（机械工程专业论文）铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 铸铁具有抗压强度高、硬度高、耐磨性好、熔点低易于铸造的特点，因此它 常用来制造发动机缸体、泵体、阀体、机床床身、导轨、齿轮等零部件，这些零 部件上有相当多的螺纹孔需要用进行内螺纹攻丝加工，如一台汽车发动机需要加 工超过4 0 个螺纹孔。铸铁的切削加工特点是切削冲击大、刀具易崩刃、刀具磨 粒磨损严重，特别是铸铁的攻丝加工耗费大量的时问和成本，因此提高铸铁攻丝 加工的效率、提高刀具寿命对整体生产效率的提高意义重大。 攻丝是一个高速、大切削力、大应变率、高频振动的材料失效过程，从机床 特性、加工方式，到工件材料性质、刀具材料和几何角度等等，影响因素众多。 本文针对高性能的攻丝刀具一一硬质合金丝锥，针对两种常见的铸铁材料一一灰 口铸铁和球墨铸铁，进行了系统的切削实验。分别从切削力、切削振动、切削温 度、加工表面质量、失效形式等方面，对不同刀具材料和不同设计槽型的丝锥的 切削性能和失效机理做出了对比分析和基于实验结果的合理判断，并且给出了不 同工件材料、不同几何结构刀具、不同7 具材料的丝锥在不同加工方式下的优化 切削用量。 关键词：铸铁，丝锥，切削性能，切削试验 a b s t r a c t c a s t m gi r o n sw i t hc h a r a c t e r so fh i g hc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，h i 曲h a r d n e s sa n d g o o dw e a rr e s l s t a n c e ，w a su s u a l l ym a d ef o re n g i n ec y l i n d e r , b u m pb o d v m a c h i n e b a s e , g u l d ew a y , g e a r sa n ds oo n l o t so ft h r e a d i n gh o l e sn e e d e dt ob em a c h i n e di n t h e s ep a r t s ，f o re x a m p l et h e r ew e r eo v e r4 0t h r e a d i n gh o l e so no n ev e h i c l e e n 西n e t h em a c h i n i n g 。fc a s t i n gi r 。n s w o u l dl e a d t 。h i g hc u t t i n gi m p a c t ，c u t t i n ge d g e t i p p i n ga n dt o o la b r a s i v ew e a r , e s p e c i a l l yt a p p i n go nc a s t i n gi r o n st o o kal o to ft i m e a n dc o s t , s oh i g h e r e f f i c i e n c ya n dl o n g e rt o o ll i f ew e r eq u i t ei m p o r t a n tf o rs h o r t e n i n g p r o d u c i n gc y c l et i m ew h e nt a p p i n go nc a s t i n gi r o n s la p p i n gp m c e 8 8i n d i c a t e dm a t e r i a l sf a i l u r ew i t hh i g h c u t t i n gf o r c e ，h i g hs t r a i n r a t ea n dh i g h f r e q u e n c yv i b r a t i o n i tw a si n f l u e n c e d b ym a c h i n ep e r f o