浅议丝锥的优化设计

2011-01-07李晓峰张咏梅

装备制造技术 2011年5期

李晓峰，霍琰，李研，张咏梅

（沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳100034）

丝锥是加工各种中、小尺寸内螺纹的刀具，其结构简单，使用方便，既可手工操作，也可以在机床上操作，对于小尺寸的内螺纹来说，丝维几乎是唯一的加工刀具，在生产中应用广泛。

攻丝是属于比较困难的加工工序，因为丝锥几乎是被埋在工件中进行切削，其每齿的加工负荷，比其他刀具都要大，并且丝锥沿着螺纹与工件的接触面大，切削螺纹时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。所以在设计丝锥前，应当按照工件材料的性能、强度、螺纹孔的形式和深度、螺纹的种类尺寸，选择合适形式的丝锥。

1 丝锥的种类

经常使用的是：直槽丝锥，螺旋槽丝锥，螺尖丝锥，挤压丝锥，其性能各有所长。如图1所示。

图1 经常使用的丝锥种类

（1）直槽丝锥。通用性最强，通孔或不通孔、有色金属或黑色金属均可加工，价格也最便宜。但是针对性也较差，什么都可做，什么都不是做得最好。其结构最简单，刃倾角为零，各切削齿的切削层面积呈阶跃式增加，易产生振动，主要起切削作用的是顶刃和两个侧刃。由于小直径丝锥螺纹型面都不铲磨，切削后角为零，切削时产生的熨压力和摩擦力很大，因而攻丝扭矩大。切削锥部分可以有2、4、6牙，短锥用于不通孔，长锥用于通孔。只要底孔足够深，就应尽量选用切削锥长一些的，这样分担切削负荷的齿多一些，使用寿命也长一些。

（2）螺旋槽丝。锥容屑槽是螺旋状的，根据旋向的不同，分为左旋和右旋。左旋螺旋槽丝锥攻丝时，切屑向下排，适合于通孔；右旋螺旋槽丝锥攻丝时，切屑向上排出，适合于盲孔。螺旋槽丝锥的实际前角增大，切削顺利，降低切削扭矩，切入过程平稳，切屑为螺旋状，易于排出。由于螺旋槽升角较大，丝锥每个切削齿的上下两个侧刃，切削条件明显不同，一个是以正前角切削，一个是以负前角切削。因此，螺纹左右两侧面的表面品质有所不同，对于精密内螺纹攻丝，一般不采用螺旋槽丝锥。由于螺旋角的缘故，丝锥实际切削前角会随螺旋角增大而加大。经验告诉我们：加工黑色金属的，螺旋角选的小一点，一般在30°左右，保证螺旋齿的强度；加工有色金属的，螺旋角选的大一点，可在45°左右，切削锋利一些。

（3）螺尖丝锥。加工螺纹时切屑向前排出。其芯部尺寸设计比较大，强度较好，可承受较大的切削力。加工有色金属、不锈钢、黑色金属效果都很好，通孔螺纹应优先采用螺尖丝锥。

（4）挤压丝锥。比较适合加工有色金属，与上述切削丝锥工作原理不同，其为对金属进行挤压，使之塑形变形，形成内螺纹。挤压成形的内螺纹金属纤维是连续的，抗拉及抗剪强度较高，加工的表面粗糙度也较好，不过挤压丝锥底孔要求较高：底孔过大，基础金属量少，造成内螺纹小径过大，强度不够；底孔过小，封闭挤压的金属无处可去，造成丝锥折断。

还有一些特殊的丝锥，如跳牙丝锥，其间隔地去掉一个齿，与工件之间的压力及摩檫力较小，加工薄壁件内螺纹，不会造成薄壁件变形。

2 丝锥的切削形式

以普通直槽丝锥为例，丝锥的工作部分是由切削和校准部分组成。切削部分齿形是不完整的，后一刀齿比前一刀齿高，当丝锥作螺旋运动时，每一个刀齿都切下一层金属，丝锥主要的切屑工作，是由切削部分担负。校准部分的齿形是完整的，主要用来校准及修光螺纹廓形，并起导向作用。

2.1 普通直槽丝锥的切削形式

普通直槽丝锥的切削齿有两个主切削刃和一个副切削刃（如图2所示），是以第二主切削刃来完成主要切削工作的。

图2 普通直槽丝锥的切削齿

图3为切削图形。

图3 普通直槽丝锥的切削图形

这种丝锥的优点是制造容易，切削部分的外径、中径、内径分别各在一个圆柱面上，切削锥部仅沿齿顶铲磨成一圆锥形，成为不完全牙形。缺点是切削部分的前端是梯形齿，相当平的第一齿在切入时轴向力大，引导不良，在开始切入时往往是刮削，造成内孔扩大。此外第一主切削刃无后角，摩擦大，螺纹光洁度低，刀齿磨损快，丝锥寿命低。

