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丝锥及攻丝技术的新发展

时间: 2011-07-01 13:01 来源: 作者: 工具展望 张铁铭 译点击:
攻丝属于比较困难的加工工序,因为几乎是被埋在工件中进行切削,其每齿的加工负荷比其它都要大,并且丝锥沿着螺纹与工件接触面非常大,切削螺纹时它必须容纳并排除切屑,因此,可以说丝锥是在很恶劣的条件下工作的。为了使攻丝顺利进行,应事先考虑可能出现的各种问题。如工件材料的性能、选择什么样的刀具及、选用多高的切削速度、进给量等。

在特殊工件材料上攻丝

工件材料的可加工性是攻丝难易的关键。Hansen-Whiney公司设计师Vernon Hill说:“现在丝锥生产厂家主要关注的是,发展针对特殊材料加工的丝锥”。针对这些材料的性能,改变丝锥切削部分的几何形状,特别是它的前角和下凹量(HOOK)—前面的下凹程度。对于高强度的工件材料,丝锥的前角和下凹量通常较小,以增加切削刃强度。下凹量较大的丝锥则用在切削扭矩较大的场合。但下凹量过大,切削刃可能会产生崩刃并嵌入螺纹。一般情况下,长屑材料需较大的前角和下凹量,以便卷屑和断屑。另一方面,太锋利的角度会使切削刃过于薄弱。


图1 前角和下凹量

另一个受工件材料可加工性影响较大的丝锥角度是后角。加工较硬的工件材料需要较大的后角,以减小摩擦和便于冷却液到达切削刃,但过大的后角又会减小丝锥切入工件时的自定心能力。加工软材料时,太大的后角会导致螺孔扩大。对于加工硬度、强度都很高的工件材料,丝锥应选择起始于切削刃的偏心后角;而对易加工材料,则选择带复合偏心后角(Con-eccentric)的丝锥,其特点是在切削刃下面无后角刃带之后再磨出后角。


图2 硬韧性较大的材料可用偏心后角以减小磨擦,易加工材料可用复合偏心后角

螺旋槽丝锥主要用于盲孔的螺纹加工。加工硬度、强度高的工件材料,所用的螺旋槽丝锥螺旋角较小,这可改善其结构强度。如Hanson-Whitney公司生产的ULTI-XT螺旋槽丝锥,其螺旋角为15°,主要是用来加工强韧的400系列不锈钢。而该公司的ULTI-XT300的螺旋槽丝锥的螺旋角为41°,主要是用来加工300系列不锈钢。

此外,对于强韧的加工材料,要选用螺纹长度较短的螺旋槽丝锥,以减小切削时的扭矩。对于有弹性记忆的材料(With elastic memory),例如钛,要求刀具带有较大的倒锥,从丝锥前部到柄部,逐步减小由于材料“反弹”造成的摩擦。

在优化攻丝加工条件时,丝锥生产厂家也考虑了刀具以外的其它因素。Emuge公司技术部经理Alan Shepherd说,高性能丝锥可使切削速度大大提高,在铸铁材料上攻丝可从以前的35~50sfm提高到250sfm。然而,这样的切削速度只有在特定的丝锥和具有特殊性能的机床上才能达到。他说:“最高加工速度有时受到机床性能限制。对于较小的丝锥,主轴速度要想达到理想速度[rpm=(sfm×3.8)/丝锥直径],可能已经超过了主轴最高转速。另一方面,用较大的丝锥高速切削,会产生较大的扭矩,可能比机床提供的马力还大。”


a.用于加工 400系列不锈钢(螺旋角为 15°)


b 用来加工300系列不锈钢(螺旋角为41°)
图3 螺旋槽丝锥

Alan Shephed说:“应用700psi的内冷却工具,切削速度有可能达到250sfm。而在没有内冷却设施的机床上,切削速度只能达150sfm。丝锥不同于大多数金属切削工具,因为它与工件孔壁接触面积非常大,所以冷却至关重要。如果高速钢丝锥过热,则丝锥会折断、烧损。”Shepherd说:“Emuge公司高性能丝锥的几何形状特点,就是有较大的后角和倒锥。”