r m a n c e ， m a c n l n m gm e t h o d ，w o r kp i e c em a t e r i a l s ，t o o lm a t e r i a l sa n dt o o l g e o m e t r y h i g h p e r t o r n l a n c ec a r b i d et a p sw e r es t u d i e di n t h i s d i s s e r t a t i o n ，g r e yc a s t i n gi r o n sa n d n o d u l a rc a 8 t l n g1 r o n sw e r em a c h i n e da c c o r d i n gt o c u t t i n gt e s t c u t t i n gf o r c e ，c u t t i n g v i b r a t i o n , c u t t i n gt e m p e r a t u r e ，s u r f a c eq u a l i t ya n dt o o lf a i l u r ew e r es y s t e ma n a l y z e d c 0 m p a r e 托s u i t so fd i f f e r e n tt o o l sa n dd i f f e r e n tf l u t ep r o f i l e sw e r eg o t ，a n dj u d 舯e n t s w e r em a d ef o ro p t i m i z e dc u t t i n g p a r a m e t e r s ，t a p ss t r u c t u r e sa n dt o o lc o a t i n 2 s k e y w o r d s ：c a s t i n gi r o n s ，t a p s ，c u t t i n gp e r f o r m a n c e ，c u t t i n ge x p e r i m e n t s 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论帚一早瑁比 铸铁是一类应用广泛的材料。铸铁的种类主要有灰口铸铁、白口铸铁、可锻 铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、合金铸铁六类，它们各自用在不同的地方。例如灰 铸铁常用来制造机床床身，球墨铸铁、蠕墨铸铁常用在制造发动机上。总的来说， 铸铁具有抗压强度高、硬度高、耐磨性好、熔点低易于铸造的特点，因此它常用 来制造发动机缸体、泵体、阀体、机床床身、导轨、齿轮等零部件。 近年来，由于汽车产业的迅猛发展，而汽车缸套和缸盖多为铸铁材料，在发 动机、阀体、床身、机座等零件上有大量的螺纹孔需要加工，且多为盲孔攻丝。 由于高速钢丝锥的低速特性和不耐磨损性，限制了生产率的进一步提高，从而生 产线上需求大量的新型丝锥。因此，国内某工具厂为适应市场需求，提出了采用 硬质合金丝锥进行铸铁的盲孑l 攻丝，并研发制造了一批新型丝锥，为对这些丝锥 的切削性能进行全方位评价，并与国际上较为著名的刀具公司如德国和日本的原 装进口丝锥进行对比分析，联合实验室进行了一系列的切削试验和性能分析，为 新型丝锥的进一步研发奠定了一定的基础。 1 2 切削技术的最新进展 1 2 1 高速切削技术 在高速数控加工中心与各种高性能刀具材料及其涂层技术发展基础上兴起 的高速切削技术是一种先进实用的制造技术【l4 l 。它具有：切削力小、工件热变 形小、加工质量高、切削效率高、工序集约化以及降低加工成本等突出的优点， 目前已经在很宽范围的金属, t i l t h - 金属工件材料上得到应用1 5 j ，具体见表1 1 。由 于高速切削带来了巨大效益，国内外非常重视其研究：日本“先端技术研究会” 把高速切削列入2 1 世纪的四大先进制造技术之一【6 】；德国把高速切削作为当代 金属加工最重要的研究领域之一【7 】；在美国，高速切削已经成为切削加工发展的 主流【8 ；我国把加工制造技术的发展方向定位于超精密、超高速及发展新一代制 造装备1 9 】。