帶內(nèi)冷孔直槽絲錐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉海濤，孟漪，楊仕成

上海工具廠有限公司 上海 200093

1 序言

本文以某公司生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)缸體W P7材料灰鑄鐵H T280為加工對象，研究如何提高缸體上的螺紋孔用直槽絲錐的使用壽命。該灰鑄鐵H T280材料硬度為260～280HBW，屬于高硬度、高性能灰鑄鐵。使用絲錐規(guī)格為M15×1.5-130 H2底錐，螺紋底孔深72mm，屬于深盲孔加工。通過現(xiàn)場了解，客戶使用普通直槽絲錐加工，絲錐材料牌號為W6Mo5Cr4V2。在攻螺紋過程中絲錐遇到的主要問題有：①絲錐容易磨損、易爛牙、使用壽命短。②深盲孔加工效率低，容易被切屑堵塞。③螺紋孔表面粗糙度值高。

為滿足客戶實(shí)際需求，本文針對上述問題，對絲錐進(jìn)行以下幾方面的設(shè)計(jì)：①針對客戶機(jī)床帶內(nèi)冷功能，設(shè)計(jì)成帶內(nèi)冷孔的直槽絲錐，保證在攻螺紋過程中絲錐充分潤滑、冷卻，減小摩擦，降低螺紋孔粗糙度值。②絲錐材料由普通高速鋼M2材料（材料牌號為W6Mo5Cr4V2）換成含鈷高性能高速鋼M35材料（材料牌號為W6Mo5Cr4V2Co5），并增加涂層工藝，提高絲錐刃口耐磨性和使用壽命；③增大絲錐容屑槽空間，設(shè)計(jì)更合理的槽形參數(shù)。本文以含鈷涂層內(nèi)冷直槽絲錐M15×1.5-130H2底錐為研究對象，通過客戶現(xiàn)場加工對絲錐進(jìn)行壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證絲錐在上述攻螺紋過程中是否能夠解決遇到的問題。

2 直槽絲錐關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 絲錐外形尺寸

柴油發(fā)動機(jī)缸體螺紋孔為深盲孔加工。針對機(jī)床帶內(nèi)冷卻功能，在絲錐內(nèi)部設(shè)計(jì)內(nèi)冷孔。結(jié)合現(xiàn)場使用攻螺紋夾頭尺寸，設(shè)計(jì)絲錐柄部尺寸d0=11.2m m，頭頸尺寸d4=10.7m m，總長L=130mm。內(nèi)冷直槽絲錐示意如圖1所示。

圖1 絲錐外形示意

2.2 絲錐內(nèi)冷孔設(shè)計(jì)

針對客戶現(xiàn)場數(shù)控加工中心帶內(nèi)冷功能，將絲錐內(nèi)部設(shè)計(jì)成帶內(nèi)冷孔的形式，其主要作用：①改變冷卻方式，由外部冷卻轉(zhuǎn)為內(nèi)部冷卻，讓切削液從絲錐內(nèi)部噴出，使絲錐刃部冷卻更充分。②將內(nèi)冷孔設(shè)計(jì)成刃部內(nèi)冷孔直徑小、柄部內(nèi)冷孔直徑大的形式，可以增加乳化液噴出壓力，防止在加工螺紋孔時，切屑在螺紋孔內(nèi)部堆積堵塞，造成絲錐斷裂等。本文中直槽絲錐內(nèi)冷孔在進(jìn)口走芯數(shù)控機(jī)床上加工，與車削絲錐外圓為同一道工序，保證了內(nèi)冷孔與絲錐中心的同軸度，防止由于內(nèi)冷孔位置偏離中心，導(dǎo)致絲錐在攻螺紋過程中因剛性不足造成斷裂等情況的發(fā)生。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的絲錐規(guī)格和本廠實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)冷孔尺寸d1=3mm，L3=60mm；d2=4mm。將鉆好內(nèi)冷孔的絲錐進(jìn)行線切割，可見內(nèi)冷孔局部剖面圖，如圖2所示。

圖2 絲錐內(nèi)冷孔局部剖面

2.3 絲錐槽形設(shè)計(jì)

本次直槽絲錐槽形使用勇克機(jī)床上自帶的Juwop/W槽形軟件，直接對絲錐槽形進(jìn)行模擬。該方法是在軟件上輸入槽形幾何參數(shù)和外形尺寸，選擇槽形輪廓形狀，通過不斷調(diào)試圓弧半徑數(shù)值，得到想要的槽形輪廓[1]。本次設(shè)計(jì)選取了一直線兩圓弧的槽形進(jìn)行模擬。一直線兩圓弧槽形的特點(diǎn)是能夠保證軟件上前角的輸入值與實(shí)際值一致，誤差保證在±1°，容易控制前角大小。針對螺紋孔為深盲孔和灰鑄鐵TH280材料高硬度的特點(diǎn)，在保證直槽絲錐刃部強(qiáng)度的情況下，槽形設(shè)計(jì)要保證較大的容屑空間，防止攻螺紋過程出現(xiàn)堵屑現(xiàn)象，造成絲錐斷裂。因此，在槽形模擬時通過調(diào)整圓弧半徑R1和R2的數(shù)值，得到理想的容屑槽形。保證前角直線段與槽底圓弧R1和R2光滑相切，這樣加工出來的槽形就會很光滑。同時，為了提高絲錐的使用壽命和螺紋刃部強(qiáng)度，減少絲錐攻螺紋時帶來的快速磨損，應(yīng)適當(dāng)增大絲錐芯厚，以增大絲錐刃部強(qiáng)度[2,3]。模擬時輸入絲錐芯厚D=7.2mm，刃寬F=4.4mm，模擬好的槽形輪廓，如圖3所示。

