几种高性能螺纹加工刀具

　薛锴
　　1．上海工具厂有限公司  上海200093
　　2．机械工业高速精密工具工程技术研究中心  上海200093

　　摘要

　　本文介绍了几种高性能螺纹加工刀具的特点及其应用，相对于通用型直槽丝锥，这些高性能刀具具有更合理的结构，在不同的适用加工范围内具有更高的加工效率，更好的加工质量，更长的使用寿命和稳定性，能够满足先进制造业对刀具提出的越来越高的要求，值得大规模推广应用。

　　一、前言

　　我国工具工业的生产模式是仿照前苏联计划经济的分工，工具行业的基本任务是大批量生产各种标准刀具和量具，大量的非标准工具则由机械制造厂自制。几十年来形成的生产经营模式、经营思想和习惯导致国产刀具产品结构不合理，产品技术附加值不高，缺乏核心竞争力，只能在中低端市场上进行低价恶性竞争，而利润率最高的高端专业刀具市场长期由国外品牌占据。要改变国产刀具长期以来在新产品和专用刀具开发上落后的地位，必须加快自主研发多品种高性能刀具和专用刀具，提高产品质量、精度和稳定性，完善技术服务。上海工具厂依托1.2亿国债技改项目，开发多种高性能螺纹刀具并形成批产能力，提升产品技术水平，以适应汽车工业、造船工业、航空航天、能源动力等先进制造业对高效刀具的需求。

　　二、螺尖丝锥

　　螺尖丝锥（也称刃倾角丝锥）适用于通孔攻丝或盲孔攻丝(孔深应足够容屑)，其优点是切削速度高、排屑畅、强度高、扭矩小，已加工螺纹表面光洁度好。不同于普通直槽丝锥的是其切削锥有一个刃倾角，如图1所示。刃倾角一般都是8°~20°。螺尖丝锥各齿切入时，切削层面积逐渐增加，切入过程平稳；而且螺尖丝锥是斜角切削，实际切削前角大于名义前角，切削变形抗力小，切削轻快。螺尖丝锥的切削锥较普通直槽丝锥长，各齿切削负荷轻，刀具寿命长。

　　螺尖丝锥在美国使用已较广泛，其中螺尖丝锥占55%，螺旋槽占10%，挤压丝锥占10%，直槽丝锥占25%。螺尖丝锥切削时能使切屑卷成圈状，飞快的向前排出，不堵屑。比一般丝锥减少切削扭矩60%，由于切屑可向前排出，所以螺尖丝锥的直槽很浅，心部粗壮，其心部面积要比一般直槽丝锥增大2～2.5倍，增强了丝锥的强度和刚性，故螺尖丝锥的折损率可减少90%，加工螺纹扩张量小。适合高速切削，最高切削速度可达80～100m/min。

　　曲轴是发动机的重要零件之一，曲轴端面有六个M10x1的通孔，如图2，采用螺尖丝锥加工可以取得很好的效果。

　　螺尖丝锥应用举例

　　刀具规格：M10螺尖丝锥

　　刀具材料：M35

　　加工材料：40Cr调质钢，硬度HB220~230

　　孔深：20mm（2×D），通孔

　　切削速度：14m/min

　　加工条件：DMU 70V 五轴加工中心，刚性攻丝，乳化液外冷却

　　加工孔数：528孔（10.56m），螺孔表面光洁度高

  

图1 螺尖丝锥                          图2 曲轴

　　三、螺旋槽丝锥

　　螺旋槽丝锥比起普通直槽丝锥寿命可增加30%~50%，有的高达2倍以上。这是因为在攻丝过程中切屑极易沿螺旋槽丝锥排出，不会堵在沟槽中排不出去，很少出现崩刃及折断现象，提高了使用寿命。由于螺旋槽丝锥是斜角切削，切削平稳便于入扣，加工螺纹粗糙度值低。螺旋角的存在增大了实际工作前角，工作扭矩较小，比直槽丝锥小30%左右。

　　加工难加工材料，如不锈钢、合金结构钢及各种有色金属的盲孔攻丝，由于切屑连续强韧，采用大螺旋角螺旋槽丝锥（40°~50°），可以取得很好的排屑效果，攻丝时不用反复进退丝锥排屑。针对不锈钢材料的盲孔攻丝的丝锥如图4所示，采用45°螺旋角，大前角设计，螺旋角大可以增大丝锥的工作前角，使切削过程轻快，奥氏体不锈钢切屑连续而且强韧，槽形的设计让切屑紧密的卷曲并沿螺旋槽排出，丝锥表面采用氧化处理减小表面摩擦系数，防止不锈钢材料的粘结。

　　不锈钢专用丝锥应用举例：

　　刀具规格：M6螺旋槽丝锥

　　刀具材料：M35

　　加工材料：奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti

　　螺纹深：15mm（2.5×D），盲孔

　　切削速度：7m/min

　　加工条件：DMU 70V 五轴加工中心，刚性攻丝，乳化液外冷却

　　结论：不锈钢专用丝锥（45°螺旋角）攻丝排屑顺畅，螺孔表面光洁度高，通用螺旋槽丝锥（35°螺旋角）切屑堵塞折断，两种丝锥攻丝时的三向切削力及扭矩如图6、图7所示。

