如何解決中碳鋼深孔螺紋加工難、絲錐易斷

生產(chǎn)實踐中，一批零件需加工深度25mm的M8盲孔螺紋。使用普通絲錐在加工中心上攻螺紋時，經(jīng)常發(fā)生絲錐折斷的問題，尤其是攻螺紋接近底部時，絲錐更容易折斷。為了去除折斷的絲錐，需采取電火花等手段，費時費力，在去除折斷絲錐的過程中，如果不慎將螺紋損壞，還將造成整個零件的報廢。不僅增加了成本，還嚴重制約了產(chǎn)品的生產(chǎn)進度。01絲錐容易折斷的原因分析該零件螺紋孔如圖1所示，零件材質(zhì)為30CrMnSiA，屬于中碳合金鋼，伸長率δ5≥10%，抗拉強度Rm≥1080MPa，調(diào)質(zhì)處理后硬度為34～38HRC。零件材料較高的強度和硬度必然造成攻螺紋時較大的切削力，而普通切削絲錐一般具有三條或四條較深容屑槽，容屑槽的存在嚴重降低了絲錐的強度，在較大的切削力作用下，致使絲錐發(fā)生折斷，這是攻螺紋過程中絲錐易折斷的主要原因。再加上此零件的螺紋孔為盲孔，且深度較深，當絲錐攻到底部時，大量切屑擠在絲錐容屑槽，如果不及時排出，極易將容屑槽堵塞，不僅增大切削阻力，同時還阻擋了潤滑液進入螺紋孔底部，造成潤滑困難，進一步增大切削阻力，更加容易造成絲錐折斷。圖1

零件深孔螺紋因此，加工此零件深螺紋孔時，絲錐容易折斷的原因可總結(jié)為以下幾點：①零件材料的強度和硬度較高，攻螺紋時造成較大的切削力。②普通切削絲錐的結(jié)構特點造成其本身強度較低。③零件的螺紋較深，絲錐切削環(huán)境惡劣，普通絲錐切削過程中產(chǎn)生較多的切屑使容屑槽堵塞，造成潤滑不良，切削阻力增大。02工藝改進思路該零件設計使用材料為30CrMnSiA，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度34～38HRC，為保證產(chǎn)品性能，零件材料無法更改，只能從攻螺紋的刃具——絲錐及攻螺紋工藝方面進行改進。針對該零件深孔螺紋加工過程中普通絲錐強度低、容屑槽易堵塞及潤滑不良等缺點，經(jīng)分析，擬采用擠壓絲錐代替普通絲錐來加工。擠壓絲錐外觀如圖2所示，與普通切削絲錐不同，它在加工過程中不是直接切削工件材料，而是靠擠壓作用，使工件材料產(chǎn)生塑性變形而形成內(nèi)螺紋，因此擠壓絲錐的外形為多棱形，沒有容屑槽（通常只開有一條或多條較淺的潤滑油槽）及切削刃口，其截面形狀是閉合式多角型面。擠壓絲錐與普通切削絲錐的截面比較如圖3所示。圖2

擠壓絲錐a）擠壓絲錐b）普通切削絲錐圖3

擠壓絲錐與普通切削絲錐截面比較由于擠壓絲錐在加工過程中不會產(chǎn)生切屑，故不像切削絲錐那樣開有較深的容屑槽，因此其強度與切削絲錐相比要大得多，能承受較大的切削力，所以用擠壓絲錐來加工該零件的深孔螺紋是比較合適的。03擠壓絲錐加工中碳鋼深孔螺紋存在的問題雖然擠壓絲錐有以上所述的諸多優(yōu)點，但它也有加工的局限性。受加工方式所限，擠壓絲錐只適用于加工強度較低、塑性較大的材料，如銅、鋁合金、低碳鋼及奧氏體不銹鋼等，其加工材料性能局限在伸長率δ5≥7%、抗拉強度R

