楊林建 徐化文 殷佳琳 周樂安

(①四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000;②東方汽輪機(jī)集團(tuán)公司，四川 德陽 618000)

螺紋刀具主要用于加工各種內(nèi)外螺紋的專用工具，在機(jī)械加工領(lǐng)域使用廣泛，需求量較大。螺紋刀具在國(guó)際刀具市場(chǎng)中占有重要地位，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的螺紋刀具年銷售量約占刀具總銷售額的25%左右，僅次于麻花鉆(約30%)。近年來，隨著切削加工條件的不斷變化以及對(duì)高生產(chǎn)率的重視，對(duì)螺紋刀具的材料、表面狀態(tài)和熱處理、結(jié)構(gòu)參數(shù)等提出了更高要求。

1 國(guó)外進(jìn)口絲錐分析

1.1 國(guó)外絲錐材料分析

經(jīng)調(diào)查和分析，國(guó)內(nèi)外螺旋槽絲錐常用品牌有NORIS、DC、Titex、藍(lán)幟等，其材料成分見表1。

通過材料成分分析和研究，可發(fā)現(xiàn)進(jìn)口螺旋槽絲錐有的采用對(duì)焊結(jié)構(gòu)，有的采用硬質(zhì)合金制造，也有采用整體高速鋼來制造的。刃部材料與高速鋼材料對(duì)比，為M35(見表2)，相當(dāng)于我國(guó)W6Mo5Cr4V2Co5(又稱M2Co5)。

表1 國(guó)外絲錐材料化學(xué)成分(%)

表2 M35 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)主要化學(xué)成分(%)

1.2 熱處理狀態(tài)分析

分析內(nèi)容包括刃部硬度、柄部硬度與金相組織。經(jīng)檢測(cè)，進(jìn)口絲錐刃部硬度值與刀柄硬度值測(cè)試點(diǎn)見圖1，金相檢驗(yàn)結(jié)果見表3 及圖2、3。

圖1 進(jìn)口絲錐刃部硬度與柄部硬度測(cè)試點(diǎn)

表3 進(jìn)口絲錐金相檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 刃部OM 照片

圖3 柄部OM 照片

通過對(duì)進(jìn)口絲錐材料分析，可得出設(shè)計(jì)時(shí)材料選用M35 高速鋼，可采用整體高速鋼也可采用對(duì)焊結(jié)構(gòu);刃部硬度控制為64～65 HRC，晶粒度不低于10.5，回火1 級(jí)，過熱程度1 級(jí)。如采用整體結(jié)構(gòu)型式，柄度與刃部采用同樣參數(shù)設(shè)計(jì);如采用對(duì)焊結(jié)構(gòu)型式，柄部硬度低于30 HRC。

1.3 表面處理分析

進(jìn)口絲錐表面通常為藍(lán)黑色，對(duì)其進(jìn)行分析的具體情況如圖4～5 所示。

圖4 刃部表面SEM 照片

2 M24 螺旋槽絲錐設(shè)計(jì)

2.1 切削角度正交實(shí)驗(yàn)

切削扭矩正交實(shí)驗(yàn)，首先要確定加工因素與水平，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算極限差，主次順序及優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，采用正交實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 正交實(shí)驗(yàn)表L9(33)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 刃部表面EDS 能譜成分

通過正交試驗(yàn)，可確定M24 螺旋槽絲錐切削角度最優(yōu)組合為:前角19°，切削錐后角3°，中徑鏟背量0.04 mm。

2.2 熱處理工藝設(shè)計(jì)

M35 高速鋼，其含碳量都在0.88%～0.96%，現(xiàn)有的科技文獻(xiàn)大都按GB 9943—88(含碳量0.80%～0.90%)編制熱處理工藝，根據(jù)實(shí)際使用材質(zhì)存在的差異，其熱處理工藝需根據(jù)具體的要求作相應(yīng)調(diào)整。絲錐適合1 190 ℃以下低溫淬火。

2.3 金相組織分析和檢測(cè)結(jié)果

絲錐要有高的使用壽命，同時(shí)應(yīng)保證有足夠的硬度及韌性，在實(shí)驗(yàn)熱處理參數(shù)時(shí)必須從以上考慮。在實(shí)驗(yàn)時(shí)采用3 種不同的淬火溫度，分析3 種溫度下的金相與硬度，選擇最優(yōu)的熱處理工藝參數(shù)。表5 為試樣金相組織檢測(cè)結(jié)果，圖6～9 為試樣組織照片。