2.2 成组丝锥的切削形式

对于大螺距螺纹孔的加工，为减轻丝锥的切屑负荷，根据被加工螺纹直径和螺距的大小，以及被加工材料的性能，成组丝锥可设计成2支一组、3支一组或4支一组。通常采用的设计方法有两种：等径设计和不等径设计。

（1）等径设计方法。是指在一组丝锥中，每支丝锥的大径、中径和小径的名义尺寸均相同，区别仅在于切削锥长度不一样。第一锥的切削锥长度最长，第二锥次之，第三锥最短。切削锥越长，参加切削的刀齿就越多，每个刀齿分担的切削负荷相应减小，使用寿命随之延长；反之，则每个刀齿分担的切削负荷越大，使用寿命也就越短。由于采用等径设计，丝锥的刀齿主要是以顶刃参加切削，两个侧刃对螺纹的廓形基本上无修正作用，因此，被加工螺纹的表面粗糙度较差，图4为其切削图形。

图4 等径设计丝锥的切削图形

（2）不等径设计方法。为了提高螺纹的精度和改善表面粗糙度，可采用不等径设计方法。不等径设计，是指在一组丝锥中，每支丝锥的大径、中径和小径的名义尺寸各不相同。这种丝锥在切削时，顶刃和侧刃同时参加切削，增加了切削的有效长度，切削面薄而窄，散热条件好，每个刀齿对螺纹的齿廓均有修正作用。由于切削负荷分配合理，使丝锥的使用寿命得以延长，被加工螺纹的表面粗糙度得到改善。目前，在小直径及大直径螺纹加工中，成组不等径丝锥得到了广泛应用。图5为其切削图形。

图5 不等径设计丝锥的切削图形

3 丝锥的各主要参数

图6为丝锥主要参数的示意图。

图6 丝锥主要参数示意图

丝锥的各主要参数，一般都有相应的标准选取作参考，根据不同的设计要求，按推荐表或计算公式就可以得出。例如：

（1）丝锥的总长L和柄部直径d5的基本尺寸参照GB967选取，偏差按GB1801选取。

（2）螺纹长度的确定基本取15～19个螺距。

（3）丝锥前端直径d3的确定。为了使丝锥开始切制螺纹孔时，就切制螺纹并有较好的支承和引导的作用，丝锥前端直径d3小于过盈螺纹底孔直径d钻。d3=（0.1～0.2）d钻。

（4）切削长度l5的确定：粗锥基本取5个螺距，Ⅰ、Ⅱ锥取1.5个螺距。

（5）丝锥刃瓣数的确定与丝锥公称直径有关，公称直径d≤12 mm取3个，d＞12 mm取4个。

（6）丝锥芯径d4的确定与丝锥公称直径有关，公称直径d≤10 mm时，d4取0.40d，d＞10 mm时d4取 0.45d。

（7）丝锥槽形尺寸，刃瓣宽度m，槽底R、r、l7。

一般来说，丝锥的前角和后角的选择，对丝锥的切削功能有较大的影响。对于高强度的工件材料，丝锥的前角通常较小，以增加切削刃强度。前角较大的丝锥，则用在切削扭矩较大的场合。但前角过大，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，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。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，以减小磨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。所以一般根据被加工材料的特性确定了前角 γ=8°～10°，后角 β=6°～8°。

4 丝锥的应用尺寸

丝锥是用来加工内螺纹的，所以其精度和公差与螺纹有着密切的联系，在进行丝锥设计时，非常重要的就是丝锥外径、中径和内径的计算。

国家标准规定了丝锥的4种精度等级，其各级丝锥具有不同的公差带位置（见图7所示）。H1、H2、H3级适用于磨牙，H4级适用于滚牙，设计者按螺纹孔的精度和加工条件，选用适当的丝锥。

通常设计时，丝锥大径的下偏差应比螺孔大径至少加大一定磨损储备量，丝锥中径公差带设计主要考虑丝锥中径上下偏差大小位置，应保证切制出螺纹孔后，能使通端螺纹塞规顺利地旋合，而止端螺纹塞规不通过。同时要给予丝锥中径以适当的制造公差原则，来确定丝锥中径公差带的位置。丝锥最大小径，均小于被加工螺母的最小小径，丝锥牙底的圆弧不应超过螺母的最小小径，以保证丝锥小径不参加切削，或起修光毛刺的作用。

图7 各精度等级丝锥的公差带位置

5 丝锥的材料选取

通常根据工件的材料，来选取丝锥的材料，加工普通钢件一般采用 W6Mo5Cr4V2，W18Cr4V，W2Mo9Cr4VCo8，W12Mo3Cr4V3Co5Si,W6Mo5Cr4V2Al等高速钢。

现在随着科技的发展，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，其使用效果很好比高速钢丝锥寿命更长。同时多元多层超硬涂层丝锥，也有良好的前景，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。