compact cycle.^[18] The advantage is this process eliminates a tool, tool-holder, and tool change. The disadvantage is that the process is limited to hole depth no greater than three times the diameter of the tool.^[19]

El rectificado de roscas se realiza en una rectificadora utilizando muelas abrasivas especialmente preparadas que coinciden con la forma de las roscas. El proceso se utiliza generalmente para producir roscas precisas o roscas en materiales duros; una aplicación común son los mecanismos de husillo de bolas. Existen tres tipos: rectificado de tipo centrado con avance axial , rectificado de roscas de tipo centrado con avance interno y rectificado de roscas sin centros . El rectificado de tipo centrado con avance axial es el más común de los tres. Es similar al corte de una rosca en un torno con una herramienta de corte de un solo punto , excepto que la herramienta de corte se reemplaza por una muela abrasiva. Generalmente se utiliza una muela de una sola nervadura, aunque también hay disponibles muelas de múltiples nervaduras. Para completar la rosca, generalmente se requieren varias pasadas. El rectificado de roscas de tipo centrado con avance interno utiliza una muela abrasiva con múltiples nervaduras que es más larga que la longitud de la rosca deseada. Primero, la muela abrasiva se introduce en la pieza en bruto hasta la profundidad total de la rosca. Luego, la pieza en bruto se gira lentamente aproximadamente 1,5 vueltas mientras avanza axialmente un paso por revolución. Finalmente, el proceso de rectificado de roscas sin centros se utiliza para fabricar tornillos prisioneros sin cabeza en un método similar al rectificado sin centros . Las piezas en bruto se alimentan mediante tolvas a las muelas abrasivas, donde se forma completamente la rosca. Las tasas de producción habituales para el rectificado de roscas sin centros son de 60 a 70 piezas por minuto para un tornillo prisionero de 0,5 pulgadas (13 mm) de longitud. ^{[ 19 ]}  

En raras ocasiones, el roscado o el rectificado (generalmente este último) se complementa con el lapeado de roscas para lograr la máxima precisión y el mejor acabado superficial posible. Esta práctica se utiliza en talleres de herramientas cuando se requiere la máxima precisión, aunque rara vez se emplea, salvo en los husillos de avance o de bolas de las máquinas herramienta de alta gama.

Las roscas internas se pueden mecanizar por descarga eléctrica (EDM) en materiales duros utilizando una máquina de penetración.

Thread forming and thread rolling are processes for forming, rather than cutting, screw threads, with the former referring to creating internal threads and the latter external threads. In both of these processes threads are formed into a blank by pressing a shaped tool, commonly called a 'thread rolling die' against the blank, in a process similar to knurling. These processes are used for large production runs because typical production rates are around one piece per second. Forming and rolling produce no swarf and less material is required because the blank size starts smaller than a blank required for cutting threads; there is typically a 15 to 20% material savings in the blank, by weight.^[19] A rolled thread can be easily recognized on fasteners that were formed from an unstopped blank because the thread has a larger diameter than the blank rod from which it has been made; however, necks and undercuts can be cut or rolled onto blanks with threads that are not rolled, and some fasteners are made from blanks with a reduced shank in the region to be rolled to maintain a constant major diameter from thread to unthreaded shank. Unless faced off, the end threads of a rolled fastener have a cupped end, as the surplus material in the tapering down final threads collapses uniformly over the end of the blank.^[3]

Materials are limited to ductile materials because the threads are cold formed. However, this increases the thread's yield strength, surface finish, hardness, wear resistance,^[19] and fatigue strength due to conformance of the grain with the thread profile. Also, materials with good deformation characteristics are necessary for rolling; these materials include softer (more ductile) metals and exclude brittle materials, such as cast iron. Tolerances are typically ±0.001 in. (±0.025 mm), but tolerances as tight as ±0.0006 in (±0.015 mm) are achievable. Surface finishes range from 6 to 32 micro-inches.^[21]

There are four main types of thread rolling, named after the configuration of the dies: flat dies, two-die cylindrical, three-die cylindrical, and planetary dies. The flat die system has two flat dies. The bottom one is held stationary and the other slides. The blank is placed on one end of the stationary die and then the moving die slides over the blank, which causes the blank to roll between the two dies forming the threads. Before the moving die reaches the end of its stroke the blank rolls off the stationary die in a finished form. The two-die cylindrical process is used to produce threads up to 6 in (150 mm) in diameter and 20 in (510 mm) in length. There are two types of three-die processes; the first has the three dies move radially out from the center to let the blank enter the dies and then closes and rotates to roll the threads. This type of process is commonly employed on turret lathes and screw machines. The second type takes the form of a self-opening die head. This type is more common than the former, but is limited by not being able to form the last 1.5 to 2 threads against shoulders. Planetary dies are used to mass-produce threads up to 1 in (25 mm) in diameter.^[5][19]

