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硬质合金丝锥的发展使用

深鑫精密机械2018-07-03


近年来,机床控制技术不断进步,已能实现主轴转动与进给的同步控制,从而可以无需再使用柔性攻丝头。此外,使用热装式和液压式刀具夹头可以提高刀具的夹持刚性,径向跳动误差也比使用柔性攻丝头时大幅降低。这些刀具夹头旋转时的同心度在3μm以内。尽管精密套筒式大夹持力高精度(TGHP)夹头的性能稍逊于热装式和液压式刀具夹头,但应用于攻丝加工时也十分有效。并非所有的数控机床都能实现“同步”攻丝(即“刚性”攻丝——当主轴旋转时按螺纹导程进给)。因此,为了允许有微量的轴向位移以补偿同步攻丝机床固有的微小误差,需要对热装式、液压式和套筒式TGHP刀具夹头进行改进。

    工业标准丝锥的柄部公差较为宽松(一般为+0.0000/-0.0381mm)。由于市售的丝锥可以在柔性攻丝头上使用,因此对于控制径跳的尺寸公差要求并不严格。例如,根据工业标准,1/2″高速钢丝锥的柄部与螺纹直径的径跳误差可以达到0.04mm,而且并不要求直接控制螺纹直径和斜面切削刃与丝锥柄部的同心度,这就允许了径跳误差和负荷不均匀现象的存在。实际上,这些尺寸都是相对于丝锥制造时的夹持中心进行测量的。

    为了发掘硬质合金刀具材料的全部效益,肯纳公司设计了一种能充分发挥高刚性机床和高精度刀具夹头优势的新型丝锥——KC7542牌号整体硬质合金丝锥,这种丝锥在高速同步攻丝时具有很高的切削刃强度和耐磨性。与高效硬质合金钻头和立铣刀一样,硬质合金丝锥也采用全圆柱柄,以确保同心度和有效的夹持(大多数丝锥采用带四方头的圆柱柄)。此外,该丝锥的柄部尺寸与其他刀具的柄部尺寸相同,例如,1/4-20硬质合金丝锥的柄部尺寸与通常用于钻削1/4-20螺纹底孔、直径为5.1054mm的硬质合金钻头柄部尺寸相同。

    与大部分车削、铣削和钻削刀具不同,丝锥的切削刃比较薄弱,其整体强度也较低。即使在加工相对较易切削的工件材料(如钢)时,硬质合金丝锥的切削刃也容易发生崩刃,导致刀具失效。在对低碳钢进行攻丝时,连续的长切屑可能会堵塞丝锥的容屑槽,从而限制了硬质合金丝锥应用于一些甚至比钢更容易攻丝的工件材料(如铝和铸铁)。钢和其他铁族材料是最常见的需要加工装配用螺孔的材料,因此,刀具制造商正在不遗余力地开发能防止切削刃崩刃和破损的丝锥。鉴于硬质合金与高速钢相比具有先天性能优势,因此硬质合金丝锥已成为开发重点。

    为了充分发挥热装式、液压式或精密套筒式TGHP刀具夹头的优势,这种硬质合金丝锥的柄部尺寸精度达到德国标准DIN7160的H6级。因此,1/2″丝锥的柄部尺寸公差为+0.0000/-0.0101mm,圆度公差保持在0.0030mm以内。丝锥柄之所以不需要带有方头,是因为这些刀具夹头在攻丝时,对于满足上述柄部尺寸公差的丝锥具有足够的夹紧力。此外,丝锥带螺纹部分的刀体和切削斜面与柄部的同心度在10μm以内,可以提高丝锥承受负荷的均匀性。将这种硬质合金丝锥与精密刀具夹头一起使用时,即可组成可减小丝锥径跳的高刚性工具系统,它能够满足成功应用硬质合金丝锥的两个条件:高刚性和丝锥负荷的均匀性。