由于高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的 通用化使之具有很高的生产效率。可以说，高速切i 争j d h 工是一种不增加设备数量 铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究 而大幅度提高加工效率所必不可少的技术，所以，研究开发高速切削加工技术已 成为现代切削技术面临的重大任务之一。 表1 - 1 高速切削的应用领域5 】 t a b l el - 1a p p l i c a t i o no fh i g h - s p e e dc u t t i n g 切屑排热 非延迟加工精密件 冷工件镁合金 高速切削( h i 曲s p e e dm a c h i n i n g ，h s m 或h i g hs p e e dc u t t i n g ，h s c ) 的概 念源于德国c a r l j s a l o m o n 博士，从1 9 2 4 年至1 9 3 1 年，他用大直径圆锯片对不 同材料进行大量铣削实验发现【l0 1 ，随切削速度不断增加，切削温度上升到一峰值， 随切削速度进一步提高，切削温度达到峰值后反而下降。切削温度达到峰值的切 削速度称为临界切削速度。s a l o m o n 博士认为在临界切削速度两边有一个彳i 适宜 的切削加工区域，有的学者称之为“死区”( v a l l e yo f d e a t h ) 12 1 。因为在该区 域内刀具承受不了如此高温的作用。当切削速度继续提高，切削温度下降到刀具 许可的温度范围，这时，刀具又可进行切削加工【4 】。 江苏大学工程硕士学位论文 f 函 刨 赠 襄 s 可加 。c 乒 ”。- 弋 ”、 铸铁 、 合金 ， 、 八r磷她钨硬质合金饿 涎 钨钻硬j旨舍金8 5 & c 一卜 、 网 高速锕6 5 0 c c j 、i 一7 j 。 5 4 h r c ) 材料直接进行切削加工。硬切削工件材料包 括淬硬钢、冷硬铸铁、粉末冶金材料及其它特殊材料。硬切削通常可直接作为最 终精加工工序，而传统加工常以磨削作为最终工序。与磨削相比，硬切削具有如 下优剧2 7 】：加工灵活性强，精度易于保证；加工成本低于磨削( 通常仅为磨削的 1 4 ) ：不需要专用机床、刀具和夹具，在现有加工设备上即可实现；生产效率高 于磨削；磨削产生的磨屑与废液混合物易污染环境，难以处理和再利用，而硬切 削易于实现干切削，产生的切屑可再利用。由于硬切削具有以上优势，因此“以 切代磨”已成为切削加工的发展趋势之一。 目前，硬切削主要用于车削、铣削等加工工艺，并已在许多工业制造部| 、j 得 到应用，如汽车传动轴、发动机、制动盘、制动转了的半精加工和精加工，飞机 副翼齿轮、起落架的切n j j 【1 工，机床工具、医用没备等行业也开始大量应用硬切 削加工技术。 硬切削对加工机床的主要要求为刚性好、基础稳定、工作轴运动精度高等。 由于硬切削的切削力较大，切削温度较高，为保证加工精度、表面质量及刀具寿 命，硬切削时必须精心选择刀具材料、刀具几何参数和切削用量。硬切削的适用 刀具材料主要有p c b n 、陶瓷、高性能金属陶瓷、涂层硬质合金、超细晶粒硬质 合金等。刀具材料选定后，应尽量选用强度较高的刀片形状和较大的刀尖圆弧半 径，p c b n 刀具和陶瓷刀具一般应采用负前角( 5 。) 。一般来说，被加工材料硬 度越高，硬切削的切削速度应越小；使用p c b n 刀具的切削速度应高于其它刀具 材料。 1 3 刀具技术的发展和研究现状 1 3 1 刀具结构 当前刀具结构的变革正朝着可转位、多功能、专用复合刀具和模块式方向发 展，刀具结构不断创新。 