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  [組圖]用整體硬質合金絲錐高速同步攻絲          【字體:
用整體硬質合金絲錐高速同步攻絲
作者:liven    專題來源:切削技術網    點擊數:2558    更新時間:2011-3-14    
一般來說,整體硬質合金刀具的切削速度至少可達到高速鋼刀具的4倍以上,并且刀具壽命更長。硬質合金絲錐的成功應用取決于刀具的夾持剛度和進給的控制精度。對于大多數加工方式來說,這些加工條件是理所當然的。但是對于攻絲來說,這些條件才剛剛變為現實。
切削熱是刀具的大敵。但不幸的是,在刀具/工件界面處,刀具往往需要承受足以縮短刀具壽命和限制刀具性能的切削高溫。為了解決這一問題,人們開發了各種各樣的刀具材料,其中最常用的是高速鋼和硬質合金。高速鋼刀具具有十分出色的強度和韌性,而硬質合金刀具則以較高的硬度和紅硬性(在切削高溫下保持硬度的能力)而更勝一籌。一般來說,整體硬質合金刀具的切削速度至少可達到高速鋼刀具的4倍以上,并且刀具壽命更長。但是,與高速鋼刀具相比,硬質合金刀具的斷裂韌性較差,限制了其在某些加工領域(尤其是攻絲加工)中的應用。
與大部分車削、銑削和鉆削刀具不同,絲錐的切削刃比較薄弱,其整體強度也較低。即使在加工相對較易切削的工件材料(如鋼)時,硬質合金絲錐的切削刃也容易發生崩刃,導致刀具失效。在對低碳鋼進行攻絲時,連續的長切屑可能會堵塞絲錐的容屑槽,從而限制了硬質合金絲錐應用于一些甚至比鋼更容易攻絲的工件材料(如鋁和鑄鐵)。鋼和其他鐵族材料是最常見的需要加工裝配用螺孔的材料,因此,刀具制造商正在不遺余力地開發能防止切削刃崩刃和破損的絲錐。鑒于硬質合金與高速鋼相比具有先天性能優勢,因此硬質合金絲錐已成為開發重點。
內螺紋的尺寸精度決定了螺紋裝配的精度和適配性。加工內螺紋時,絲錐通常由鉆床或裝有柔性攻絲頭的非同步機床驅動,柔性攻絲頭可以帶動絲錐旋轉,并以接近于所要求的內螺紋導程的速率進給。這些老式機床在攻絲時難以精確地協調進給與旋轉運動,而這種協同性是螺紋加工的必要條件。因此,必須使用柔性攻絲頭以控制誤差范圍。攻絲時,柔性攻絲頭會使絲錐產生徑向跳動,限制了螺紋精度的提高。這些因素導致加工剛性較低和絲錐載荷不均勻。
硬質合金絲錐的成功應用取決于刀具的夾持剛度和進給的控制精度。對于大多數加工方式來說,這些加工條件是理所當然的。但是對于攻絲來說,這些條件才剛剛變為現實。
近年來,機床控制技術不斷進步,已能實現主軸轉動與進給的同步控制,從而可以無需再使用柔性攻絲頭。此外,使用熱裝式和液壓式刀具夾頭可以提高刀具的夾持剛性,徑向跳動誤差也比使用柔性攻絲頭時大幅降低。這些刀具夾頭旋轉時的同心度在3µm以內。盡管精密套筒式大夾持力高精度(TGHP)夾頭的性能稍遜于熱裝式和液壓式刀具夾頭,但應用于攻絲加工時也十分有效。
并非所有的數控機床都能實現“同步”攻絲(即“剛性”攻絲——當主軸旋轉時按螺紋導程精確進給)。因此,為了允許有微量的軸向位移以補償同步攻絲機床固有的微小誤差,需要對熱裝式、液壓式和套筒式TGHP刀具夾頭進行改進。
工業標準絲錐的柄部公差較為寬松(一般為+0.0000/-0.0381mm)。由于市售的絲錐可以在柔性攻絲頭上使用,因此對于控制徑跳的尺寸公差要求并不嚴格。例如,根據工業標準,1/2″高速鋼絲錐的柄部與螺紋直徑的徑跳誤差可以達到0.04mm,而且并不要求直接控制螺紋直徑和斜面切削刃與絲錐柄部的同心度,這就允許了徑跳誤差和負荷不均勻現象的存在。實際上,這些尺寸都是相對于絲錐制造時的夾持中心進行測量的。

圖1 肯納公司的KC7542牌號整體硬質合金絲錐在高速同步攻絲時具有很高的切削刃強度和耐磨性(鼠標懸浮窗口放大,單擊查看放大全圖)
為了發掘硬質合金刀具材料的全部效益,肯納公司設計了一種能充分發揮高剛性機床和高精度刀具夾頭優勢的新型絲錐(圖1),與高效硬質合金鉆頭和立銑刀一樣,硬質合金絲錐也采用全圓柱柄,以確保同心度和有效的夾持(大多數絲錐采用帶四方頭的圓柱柄)。此外,該絲錐的柄部尺寸與其他刀具的柄部尺寸相同,例如,1/4-20硬質合金絲錐的柄部尺寸與通常用于鉆削1/4-20螺紋底孔、直徑為5.1054mm的硬質合金鉆頭柄部尺寸相同。