Thread forming is performed using a fluteless tap, or roll tap,^[22] which closely resembles a cutting tap without the flutes. There are lobes periodically spaced around the tap that actually do the thread forming as the tap is advanced into a properly sized hole. Since the tap does not produce chips, there is no need to periodically back out the tap to clear away chips, which, in a cutting tap, can jam and break the tap. Thus thread forming is particularly suited to tapping blind holes, which are tougher to tap with a cutting tap due to the chip build-up in the hole. Note that the tap drill size differs from that used for a cutting tap and that an accurate hole size is required because a slightly undersized hole can break the tap. Proper lubrication is essential because of the frictional forces involved, therefore a lubricating oil is used instead of cutting oil.^[2][5]

When considering the blank diameter tolerance, a change in blank diameter will affect the major diameter by an approximate ratio of 3 to 1. Production rates are usually three to five times faster than thread cutting.

En la fundición y el moldeo, las roscas se forman directamente por la geometría de la cavidad del molde o matriz . Cuando el material se solidifica en el molde, conserva su forma una vez retirado. El material se calienta hasta convertirse en líquido o se mezcla con un líquido que se seca o cura (como yeso o cemento). Alternativamente, el material puede introducirse en un molde en forma de polvo y comprimirse hasta solidificarse, como en el caso del grafito .

Aunque lo primero que se le viene a la mente a la mayoría de los maquinistas al pensar en roscado son los procesos de corte de roscas (como el roscado con macho, el roscado de un solo punto o el fresado helicoidal), Smid señala que, cuando se consideran las botellas de plástico para alimentos, bebidas, productos de cuidado personal y otros productos de consumo, en realidad es el moldeo de plástico el método principal (por puro volumen) de generación de roscas en la fabricación actual. ^{[ 23 ]} Por supuesto, este hecho resalta la importancia de que los fabricantes de moldes consigan que el molde sea perfecto (en preparación para millones de ciclos, generalmente a alta velocidad).

Las roscas fundidas en piezas metálicas pueden acabarse mediante mecanizado o dejarse en su estado de fundición. (Lo mismo se aplica a los dientes de engranajes fundidos ). La conveniencia de realizar el mecanizado, que supone un gasto adicional, depende de la aplicación. Para piezas donde la precisión y el acabado superficial no son estrictamente necesarios, se prescinde del mecanizado para reducir costes. En el caso de piezas fundidas en arena, esto implica un acabado bastante tosco; sin embargo, en plástico moldeado o metal fundido a presión, las roscas pueden ser de muy buena calidad directamente del molde. Un ejemplo común de roscas de plástico moldeado se encuentra en las botellas de refrescos. Un ejemplo común de roscas fundidas a presión se encuentra en los prensaestopas (conectores/accesorios).

La primera patente para el laminado en frío de roscas de tornillos se emitió en 1836 a William Keane de Monroe, NY ^{[ 24 ] [ 25 ]} Sin embargo, los troqueles para laminar las roscas en las piezas en bruto de los tornillos estaban hechos de hierro fundido, que es quebradizo, por lo que la máquina no tuvo éxito. El proceso quedó en suspenso hasta 1867, cuando Harvey J. Harwood de Utica, Nueva York, presentó una patente para el laminado en frío de roscas en tornillos para madera. ^{[ 26 ]} Posteriormente se realizaron más esfuerzos para laminar en frío roscas en tornillos, ^{[ 27 ]} pero ninguno pareció tener mucho éxito hasta que Hayward Augustus Harvey (1824–1893) de Orange, NJ presentó sus patentes de 1880 y 1881. ^{[ 28 ]} Charles D. Rogers de American Screw Co. de Providence, Rhode Island, realizó más mejoras al proceso de laminado de roscas en tornillos. ^{[ 29 ]}

• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (1996), Green, Robert E.; McCauley, Christopher J. (eds.), Machinery's Handbook (25th ed.), New York: Industrial Press, ISBN 978-0-8311-2575-2, OCLC 473691581.
• Smid, Peter (2008), CNC Programming Handbook (3rd ed.), New York: Industrial Press, ISBN 9780831133474, LCCN 2007045901.
• Stephenson, David A.; Agapiou, John S. (1997), Metal cutting theory and practice, Marcel Dekker, ISBN 978-0-8247-9579-5.
• Stephenson, David A.; Agapiou, John S. (2006), Metal cutting theory and practice (2nd ed.), CRC Press, ISBN 978-0-8247-5888-2.
• Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994), Manufacturing Processes Reference Guide, Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-3049-0.