立铣刀采用变螺旋角的设计或者刀槽采用不等分的设计，能减小精密切削中 铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究 的振动，提高表面质量：高速钢立铣刀的大前角设计明显降低了切削力，改善了 排屑，在精密加工中能改善表面的完整性：硬质合金刀具的整体化，使小直径刀 具的刚度显著提高，甚至复杂刀具如齿轮、螺纹刀具等也采用整体硬质合金制造； 整体硬质合金立铣刀采取端齿中一刃过中心设计，使立铣刀功能扩大，不用预钻 孔，直接向下切削2 8 2 9 。 钻头的工作条件比较差，特别排屑是人们最关切的问题，所以一直在设法改 进。群钻是比较典型的，但是它的刃磨比较复杂；德国的g u e h r i n g 公司研制了 r t 型钻头，其抛物线形槽增加了芯厚，加大了槽的面积；采用s 型钻尖的麻花 钻具有很好的定心性，能显著减小钻削轴向力，改善排屑断屑状况【3 0 1 。 复合刀具淡化了传统的车、铣、镗、钻和螺纹加工等不同切削工艺的界限， 能在一次装夹中对复杂零件进行多工序的集中加工，以减少换刀次数，节省换刀 时间，还可减少刀具的数量和库存量，有利于管理和降低制造成本。较常见复合 刀具有多功能车刀、铣刀，还有镗铣刀、钻一铣螺纹一倒角等各种多功能刀具。美 国k e n n a m e t a l 公司的多功能车刀，可完成车外圆、端面和镗孔等工作 3 l 】。在 c i m t 2 0 0 1 上，德国g u n t h e r 公司展出的车、钻刀可在实心材料上钻平底孑l 、镗 孔、车端面、车外圆，可将工时缩短4 0 。e m u g e 公司的螺纹铣刀，一次走刀可 完成钻底孔、倒角和铣螺纹工序。日本三菱公司开发的o c t a c o t 多功能铣刀可安 装八角形刀片或圆刀片，在加工中心上完成铣平面、沟槽、台阶、倒角、轮廓加 工和斜面等多种加工。 可转位刀具发展的一个重要方面是刀片断屑槽型的开发，瑞典s a n d v i k 公司 推出的r 、m 和f 等新槽型系列( 钢材粗加工、半精加工和精加工相应采用p r 、 p m 和p f 的槽型，切不锈钢时用m r 、m m 和m f 的槽型，切铸件和有色金属用k r 、 k m 和k f 的槽型) 以及以色列i s c a r 公司以“霸王刀”为典型的槽型设计都独树 一帜。这些刀片大多是三维曲面槽型，断屑范围宽，适应性好3 2 1 。 1 3 2 刀具材料 1 新型高速钢 高速钢( h s s ) 是加入了w ，m o ，c r ，v 等合金元素的高合金工具钢【3 3 】。虽 然目前可供使用的刀具材料品种较多，但由于高速钢的强度、韧性、热硬性、工 艺性特别是锋利性( 刀尖半径可达1 2 1 5 m ) 渊等方面具有优良的综合性能，因 江苏大学工程硕士学位论文 此在切削某些难加工材料以及在复杂刀具( 尤其是切齿刀具、拉刀和立铣刀等) 制 造中仍占有较大比重。它的发展方向为： 1 ) 高性能高速钢。现在国外普遍采用高性能高速钢，其比重己超过2 0 ， 与w 1 8 g r 4 v 对应的钢号已基本淘汰，代之以含钴钢和高钒钢。并且由于高速钢 中的主要元素钨、钴等资源紧缺，所以扩大使用各种无钴、少钴、少钨的高性能 高速钢也是未来的发展趋势【3 川。 2 ) 粉末冶金高速钢。由于避免了熔炼时产生的碳化物偏析，故粉末冶金钢 的物理性能大为改观，其颗粒细小均匀( 达2 3 “m ) ，经热处理后的硬度高( 可达 6 7 7 0 h r c ) 、抗弯强度好( 可达2 7 3 3 3 4 g p a ，高的可达4 4 5 4 g p a ) 、红硬性 高( 6 0 0 。c 时的高温硬度比熔炼高速钢m 2 高2 3h r c ) ，用其制作的刀具耐用度 比一般高速钢提高3 5 倍。欧美和日本等一些工业发达国家近几年来在切削难 加工材料以及在复杂刀具制造中，特别是切齿刀具、拉刀和立铣刀及丝锥上已大 量使用粉末冶金高速钢，使切削速度和刀具寿命成倍提高【3 6 l 。 2 新型细晶粒和超细晶粒硬质合金 硬质合金是高硬度、难融的金属化合物( 主要是w c ，t i c 等，又称为高温碳化 物) 微米级的粉末，用钴或镍等金属做粘结剂烧结成的粉末冶金制品。硬质合金 是当前切削领域中应用最广泛的切削7 = j 具材料，切削效率大约为高速钢的5 1 0 倍。全世界硬质合金的产量增长极快，新材料、新牌号的硬质合金刀具不断出现， 在全部刀具中的比重越来越大。