挤压丝锥在深孔螺纹加工中的应用

2021-03-01

金属加工(冷加工) 2021年2期

关键词：丝锥底孔螺距

襄阳福达东康曲轴有限公司湖北襄阳 441000

1 序言

在深孔螺纹加工过程中，切削丝锥（见图1）如果遇到冷却不好或排屑不畅，会造成早期磨损、崩刃、断裂等问题。挤压丝锥（见图2）作为近些年发展起来的一种丝锥类型，相对切削丝锥，其寿命、效率、成本及加工质量等方面都有优势。

图1 切削丝锥

图2 挤压丝锥

2 优势

2.1 寿命优势

公司某产品上有6个深度70mm的盲孔，需要加工内螺纹。以往一直使用加长的切削丝锥，加工过程中丝锥寿命短、更换频繁，丝锥异常失效的情况也时有发生。通过各种改进方法，切削丝锥的寿命得到了提升，但还是不能达到预期的目标。为此，尝试用挤压丝锥替代切削丝锥。

挤压丝锥选用国内外知名品牌，分批进行了试验。通过试验发现，挤压丝锥在寿命上明显优于切削丝锥，提升的效果呈几何倍数，有几款挤压丝锥的寿命相对切削丝锥提升了40倍以上。

挤压丝锥在前端参与挤压的刃部磨损后，相邻的校正齿参与挤压。这时，挤压丝锥参与挤压的刃增加1个，加工的螺纹依旧是完整的螺纹，只是有效螺纹深度略有减少，其失效形式以螺纹变小为主。挤压丝锥刃部出现小的缺损，不影响后续的使用，如图3所示，可以继续使用至出现螺纹变小。挤压丝锥螺纹变小之前，往往伴随着机床的转矩剧烈变大，加工出现异响等现象，可以及时发现。

图3 挤压丝锥刃部缺损

2.2 效率优势

挤压丝锥在使用过程中，由于寿命提升，换刀频次急剧下降。以往切削丝锥需要每天更换数次，而挤压丝锥数天才更换1次，效率明显提升。另一方面，挤压丝锥的加工转速相对切削丝锥的转速高，生产效率明显提高。经过实践，钻孔、铰孔、倒角及攻螺纹一体的加工中心上，机加工时间缩短了14%，这意味着该工序的产能提升了14%。

2.3 成本优势

同规格的挤压丝锥的单价一般明显高于切削丝锥。由于部分挤压丝锥的寿命显著高于切削丝锥，核算单件成本后，挤压丝锥的单件成本相对切削丝锥下降≥50%。当然，应用场合不同，成本优势也不一样。

在易加工的工况上，切削丝锥可以将成本下降到很低的级数，挤压丝锥在这种情况下无法做到。但是，在难加工工况下，比如深孔螺纹、盲孔螺纹或者高黏性材料的加工，挤压丝锥的成本优势比较明显。

2.4 加工质量优势

挤压螺纹的强度高，据相关刀具厂家提供的数据，相对切削螺纹强度≥20%。强度提升是由于材料挤压后产生塑性变形而形成螺纹，螺纹的材质更加致密，螺纹表面在挤压过程中出现冷作硬化，表面强度提升。目前各大主机厂也渐渐认识到挤压螺纹的强度优势，在新产品要求上也推荐选择挤压螺纹。

挤压螺纹为无屑加工，杜绝了切削深孔、盲孔螺纹后，残留切屑，导致装配过程中螺栓与螺纹咬合，对螺纹造成破坏的问题。另外，加工过程中，挤压丝锥出现崩牙后，不会造成工件烂牙。

3 局限性

3.1 设备精度要求高，转矩要求大

挤压丝锥只能使用刚性夹持刀柄，如果设备精度差，丝锥与底孔不同心，会造成一侧螺纹牙顶高过大，一侧牙顶高不足，导致螺栓与牙顶高不足的一侧干涉，无法装配。

从目前观察设备转矩监控数据来看，M12×1.25mm挤压丝锥的转矩相对切削丝锥要＞50%，但要明显小于钻孔的转矩，一般设备即可满足该挤压丝锥的转矩要求。但是，对螺距较大的挤压丝锥，如M16×1.5mm的挤压丝锥，就出现过主轴电动机过载报警的问题。所以，在尝试挤压丝锥之前，首先要对设备的转矩是否符合要求进行验证。

3.2 无法返工

挤压丝锥未完全加工的螺纹，如深度不够，中途断丝锥，后续无法通过人工手动返工。通过设备返工，存在机床重复装夹定位，螺纹轨迹不重合造成丝锥挤压量过大，丝锥断裂、螺纹孔烂牙等一系列的问题。一旦出现螺纹深度不够，工件只能报废。所以，挤压丝锥加工完成的首件必须要仔细测量，防止出现批量报废。

3.3 不能加工脆性材料

挤压丝锥的原理是利用材料的塑性变形形成螺纹，脆性材料无法加工。

3.4 只适合加工螺距＜3mm的螺纹

材料的变形量有限，如果加工螺距＞3mm的螺纹，首先可能造成材料内部撕裂，其次挤压大螺距的螺纹，需要的转矩一般设备难以提供。

3.5 对底孔钻头的选择比较严格

目前很多刀具厂家推荐用挤压丝锥加工钢件时，底孔钻头直径见公式（1）：

式中，d0为螺纹公称直径（m m）；P为螺距（mm）。

根据试验验证，这个公式并不完全适用，公司在48MnV锻钢材料上，计算的底孔直径见公式（2），在挤压螺纹形成后，最接近切削丝锥加工后的几何尺寸。因此，底孔直径的选择要根据工件的材料来适当的进行调整。

式中，d0为螺纹公称直径（m m）；P为螺距（mm）。

在加工过程中，发现加工的底孔直径公差范围不能超过±0.05mm，否则会造成牙高不符合要求。底孔过大会导致牙顶高不够，底孔过小会导致牙顶高过高，牙顶的月牙形态形成反包趋势如图4所示，甚至完全封闭。相对而言，底孔过大的危害要较小，对加工质量的影响仅仅是牙顶高不够；底孔过小的危害较大，会造成丝锥与工件的摩擦力剧增，甚至干涉，最终造成丝锥断裂，且牙顶高过高，会造成工件在检测时，螺纹塞规无法通过。