    过去,当整体硬质合金钻头刚被引入孔加工时,为了减小切削刃负荷和防止崩刃,用户不得不降低每转进给量(与高速钢钻头相比)。不过,硬质合金钻头可以采用更快的切削速度。随着硬质合金钻削牌号和钻头设计的进步,切削刃崩刃的可能性大大降低,从而使整体硬质合金钻头的实际进给率不断提高。对于丝锥而言,仅由螺纹导程、螺纹头数和切削刃斜面来控制切屑载荷,攻丝的环境条件难以进一步降低作用于丝锥切削刃上的负荷。但是,为了避免崩刃,整体硬质合金钻头在设计上的改进(使其可获得更高进给率)也同样可以应用于整体硬质合金丝锥。这些改进包括新的刀具牌号KC7542,这种牌号将专门为丝锥开发的高强度硬质合金基体与为硬质合金钻头新开发的纳米TiAlN涂层完美地结合在一起。加工机床、控制系统、刀具夹头、硬质合金牌号和丝锥设计的改进大大拓展了可实现高效攻丝的工件材料范围,其中不仅包括短切屑材料(如铝和铸铁),也第一次包括了长切屑材料(如碳钢和合金钢)(参见下表)。此外,在能实现同步攻丝的CNC数控机床上用热装式、液压式或精密套筒式TGHP刀具夹头夹持攻丝时,新推出的硬质合金丝锥能以比高速钢丝锥快5倍的速度进行加工,从而可以大幅度提高攻丝生产率。

表:用硬质合金丝锥加工不同材料时推荐的切削速度范围工件材料类别—材料实例—材料硬度—切削速度*(sfm)

    低碳钢(C<0.25%)—1018—<220HB—300~400

    易切钢—12L14—<275HB—250~350

    普通中/高碳钢、工具钢—1040、4340、H-13、D-2—<32HRC—200~300

    铁素体钢、马氏体钢、PH不锈钢—430、410、17-4PH—<32HRC—150~210

    球墨铸铁、可锻铸铁—A-47、A-536—<300HB—250~400

    灰铸铁—20~50级—<300HB—250~400

(*表中所列切削速度适用于孔深小于3倍孔径的通孔攻丝)

    但是,在对盲孔进行攻丝时必须注意,并非所有的CNC数控机床都具有相同的同步攻丝能力。由于加工到盲孔的孔底时丝锥和主轴必须减速并退出,在丝锥反转时可能会出现导程误差,从而引起作用于丝锥的侧向推力,并造成螺纹检测时尺寸超差。此外,由于丝锥减速、反转和重新加速时仍与工件接合在一起,因此,盲孔攻丝的速度应比推荐的通孔攻丝速度降低40%左右。

    切削热是刀具的大敌。但不幸的是,在刀具/工件界面处,刀具往往需要承受足以缩短刀具寿命和限制刀具性能的切削高温。为了解决这一问题,人们开发了各种各样的刀具材料,其中最常用的是高速钢和硬质合金。高速钢刀具具有十分出色的强度和韧性,而硬质合金刀具则以较高的硬度和红硬性(在切削高温下保持硬度的能力)而更胜一筹。一般来说,整体硬质合金刀具的切削速度至少可达到高速钢刀具的4倍以上,并且刀具寿命更长。但是,与高速钢刀具相比,硬质合金刀具的断裂韧性较差,限制了其在某些加工领域(尤其是攻丝加工)中的应用。

    内螺纹的尺寸精度决定了螺纹装配的精度和适配性。加工内螺纹时,丝锥通常由钻床或装有柔性攻丝头的非同步机床驱动,柔性攻丝头可以带动丝锥旋转,并以接近于所要求的内螺纹导程的速率进给。这些老式机床在攻丝时难以地协调进给与旋转运动,而这种协同性是螺纹加工的必要条件。因此,必须使用柔性攻丝头以控制误差范围。攻丝时,柔性攻丝头会使丝锥产生径向跳动,限制了螺纹精度的提高。这些因素导致加工刚性较低和丝锥载荷不均匀。硬质合金丝锥的成功应用取决于刀具的夹持刚度和进给的控制精度。对于大多数加工方式来说,这些加工条件是理所当然的。但是对于攻丝来说,这些条件才刚刚变为现实。