m≥1200MPa的范圍內(nèi)，因此在使用擠壓絲錐時，首先應對工件材料進行評估，其次還要根據(jù)絲錐的直徑和螺距，來確定工件材料是否適合進行擠壓絲錐螺紋加工，因為擠壓加工螺紋的直徑和螺距越小，則可加工的材料范圍越廣，而大直徑和大螺距的擠壓絲錐只適合加工很軟的材料。根據(jù)經(jīng)驗，被加工材料硬度和擠壓絲錐之間的關系見表1。表1被加工材料硬度與擠壓絲錐直徑的關系該零件材料熱處理后硬度達34～38HRC，需加工的螺紋直徑為8mm，根據(jù)表1可知，該零件材料各項指標已接近或超過擠壓絲錐的加工上限。因此，該零件若使用擠壓絲錐加工螺紋也具有一定的難度，要想取得較好的加工效果，必須選擇合理的切削工藝。04擠壓絲錐攻螺紋前底孔直徑的確定擠壓絲錐攻螺紋前的底孔直徑要求比較嚴格。普通絲錐是靠切削金屬來形成螺紋，攻螺紋前的底孔直徑一般就等于螺紋的小徑，擠壓絲錐在加工螺紋時不需切削金屬，而是擠壓金屬，通過金屬的塑性流動形成螺紋牙型，因此其底孔直徑要大于螺紋小徑。用擠壓絲錐加工螺紋時，底孔直徑的誤差大小對攻螺紋過程和螺紋牙型有較大的影響。底孔直徑過小會出現(xiàn)螺紋小徑偏小、絲錐磨損加快甚至折斷等問題，而底孔直徑過大則導致螺紋小徑偏大、牙型不完整，螺紋強度達不到設計要求，如圖4所示。a）預鉆孔直徑太大b）預鉆孔直徑符合要求c）預鉆孔直徑太小圖4底孔直徑對擠壓螺紋牙型的影響要想用擠壓絲錐順利地攻出合格的螺紋，就必須精確計算出攻螺紋前的底孔直徑，攻螺紋前底孔直徑的理論值可以用以下公式計算D＝d－0.68LP其中，

D

為攻螺紋前的底孔直徑；d為絲錐的公稱直徑；L為螺紋的螺距；P為螺紋牙型百分比。式中P值等于螺紋牙型與理論全齒高之比，因為擠壓成形的金屬硬化作用，擠壓成形的螺紋強度要比切削螺紋的強度高得多，擠壓螺紋的牙型百分比達到60%即可滿足使用要求，所以在通常情況下，P值取65%為標準值。常用直徑螺紋在擠壓攻螺紋時的底孔直徑參考值見表2。表2常用直徑螺紋擠壓攻螺紋底孔直徑參考值05攻螺紋速度選擇擠壓絲錐加工時一般采用與切削絲錐相同的攻螺紋速度，在加工較軟材料和細牙螺紋（螺距1.25mm以下）時，可選擇較高的攻螺紋速度；在加工大直徑或螺距較大的螺紋時，由于攻螺紋的扭矩較大，可選擇較慢的攻螺紋速度。受絲錐直徑、螺紋螺距、被加工材料的性能、絲錐性能（涂層與否、有無潤滑槽等）及切削液等方面因素影響，擠壓絲錐的攻螺紋速度一般在500～1200r/min?？紤]到該零件的材料性能指標已達擠壓絲錐的加工上限，為了達到絲錐壽命與加工效率兼顧，在選擇攻螺紋速度時，本著先低后高的原則，最終選擇一個合適的攻螺紋速度。經(jīng)過多次試驗，加工該零件時，750r/min的攻螺紋速度比較合適。06切削液的選擇擠壓絲錐在加工時，金屬受擠壓而成形的過程對切削液的要求很高。切削液在擠壓絲錐加工過程中起到減小扭矩、抗黏連、提高螺紋成形質(zhì)量及帶走熱量等作用。常用的切削液有水溶性切削液和含硫化物的切削油等。該零件的螺紋孔均為盲孔加工，切削液在加工過程中的作用更加重要。經(jīng)過實踐，該零件擠壓螺紋加工過程中，使用TiN涂層的擠壓絲錐（帶潤滑油槽），配合5%～6%的乳化液取得了較好的效果。圖5所示為加工出的螺紋。圖5擠壓好的螺紋效果07結(jié)語該零件深孔螺紋由原來的切削絲錐加工改為擠壓絲錐加工，雖然材料為中碳鋼，性能接近擠壓絲錐的加工上限，但是通過改進