為了充分發揮熱裝式、液壓式或精密套筒式TGHP刀具夾頭的優勢,這種硬質合金絲錐的柄部尺寸精度達到德國標準DIN 7160的H6級。因此,1/2″絲錐的柄部尺寸公差為+0.0000/-0.0101mm,圓度公差保持在0.0030mm以內。絲錐柄之所以不需要帶有方頭,是因為這些刀具夾頭在攻絲時,對于滿足上述柄部尺寸公差的絲錐具有足夠的夾緊力。此外,絲錐帶螺紋部分的刀體和切削斜面與柄部的同心度在10µm以內,可以提高絲錐承受負荷的均勻性。
將這種硬質合金絲錐與精密刀具夾頭一起使用時,即可組成可減小絲錐徑跳的高剛性工具系統,它能夠滿足成功應用硬質合金絲錐的兩個條件:高剛性和絲錐負荷的均勻性。
過去,當整體硬質合金鉆頭剛被引入孔加工時,為了減小切削刃負荷和防止崩刃,用戶不得不降低每轉進給量(與高速鋼鉆頭相比)。不過,硬質合金鉆頭可以采用更快的切削速度。隨著硬質合金鉆削牌號和鉆頭設計的進步,切削刃崩刃的可能性大大降低,從而使整體硬質合金鉆頭的實際進給率不斷提高。
對于絲錐而言,僅由螺紋導程、螺紋頭數和切削刃斜面來控制切屑載荷,攻絲的環境條件難以進一步降低作用于絲錐切削刃上的負荷。但是,為了避免崩刃,整體硬質合金鉆頭在設計上的改進(使其可獲得更高進給率)也同樣可以應用于整體硬質合金絲錐。這些改進包括新的刀具牌號KC7542(圖1),這種牌號將專門為絲錐開發的高強度硬質合金基體與為硬質合金鉆頭新開發的納米TiAlN涂層完美地結合在一起。
加工機床、控制系統、刀具夾頭、硬質合金牌號和絲錐設計的改進大大拓展了可實現高效攻絲的工件材料范圍,其中不僅包括短切屑材料(如鋁和鑄鐵),也第一次包括了長切屑材料(如碳鋼和合金鋼)(參見下表)。
表 用硬質合金絲錐加工不同材料時推薦的切削速度范圍
工件材料類別材料實例材料硬度切削速度*(sfm)
低碳鋼(C<0.25%)1018<220HB300~400
易切鋼12L14<275HB250~350
普通中/高碳鋼、工具鋼1040、4340、H-13、D-2<32HRC200~300
鐵素體鋼、馬氏體鋼、PH不銹鋼430、410、17-4 PH<32HRC150~210
球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵A-47、A-536<300HB250~400
灰鑄鐵20~50級<300HB250~400
(*表中所列切削速度適用于孔深小于3倍孔徑的通孔攻絲)

圖1 用整體硬質合金絲錐進行高速同步攻絲(鼠標懸浮窗口放大,單擊查看放大全圖)
此外,在能實現同步攻絲的CNC數控機床上用熱裝式、液壓式或精密套筒式TGHP刀具夾頭夾持攻絲時,新推出的硬質合金絲錐能以比高速鋼絲錐快5倍的速度進行加工,從而可以大幅度提高攻絲生產率(圖2)。
但是,在對盲孔進行攻絲時必須注意,并非所有的CNC數控機床都具有相同的同步攻絲能力。由于加工到盲孔的孔底時絲錐和主軸必須減速并退出,在絲錐反轉時可能會出現導程誤差,從而引起作用于絲錐的側向推力,并造成螺紋檢測時尺寸超差。此外,由于絲錐減速、反轉和重新加速時仍與工件接合在一起,因此,盲孔攻絲的速度應比推薦的通孔攻絲速度降低40%左右。
肯納公司收集了一些有關新型硬質合金絲錐的加工數據。例如,在一次切削試驗中,用M12×1.75的絲錐對4340鋼(硬度為32HRC)工件進行通孔攻絲。TiN涂層高速鋼絲錐以50sfm的常規攻絲速度通常可以加工1500個孔;如將攻絲速度提高到300sfm,則只能加工158個孔。而在該試驗中,硬質合金絲錐以300sfm的攻絲速度加工1700個孔后,絲錐幾乎沒有磨損。在另一次加工4340鋼的切削試驗中,高速鋼絲錐以50sfm的攻絲速度加工1300個孔后失效;而M6×1的硬質合金絲錐則可以300sfm的攻絲速度加工超過6000個孔。
一家汽車零部件供應商采用新型硬質合金絲錐加工A-536球墨鑄鐵時發現,攻絲速度可從110sfm提高到400sfm,從而可使攻絲循環時間縮短65%。由于絲錐壽命增加到了40000個孔,是粉末冶金(P/M)高速鋼絲錐壽命的4倍,因此在考慮加工成本和刀具成本的情況下,總的攻絲成本可降低66%。
另一家制造商發現,硬質合金絲錐可以300sfm的攻絲速度加工A-36鋼件,從而可將加工時間縮短到30秒鐘加工4個3/8-16的孔。此外,一支硬質合金絲錐可以完成通常需要3-4支高速鋼絲錐才能完成的加工任務。
專題錄入:liven    責任編輯:liven 
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