圖3 絲錐槽形輪廓

2.4 絲錐前角設(shè)計(jì)

絲錐前角大小直接影響著絲錐的使用壽命。一般來說，加工軟材料時，前角應(yīng)選得大一些；加工硬材料時，為防止切削刃損傷過快，前角應(yīng)選得小一些[2]。本文中客戶現(xiàn)場柴油機(jī)缸體為灰鑄鐵HT280，硬度為260～280HBW，屬于硬材料。本次根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，前角選取4°～6°進(jìn)行設(shè)計(jì)。在Juwop/W軟件上模擬時，前角輸入值取中間值γ=5°，如圖4所示。

圖4 絲錐前角模擬測量

含鈷涂層內(nèi)冷直槽絲錐M15×1.5-130關(guān)鍵參數(shù)見表1，其公差范圍參考國家標(biāo)準(zhǔn)和工廠標(biāo)準(zhǔn)。

表1 內(nèi)冷直槽絲錐M15×1.5-130關(guān)鍵參數(shù)

2.5 絲錐工藝優(yōu)化

針對柴油發(fā)動機(jī)缸體材料灰鑄鐵H T280的特性，及客戶對刀具使用要求的提高，本文設(shè)計(jì)的內(nèi)冷孔直槽絲錐選取含鈷高速鋼材料M35（材料牌號為W6Mo5Cr4V2Co5），替代普通高速鋼M2（材料牌號為W6Mo5Cr4V2），以便增加絲錐刃口耐磨性，降低刃口爛牙現(xiàn)象發(fā)生。

本文中內(nèi)冷直槽絲錐主要工藝流程為：車毛坯及鉆內(nèi)冷孔—熱處理—磨方—磨柄部和刃部外圓—磨槽—磨螺紋—拋光處理—涂層—拋光處理—打標(biāo)、包裝。

關(guān)鍵工藝優(yōu)化為：在涂層前對絲錐拋光處理，目的是去除刃部螺紋毛刺，讓絲錐螺紋表面更加致密，提高涂層在刀具上的附著力，從而更好地發(fā)揮涂層的作用。涂層后再次對絲錐進(jìn)行拋光處理，目的是降低涂層后絲錐刃部表面粗糙度值，減小攻螺紋阻力，便于切削[4]。

本文中直槽絲錐表面涂層選用TiAlN，其優(yōu)點(diǎn)在于耐熱溫度可達(dá)800℃，適用于高速加工，便于提高生產(chǎn)效率。同時強(qiáng)化了絲錐刃部耐磨性，防止刃口易磨損和爛牙情況發(fā)生，延長了絲錐的使用壽命。

3 實(shí)際應(yīng)用與分析

3.1 試驗(yàn)條件

以某客戶生產(chǎn)的柴油發(fā)動機(jī)WP7缸體為加工對象，選用含鈷涂層內(nèi)冷直槽絲錐M15×1.5-130H2底錐，TiAlN涂層。在帶內(nèi)冷功能的數(shù)控加工中心上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5所示。缸體材料為灰鑄鐵HT280，硬度為260～280HBW，每件缸體螺紋孔26個，盲孔加工，底孔深72mm，攻螺紋深度65mm（含沉頭孔12mm），攻螺紋轉(zhuǎn)速為600r/min。絲錐使用壽命通過塞規(guī)檢測作為判斷依據(jù)，塞規(guī)精度為6H。

圖5 加工現(xiàn)場

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過現(xiàn)場切削試驗(yàn)，在上述加工參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)。加工過程中選用乳化液潤滑冷卻。加工出的螺紋孔表面粗糙度得到明顯改善。第1個螺紋孔如圖6所示。選取20支絲錐進(jìn)行使用壽命試驗(yàn)，其平均使用壽命為58～62件缸體（即1508～1612個螺紋孔），絲錐最終失效形式均為刃口正常磨損、通規(guī)檢測未通過。絲錐并未出現(xiàn)刃口磨損或爛牙等情況。這達(dá)到了客戶對刀具的預(yù)期使用壽命要求，提高了生產(chǎn)效率。

圖6 加工第1個螺紋孔

4 結(jié)束語

經(jīng)客戶現(xiàn)場試驗(yàn)，證明本文設(shè)計(jì)的帶內(nèi)冷孔直槽絲錐及關(guān)鍵參數(shù)，有效改善該客戶在加工灰鑄鐵HT280材料柴油發(fā)動機(jī)缸體螺紋孔時絲錐出現(xiàn)易磨損、易爛牙和使用壽命短等問題，并解決了螺紋孔表面粗糙度值高的問題。該設(shè)計(jì)方法對內(nèi)冷孔直槽絲錐加工灰鑄鐵材料具有一定的指導(dǎo)作用。