但其工艺性差，用于复杂刀具尚受到很大的限制。 细晶粒( 1 o 5 9 m ) 币l 超细晶粒( 小于0 5 t m ) 硬质合金材料及整体硬质合金刀 具的开发，使硬质合金的抗弯强度大大的提高，可替代高速钢用于制造小规模钻 头、立铣刀、丝锥等量大面广的通用刀具，其切削速度和刀具寿命远超过高速钢。 整体硬质合金刀具的使用可使原来采用高速钢大部分应用领域的切削效率显著 提高。为提高硬质合金的韧性，通常采取增加c o 含量的方法，由此引起的硬度 降低现在可通过细化晶粒得到补偿，并可使硬质合金的抗弯强度提高到4 3g p a ， 已达到并超过了普通高速钢的抗弯强度。细晶粒硬质合金的另一优点是刀具刃口 锋利，尤其适合于高速切削粘而韧的材料 37 1 。 在硬质合金中增添0 0 5 - - 一5 的g d 、p r 等稀土元素的硬质合金，其月牙洼 耐磨损性能好，后刀面的耐磨损和抗崩性能也高。我国有着丰富的稀土元素资源， 铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究 研制稀土硬质合金在世界上领先，已研制出了y g 6 r 、y g 8 r 、y g l l c r 、y w l r 、 y w 2 r 、y t 5 r 、y t l 4 r 、y t l5 r 、y s 2 5 r 等产品( r 表示稀土元素) 【2 9 1 。 3 陶瓷材料 陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温力学性能，与金属的亲和 力小，不易与金属产生粘结，并且化学稳定性好。因此，陶瓷刀具可以加工传统 刀具难以加工或根本不能加工的超硬材料。陶瓷刀具有氧化铝( a 1 2 0 3 ) 基和氮化硅 ( s i 3 n 4 ) 基两大类，加入各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善其性能， 还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机理的协同作用提高其断裂韧性。 目前，国产的一些晶须增韧陶瓷、梯度功能陶瓷等产品己达到国外同类刀片 的性能，有的还优于国外，如获国家发明二等奖的新型复合氮化硅陶瓷刀片 f d 0 3 ，其切削寿命为a 1 2 0 3 t i c ( a t 6 ) 复合陶瓷刀具的6 3 8 倍，为进口a 1 2 0 3 z r0 2 增韧陶瓷刀具的8 2 倍，为k 1 0 ( y g 6 ) 硬质合金刀具的7 8 3 倍。 陶瓷刀具使用的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的元素，是取之 不尽的，对节省贵重金属也具有重要的意义。陶瓷刀具主要应用于难加工材料的 高速加工。国际上已经将陶瓷材料刀具视为进一步提高生产率的最有希望的刀具 之一。 4 超硬刀具材料 超硬刀具材料，主要指金刚石刀具和立方氮化硼( c b n ) t j 具，属于刀具材料 的新品种，在解决难加工材料的切削、提高生产率、保证加工精度、降低生产成 本方面具有明显的优势。 金刚石刀具有极高的硬度和耐磨性，其耐磨性比硬质合金高l 2 个数量级， 热膨胀系数仅为高速钢的1 1 0 ，导热系数为硬质合金的5 9 倍，对有色金属及 非金属材料进行高速镗削和精细车削，可获得很高的表面加工质量。金刚石刀具 可分为三大类：天然金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具和复合聚晶金刚石刀具。 继美国g e 公司于19 5 7 年首次合成立方氮化硼之后，在高温高压条件下将 立方氮化硼聚合在硬质合金上，诞生了复合结构的立方氮化硼( c b n ) t j 片。立方 氮化硼( c b n ) t 具有聚晶烧结块和复合刀片两种，能在较高切削速度下加工淬硬 钢及铸铁，以车代磨，并可高速切削部分高温合金，加工精度高，表面粗糙度相 当低，而且立方氮化硼还适宜加工各种淬硬钢、n i 基、f e 基及其它一些耐磨、 江苏大学工程硕士学位论文 耐蚀的热喷涂( 焊) 件材料、钒钛铸铁、冷硬铸铁等耐磨类铸铁、钛合金材料等。 