图3 普通螺旋槽丝锥         图4 不锈钢专用大螺旋角丝锥

图5 奥氏体不锈钢盲孔攻丝试验装置

图6  不锈钢专用丝锥攻丝扭矩图       

图7 普通螺旋槽丝锥攻丝扭矩图

　　四、挤压丝锥

　　挤压丝锥无切削刃和容屑槽，通常会有一条或多条润滑油槽，丝锥的外形呈多菱形(通常为3到6条)，如图8所示，通过棱上的工作螺纹挤压被加工孔内的金属，使之发生塑性流动而形成螺纹。挤压丝锥的特点：挤压丝锥比切削丝锥有更高的强度，它具有不易磨损，使用寿命长，折断率低和生产效率高及切削加工的优点；挤压丝锥通过金属流动形成螺纹，因此具有螺纹表面强度高，表面光滑，加工尺寸易保证的特点；挤压丝锥具有自导性，在一般的攻丝设备上可以使用，但由于挤压丝锥加工需要比切削加工更大的扭矩，因此对攻丝设备的扭矩要求较大，挤压丝锥需要的扭矩一般为切削丝锥的1~1.5倍。

　　图9是挤压丝锥的挤压示意图，在挤压过程中，由于丝锥牙尖的挤压，材料沿丝锥牙的两侧从大的螺纹根部挤向空间较小的螺纹顶部，与丝锥接触处的晶粒受力比螺纹牙芯部的晶粒大，宏观表现在与挤压丝锥接触处晶粒的滑移量远大于芯部滑移量。可见挤压攻丝的过程表现为金属材料塑性变形的过程。

　　挤压丝锥主要适用于加工塑性大的材料，如铜、铝合金、低碳钢、含铅钢及奥氏体不锈钢等工件。在选择使用挤压丝锥时，首先要对材料的可加工性进行评估，一般情况下，材料的延伸率不应小于8%，硬度不应大于37HRG，强度极限不应大于980MPa。其次根据丝锥的直径和牙距，来确定此材料是否适合用挤压丝锥加工。对于挤压成形螺纹，直径和牙距越小，则可加工的材料的范围就越广，而大直径和大牙距的挤压丝锥只适用于加工很软的材料。根据经验。生产实际中合理选择使用挤压丝锥既可加工出精度保证，强度好，表面光滑的螺纹内孔，又可降低生产成本。

 

图8 挤压丝锥           

                 

图9 挤压丝锥加工示意图

　　五、跳牙丝锥

　　用普通丝锥加工大韧性和难加工的材料（铝、铜、软钢、耐热钢、钛合金等)时，刀齿对工件会产生很大的挤压变形。使摩擦力有所增大。此时每个切削刀齿的作用像楔一样，且切屑容易粘刀。导致螺纹表面质量降低，而且加工出来的螺纹粗糙。刀具磨损加快。所切下的切屑都压在刀齿上。如果不周期性倒旋丝锥排去切屑，则丝锥将会卡住。甚至有折断的可能。而采用跳牙丝锥（如图10）可以获得很好的加工效果，使切屑厚度增加1~2倍。在这种丝锥上刀齿交错相间地参与切削工作，减少了切削过程中的摩擦和刀具磨损，提高了刀具寿命。

图10  跳牙丝锥

　　六、螺纹铣刀

　　随着数控加工技术的发展，尤其是三轴联动数控加工系统的出现，使更先进的螺纹加工方式-螺纹的铣削加工得以实现。螺纹铣削是基于具有三轴联动功能的加工设备，螺纹铣刀高速旋转，作周向和轴向同步进给，即螺纹铣刀循螺旋线运动，在螺纹铣削中圆周运动产生螺纹直径而同步的轴向直线运动产生螺距，通过螺旋插补的方法加工出螺纹，如图11所示。

　　螺纹铣削传统螺纹加工方式相比，在加工精度、加工效率方面具有极大优势，且加工时不受螺纹结构和螺纹旋向的限制。它可以实现干切削、重载切削、难加工材料切削和超高速切削(速度达到400m/min)加工效率高，表面粗糙度能达Ra0.4μm。它可以加工所有材料，加工具有相同螺距的任意螺纹直径，在盲孔和通孔中操作，可以加工任意配合、公差或位置要求的螺纹。

　　采用螺纹铣刀铣削螺纹的加工方法可以避免攻丝加工的丝锥破损等问题，这是因为螺纹孔铣刀比螺纹孔小，因此，容屑空间比攻丝时大得多，而切屑却更短更小，易于排出；切削液能进入切削区，润滑条件比攻丝时大大改善，用螺纹铣削可以加工出牙高100%的螺纹孔，而普通攻丝只能加工到60%~75%高度的螺纹孔，甚至50%高度的螺纹孔，这有助于增强螺纹的密封性能及提高螺纹的连接强度；对于深螺纹孔加工，由于可以采用单刃刀具，因而轴线偏斜误差可以得到纠正，而这在攻丝过程中难以实现，用铣刀加工盲孔内螺纹和锥螺纹孔具有很多优势，至少加工盲孔内螺纹时底孔不需要像攻丝时那样深，而且用铣削方法加工锥螺纹孔时在螺纹表面不会出现停刀的痕迹。

       

图11 螺纹铣刀及其加工示意图

　　七、总结

　　本文介绍了几种高性能螺纹刀具的优势所在和应用范围，这些高性能刀具的开发使上海工具厂逐渐转变以往靠通用标准刀具打天下的局面，进一步形成各类专用刀具产品系列并具备批产能力，完善了新产品开发流程和切削性能评价体系，缩短了研发周期，体现了国产刀具越来越高的技术水平。在不断提高研发能力、推出新产品的基础上，还需要长期的进行刀具设计制造应用的基础理论研究和试验研究，进一步加强刀具技术服务水平和以客户为主的服务意识，努力缩小与国外高端产品的差距，提升我国装备制造业整体技术水平。

文章来源网络，权益归作者所有