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不锈钢攻丝用的新型丝锥 |
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作者：刘光明 施志大 居季成 |
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摘要：本文介绍了一种用于不诱钢材料攻丝的新颖丝锥― 双头丝维，通过对比锥构造的(几何)参数和涂层材料及方法进行合理选择，使之能够高效地、经济地对不锈钢进行攻丝加工。
不锈钢作为一种优良的耐腐蚀材料，并具备有强度和韧性等方面的优异使用性能，使之在机器零件及制药、化工设备等各个领域得到广泛的应用。但是，随着不锈钢用量的不断增加，不锈钢作为难切削材料的加工问题就日益突出。正是因为不锈钢具有良好的塑性和一定的韧性及强度，所以导致加工硬化现象严重，易对刀具切削刃口造成损伤。由于它高温下强度高、热传导率低，因此切削温度高，对刀具磨损影响很大，正因它具有相当大的韧性和强度，延伸率大，故极易形成积屑瘤。这些情况对于不锈钢加工，尤其是攻丝将会带来很大困难。
我们在实际加工过程中，研制了一种表面注入Co离子的高速钢丝锥(如图1) ，并对刀具的结构参数进行合理选择，能较好地完成不锈钢攻丝。
图1 双头丝锥
1 双头丝锥的结构简介
目前我们常用的丝锥只有一端有螺纹，而另一端则为刀柄。这种结构使得刀杆尾部须被设计成方身或锥面，以能传递扭矩。而丝锥的螺纹的有效部分只占丝锥长度的40%左右，丝锥材料大部分用于刀柄部分，比较浪费材料。
现设计的双头丝锥在它的两头都有相同的外形，能使丝锥固定在夹具上，使得扭矩可以从任意一端传递到另一端。这种结构相当于把两个单头丝锥的刀柄部分合并成一体，从而减少了柄部长度，节省了材料。在双头丝锥的中间部分，即刀柄部分，可以铣出较浅的圆弧槽，利用双头丝锥两头的顶针孔定位，圆弧槽经磨削后可保证定位夹紧面具有较高的定位精度。
图2 专用夹具
2 丝锥结构参数的合理选择
试验表明，丝锥槽数对攻丝效果有较大的影响。我们选用的是三槽丝锥，它与四槽丝锥相比，横截面的尺寸增大了，丝锥的强度得到提高，可有效防止丝锥在攻丝扭矩的作用下折断，也为增大前角和后角创造了有利的条件。并且，三槽丝锥的攻丝扭矩可比四槽丝锥减小10% ，因而单位面积切削力也随之减小。
由于攻丝切削力大，为减小丝锥的磨损速度，一般认为丝锥前角应取小值，但是根据不锈钢材料的特性，其抗拉强度不是太高，而高温强度、延伸率和断面收缩率却较大，攻丝时切屑不易分离、卷曲和折断，切削变形大，攻丝扭矩大，切削温度高。因此为了减小切削变形，使切削轻快，应该适当增大前角，而且这样可使容屑槽面积增大，使不易卷曲和折断的切屑能够暂存容屑槽中，不至于因为切屑堵塞而使丝锥折断或刀齿崩刃。因此我们选择了βp=20°较大的前角。
标准丝锥切削锥部的齿顶后角一般为αp=6°～8°，但由于不锈钢韧性较大，所以我们选用了较大的后角αp=10°～12°，并在制造时对螺纹廓形进行铲磨，即铲磨螺纹截形后角，这样可防止攻丝过程中由于弹性恢复，被加工表面在切削后缩小，使摩察力大大增加，也可避免丝锥在反转退出时被切屑卡塞。
容屑槽槽形选用两圆弧一直线构成的槽形，槽形的方向最好采用螺旋槽，但是其制造相当困难，刀具制造成本较高，因此我们选用在直线槽的切削锥部有刃倾角的形式，以提高其切削性能。
3 丝锥材料的合理选择
传统的丝锥材料均为普通高速钢。有资料显示，加工不锈钢可以在高速钢表面进行TiN涂层，以减小切削扭矩，延长丝锥寿命，提高螺纹质量。实验证明，TiN 涂层可使丝锥表面与不锈钢材料之间的摩擦力下降，使切削扭矩下降1/3～1/2，TiN涂层还能有效抑制丝锥与不锈钢的亲和作用，明显阻止不锈钢和丝锥之间的粘结，从而使螺纹表面质量提高。
我们选用的材料为表面注入Co离子，因为它不仅有TiN涂层的上述特点，还有一些更优异的特征。由于表面注入Co元素的高速钢表面晶格发生严重的畸变和强化，表面组织和Co离子发生化合反应，形成金属化合物和弥散金属硬质相，使表面硬度可达1,600～2,000HV，而且该硬质层是混合体，没有TiN涂层的明显界面，所以硬质层与高速钢有极强的结合强度，从而提高了丝锥表面的耐磨性，抗冲击性和耐腐蚀性。我们对丝锥进行Co离子注入并与未经注入处理的丝锥作了切削性能对比试验，注入Co离子丝锥的材料为W6Mo5Cr4V2，尺寸为M10×1(带刃倾角)，试件为1Cr18Ni9Ti不锈钢，硬度HB190 ，抗拉强度642MPa，选用切削速度3.6m/min，浇注乳化切削液，流量5L/min。当总攻丝长度为4m 时，注入Co离子的丝锥切削齿后刀面上的磨经损量为0.15mm，未注入Co离子的磨损量为0.4mm。(图3) 
图3 注入伪离子与未注入Co离子的丝锥切削齿磨损过程
实验证明注入Co离子后丝锥的切削寿命可延显长1.5～2倍，而且刀齿后刀面沿刀刃的磨损是均匀的，而一般情况下丝锥刀齿后刀面位于刀刃转角处往往会产生严重磨损甚至崩刃，这充分说明注入Co离子以后丝锥的耐磨性和抗冲击性得到了显著的提高。
4 双头丝锥的专用夹具
由于双头丝锥是一种新型结构，一般的夹具无法装夹，所以我们设计了双头丝锥的专用夹具，图2为夹具外形，图4为双头丝锥装夹在专用夹头中的结构示意图。双头丝锥由钢球在斜面的作用下压紧在双头丝锥中间的圆弧槽内，只要推动松紧压套即能方便的把丝锥拆装及掉头。丝锥由中心孔与夹具中的定位销起到定心作用，丝锥夹具在整个壳体内可略有浮动，以便对准工件孔。且在轴向也有少许允动，以便于丝锥进退时，允许在螺距上稍有些偏差。
图4 专用夹具结构示意图
5 结论
1) 结构新颖的双头丝锥，改变了传统的丝锥柄部制造工艺，节省了刀具材料，降低了刀具制造成本，若两头被分别做成头锥和二锥，可快速掉头使用。
2) 设计的专用夹具可使丝锥定位准确，传递扭矩较大，装拆快速，节省辅助时间，提高生产效率。
3) 合理选择丝锥的结构参数，可提高加工质量，改善丝锥的切削性能。
4) 采用表面注入Co离子的高速钢丝锥，能提高丝锥耐用度1.5～2.0倍，且刀齿的磨损比较均匀。(end)
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(11/23/2007) |
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