上述丝锥的几何形状,再配以特殊的涂层表面(如TiN、TiCN、CrN或TiAlN),可大大提高丝锥的寿命。这些耐热的、光滑的涂层,减小了切削力并允许在更高的切削速度下攻丝。实际上,较新的高性能丝锥的开发,极大地促进了机床主轴速度和功率的提高。

硬质合金丝锥的使用增多

像车削中硬质合金刀具逐渐替代高速钢刀具一样,硬质合金丝锥也开始更多地用于螺纹孔加工,与高速钢相比,硬质合金硬度高、脆性大,用硬质合金丝锥攻丝,存在切屑处理的问题。虽然如此,硬质合金丝锥对于加工铸铁和铝合金材料,其使用效果很好,丝锥的破损形式主要是机械磨损。

Allen Benjamin公司总经理Amy Haywood说,由于汽车工业加工大量的铸铁与铝合金零件,因此使用硬质合金丝锥以获得刀具的长寿命。在加工这些材料的工件时,硬质合金丝锥比高速钢丝锥寿命更长。在汽车工业中,丝锥换刀时间的减少明显是个重要因素,而硬质合金丝锥的长寿命将使换刀时间最小化。用表面涂层的小螺旋角硬质合金丝锥在硅含量为8%~12%的铝合金工件上攻丝,其效果很好。他还说,用亚微细颗粒(Submicron-grain)硬质合金制作的丝锥可增加刀具韧性而不降低其硬度,在切削淬硬钢、塑料和难加工镍基合金时效果很好。该公司生产的PRX系列丝锥,在一定条件下,可在镍铭铁合金Inconel 718上连续攻丝200个螺孔以上,而以前必须重磨才能达到。

Regal Cutting Tool公司国际销售部经理Gene Delett说,硬质合金丝锥是该公司市场增长最快的产品之一。他说:“新的细颗粒硬质合金丝锥也适合于某些一般加工,切削速度可提高5~6倍,刀具寿命提高100倍。其价格当然比高速钢丝锥贵很多倍,可使用的收益要比支出大得多,特别适合于汽车工业的大量生产。”但应注意的是,使用硬质合金丝锥时,需要用刚性攻丝方式(即不用浮动攻丝夹头和扭转保护机构,工件螺距由机床CNC系统控制丝锥转速、进给量,刚性地保证——译者)。

也有一些针对某种加工材料研制的丝锥,在另外一些材料上攻丝,也取得了良好的加工效果。如将原本用于在镍合金上攻丝的丝锥(一种优质钢制成的,带有适当后角,螺纹长度很短的丝锥),用来加工硬度为HRC38的4340钢,效果也很好。

Mskinis说,尽管丝锥在不断发展,但他们了解到,很多用户对提高切削速度并不感兴趣,他们所关心的是通常攻丝时出现的丝锥崩刃、螺孔扩大、排屑等问题。

丝锥与切削用量的选择

首先,攻丝前应搞清楚五个问题:(1)被加工工件是什么材料?(2)工件材料强度如何?(3)所加工螺孔是通孔还是盲孔?(4)螺孔有多深(或工件厚度是多少?)(5)要加工的螺孔类别与尺寸怎样。

根据上述内容来选择丝锥。有很多方法可以找到加工各种工件材料所需的丝锥,如参考样本及选择图表。Prototyp公司开发了一种计算机切削服务(CCS)程序的CD-ROM,其上有攻丝数据库,能帮助用户选择丝锥、攻丝切削用量,最终经济、高效地完成在特殊材料上的攻丝。改变螺纹的加工工艺,如螺纹铣削和滚压成形的有关内容也包括在CCS程序中。它能给用户一个清晰的概念:即用什么方法加工一个螺孔,费用是多少。可以说这个程序是经济、高效攻丝的新起点。
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