表5 試樣金組織檢測(cè)結(jié)果

圖6 11#試樣組織照片

圖7 2#試樣組織照片

圖8 3#試樣組織照片

圖9 33#試樣組織照片

2.4 切削實(shí)驗(yàn)及分析

經(jīng)過分析和論證，確定該螺旋槽絲錐加工工藝流程為:下料—粗車—銑四方—銑溝槽—熱處理—磨柄部—刻字—數(shù)刀精磨溝槽—數(shù)刀加工大徑鏟背—螺紋磨加工中徑—鏟床加工切削錐—鈍化拋光—表面處理—包裝。銑削溝槽為數(shù)刀精加工溝槽法向放量0.5 mm，溝槽銑刀軸向截形通過NUMROTO 軟件模擬獲得。銑刀計(jì)算模擬如圖10，溝槽砂輪計(jì)算前后所加工溝槽截形對(duì)比如圖11。

圖10 溝槽銑刀加工模擬

圖11 溝槽砂輪計(jì)算前后所加工溝槽截形對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證明研制的M24 螺旋槽絲錐切削扭矩已達(dá)到進(jìn)口絲錐的水平。被加工材料16Mn，轉(zhuǎn)速60 r/min。實(shí)際切削扭矩波動(dòng)如圖12～13 所示。

圖12 自制絲錐切削扭矩圖

3 結(jié)語

分析目前機(jī)械行業(yè)進(jìn)口絲錐的情況，并通過一系列的分析與實(shí)驗(yàn)，找到了螺旋槽絲錐的設(shè)計(jì)方法，通過正交實(shí)驗(yàn)找到了絲錐切削參數(shù)的最優(yōu)組合。通過試制生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)了螺旋槽絲錐的生產(chǎn)難點(diǎn)并找到了解決的方法。

圖13 NORIS 絲錐切削扭矩圖

文中闡述的方法均為刀具加工中的普通機(jī)床，不是螺旋槽絲錐生產(chǎn)的專用機(jī)床，如要大批量生產(chǎn)還需購買專用生產(chǎn)機(jī)床，可大幅度地提高絲錐的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。進(jìn)口絲錐的價(jià)格一般都比較昂貴，使得螺孔加工時(shí)的刀具費(fèi)用居高不下，而國(guó)內(nèi)刀具生產(chǎn)商在螺旋槽絲錐的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)能力上還達(dá)不到國(guó)外企業(yè)的水平，有必要更深入地研究螺旋槽絲錐的設(shè)計(jì)與制造，為其國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，達(dá)到甚至超過國(guó)外水平而努力。

通過切削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，研制的絲錐切削扭矩能達(dá)到進(jìn)口絲錐的水平;排屑順暢，切屑情況與進(jìn)口絲錐相當(dāng);在耐用度上已能達(dá)到進(jìn)口絲錐的85%以上，可大大降低國(guó)內(nèi)機(jī)械制造行業(yè)螺紋加工的成本。

［1］陸劍中.金屬切削原理與刀具［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1990:46 -65.

［2］劉兆華，吳伏家.復(fù)雜刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立及算法改進(jìn)［J］.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23(6):402 -404.

［3］王虎勤，張懷緒.基于Solid Works 的刀具螺旋槽的模擬加工分析［J］.金屬加工，2010(18):84 -85.

［4］張 捷，孫成建.螺紋磨加工螺旋槽絲錐的掛輪計(jì)算程序［J］.裝備制造技術(shù)，2011(7):81 -82.

［5］韓榮第，宋孝宗.螺旋槽絲錐的有限元分析及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.工具技術(shù)，2007，41(8):41 -43.

［6］斌慧，張群.基于Solid Works 的M24 絲錐實(shí)體造型［J］.工具技術(shù)，2009，43(2):83 -84.

［7］Zhang Xiaohui，Liu Gang，Chen Minget，et al.Cutting forces in high speed tapping cast iron by tungsten carbide taps［J］.Transactions of Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics，2007，24(2):94.