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不銹鋼攻絲用的新型絲錐


不銹鋼作為一種優(yōu)良的耐腐蝕材料,并具備有強度和韌性等方面的優(yōu)異使用性能,使之在機器零件及制藥、化工設備等各個領域得到廣泛的應用。但是,隨著不銹鋼用量的不斷增加,不銹鋼作為難切削材料的加工問題就日益突出。正是因為不銹鋼具有良好的塑性和一定的韌性及強度,所以導致加工硬化現(xiàn)象嚴重,易對刀具切削刃口造成損傷。由于它高溫下強度高、熱傳導率低,因此切削溫度高,對刀具磨損影響很大,正因它具有相當大的韌性和強度,延伸率大,故極易形成積屑瘤。這些情況對于不銹鋼加工,尤其是攻絲將會帶來很大困難。 

我們在實際加工過程中,研制了一種表面注入Co離子的高速鋼絲錐(如圖1) ,并對刀具的結構參數(shù)進行合理選擇,能較好地完成不銹鋼攻絲。

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圖1 雙頭絲錐

1 雙頭絲錐的結構簡介 

目前我們常用的絲錐只有一端有螺紋,而另一端則為刀柄。這種結構使得刀桿尾部須被設計成方身或錐面,以能傳遞扭矩。而絲錐的螺紋的有效部分只占絲錐長度的40%左右,絲錐材料大部分用于刀柄部分,比較浪費材料。 

現(xiàn)設計的雙頭絲錐在它的兩頭都有相同的外形,能使絲錐固定在夾具上,使得扭矩可以從任意一端傳遞到另一端。這種結構相當于把兩個單頭絲錐的刀柄部分合并成一體,從而減少了柄部長度,節(jié)省了材料。在雙頭絲錐的中間部分,即刀柄部分,可以銑出較淺的圓弧槽,利用雙頭絲錐兩頭的頂針孔定位,圓弧槽經(jīng)磨削后可保證定位夾緊面具有較高的定位精度。

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圖2 專用夾具

2 絲錐結構參數(shù)的合理選擇 

試驗表明,絲錐槽數(shù)對攻絲效果有較大的影響。我們選用的是三槽絲錐,它與四槽絲錐相比,橫截面的尺寸增大了,絲錐的強度得到提高,可有效防止絲錐在攻絲扭矩的作用下折斷,也為增大前角和后角創(chuàng)造了有利的條件。并且,三槽絲錐的攻絲扭矩可比四槽絲錐減小10% ,因而單位面積切削力也隨之減小。 

由于攻絲切削力大,為減小絲錐的磨損速度,一般認為絲錐前角應取小值,但是根據(jù)不銹鋼材料的特性,其抗拉強度不是太高,而高溫強度、延伸率和斷面收縮率卻較大,攻絲時切屑不易分離、卷曲和折斷,切削變形大,攻絲扭矩大,切削溫度高。因此為了減小切削變形,使切削輕快,應該適當增大前角,而且這樣可使容屑槽面積增大,使不易卷曲和折斷的切屑能夠暫存容屑槽中,不至于因為切屑堵塞而使絲錐折斷或刀齒崩刃。因此我們選擇了βp=20°較大的前角。 

標準絲錐切削錐部的齒頂后角一般為αp=6°~8°,但由于不銹鋼韌性較大,所以我們選用了較大的后角αp=10°~12°,并在制造時對螺紋廓形進行鏟磨,即鏟磨螺紋截形后角,這樣可防止攻絲過程中由于彈性恢復,被加工表面在切削后縮小,使摩察力大大增加,也可避免絲錐在反轉退出時被切屑卡塞。 

容屑槽槽形選用兩圓弧一直線構成的槽形,槽形的方向最好采用螺旋槽,但是其制造相當困難,刀具制造成本較高,因此我們選用在直線槽的切削錐部有刃傾角的形式,以提高其切削性能。 

3 絲錐材料的合理選擇 

傳統(tǒng)的絲錐材料均為普通高速鋼。有資料顯示,加工不銹鋼可以在高速鋼表面進行TiN涂層,以減小切削扭矩,延長絲錐壽命,提高螺紋質量。實驗證明,TiN 涂層可使絲錐表面與不銹鋼材料之間的摩擦力下降,使切削扭矩下降1/3~1/2,TiN涂層還能有效抑制絲錐與不銹鋼的親和作用,明顯阻止不銹鋼和絲錐之間的粘結,從而使螺紋表面質量提高。 

我們選用的材料為表面注入Co離子,因為它不僅有TiN涂層的上述特點,還有一些更優(yōu)異的特征。由于表面注入Co元素的高速鋼表面晶格發(fā)生嚴重的畸變和強化,表面組織和Co離子發(fā)生化合反應,形成金屬化合物和彌散金屬硬質相,使表面硬度可達1,600~2,000HV,而且該硬質層是混合體,沒有TiN涂層的明顯界面,所以硬質層與高速鋼有極強的結合強度,從而提高了絲錐表面的耐磨性,抗沖擊性和耐腐蝕性。我們對絲錐進行Co離子注入并與未經(jīng)注入處理的絲錐作了切削性能對比試驗,注入Co離子絲錐的材料為W6Mo5Cr4V2,尺寸為M10×1(帶刃傾角),試件為1Cr18Ni9Ti不銹鋼,硬度HB190 ,抗拉強度642MPa,選用切削速度3.6m/min,澆注乳化切削液,流量5L/min。當總攻絲長度為4m 時,注入Co離子的絲錐切削齒后刀面上的磨經(jīng)損量為0.15mm,未注入Co離子的磨損量為0.4mm。(圖3)

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圖3 注入偽離子與未注入Co離子的絲錐切削齒磨損過程

實驗證明注入Co離子后絲錐的切削壽命可延顯長1.5~2倍,而且刀齒后刀面沿刀刃的磨損是均勻的,而一般情況下絲錐刀齒后刀面位于刀刃轉角處往往會產(chǎn)生嚴重磨損甚至崩刃,這充分說明注入Co離子以后絲錐的耐磨性和抗沖擊性得到了顯著的提高。 

4 雙頭絲錐的專用夾具 

由于雙頭絲錐是一種新型結構,一般的夾具無法裝夾,所以我們設計了雙頭絲錐的專用夾具,圖2為夾具外形,圖4為雙頭絲錐裝夾在專用夾頭中的結構示意圖。雙頭絲錐由鋼球在斜面的作用下壓緊在雙頭絲錐中間的圓弧槽內,只要推動松緊壓套即能方便的把絲錐拆裝及掉頭。絲錐由中心孔與夾具中的定位銷起到定心作用,絲錐夾具在整個殼體內可略有浮動,以便對準工件孔。且在軸向也有少許允動,以便于絲錐進退時,允許在螺距上稍有些偏差。

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圖4 專用夾具結構示意圖

5 結論 

1) 結構新穎的雙頭絲錐,改變了傳統(tǒng)的絲錐柄部制造工藝,節(jié)省了刀具材料,降低了刀具制造成本,若兩頭被分別做成頭錐和二錐,可快速掉頭使用。 
2) 設計的專用夾具可使絲錐定位準確,傳遞扭矩較大,裝拆快速,節(jié)省輔助時間,提高生產(chǎn)效率。 
3) 合理選擇絲錐的結構參數(shù),可提高加工質量,改善絲錐的切削性能。 
4) 采用表面注入Co離子的高速鋼絲錐,能提高絲錐耐用度1.5~2.0倍,且刀齒的磨損比較均勻。

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