1 4 丝锥结构特点及其分类 丝锥是一种加工内螺纹的刀具，沿轴向开有沟槽。也叫螺丝攻。丝锥根据其 形状分为直槽丝锥，螺旋槽丝锥、螺尖丝锥、挤压丝锥等。直槽丝锥加工容易， 精度略低，产量较大。一般用于普通车床，钻床及攻丝机的螺纹加工用，切削速 度较慢。螺旋槽丝锥多用于数控加工中心钻盲孑l 用，加工速度较快，精度高，排 屑较好、对中性好。螺尖丝锥前部有容削槽，用丁通孔的加工。挤压丝锥主要用 于高塑性材料的螺纹挤压成型加工，如铝合金、紫铜等。现在的工具厂提供的丝 锥大都是涂层丝锥，较未涂层丝锥的使用寿命和切削性能都有很大的提高。不等 径设计的丝锥切削负荷分配合理，加工质量高，但制造成本也高。梯形螺纹丝锥 常采用不等径设计。典型丝锥结构见图1 2 。 丝锥结构功能主要由以下几部分组成：工作部分( t h r e a d ) 及柄部( s h a n k ) 。 工作部分分为切削锥部分( c h a m f e rl e n g t h ) 、螺纹校正部分、槽型结构等，是影 响丝锥切削性能和精度的主要因素，切削锥部分的重要参数包括切削锥角( 即主 偏角) 、铲磨后角等；螺纹校正部分是具有完整齿形的圆柱形部分，在攻丝过程 中起校准、修光己加工螺纹的作用，以达到合格的尺寸和形状要求，并有导向作 用。为了减小其与己加t 表面的摩擦，常将该部分向内做成倒锥：槽型的结构参 数包括：邕= 部直径( w e bd i a m e t e r ) 、刃宽( l a n dw i d t h ) 、槽型( f l u t e ) 、前角等。 丝锥柄部的主要作用是装夹及驱动，柄部由专用攻丝夹头或弹簧夹头夹持，由于 攻丝扭矩较大，夹头后部有方尾进行扭矩驱动。 图1 - 2 直槽丝锥结构图 f i g 1 2s t r u c t u r eo fs t r a i g h tf l u t e dt a p s 铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究 1 4 1 直槽丝锥 直槽丝锥加工工艺简单，适用性强，是目前用量最大的丝锥种类，适用于加 工通孔或有足够空问的盲孔。由于其具有较好的刚性和刃口强度，适用于普通钢 件及铸铁类材料，加工连续切屑材料时，其产生的切屑大部分容纳于直槽中，小 部分碎屑由于重力掉到下方，因此直槽丝锥的排屑性能不及强制排屑的螺旋槽及 螺尖丝锥。， 图1 3 直槽丝锥 f i g 1 - 3s t r a i g h tf l u t e dt a p s 1 4 2 螺尖丝锥 螺尖丝锥( 也称刃倾角丝锥) 适用于通孔攻丝或盲孔攻丝( 孔深应足够容屑) ， 其优点是切削速度高、排屑畅、强度高、扭矩小，己加工螺纹表面光洁度好。不 同于普通直槽丝锥的是其切削锥有一个刃倾角，如图l 所示。刃倾角一般都是 8 0 - 2 0 。螺尖丝锥各齿切入时，切削层面积逐渐增加，切入过程平稳；而且螺尖 丝锥是斜角切削，实际切削前角大于名义前角，切削变形抗力小，切削轻快。螺 尖丝锥的切削锥较普通直槽丝锥长，各齿切削负荷轻，刀具寿命长。 螺尖丝锥在美国使用己较广泛，其中螺尖丝锥占5 5 ，螺旋槽占1 0 ，挤 压丝锥占1 0 ，直槽丝锥占2 5 。螺尖丝锥切削时能使切屑卷成圈状，飞快的 向前排出，不堵屑。比一般丝锥减少切削扭矩6 0 ，由于切屑可向前排出，所以 螺尖丝锥的直槽很浅，心部粗壮，其心部面积要比一般直槽丝锥增大2 2 5 倍， 增强了丝锥的强度和刚性，故螺尖丝锥的折损率可减少9 0 ，加工螺纹扩张量小。 适合高速切削，最高切削速度可达8 0 1 0 0 m m i n 。 图1 4 螺尖丝锥 f i g 1 - 4g u n p o i n tt a p s 江苏大学工程硕士学位论文 1 4 3 螺旋槽丝锥 螺旋槽丝锥比起普通直槽丝锥寿命可增加3 0 5 0 ，有的高达2 倍以上。 这是因为在攻丝过程中切屑极易沿螺旋槽丝锥排出，不会堵在沟槽中排不出去， 很少出现崩刃及折断现象，提高了使用寿命。由于螺旋槽丝锥是斜角切削，切削 平稳便于入扣，加工螺纹粗糙度值低。螺旋角的存在增大了实际工作前角，工作 扭矩较小，比直槽丝锥小3 0 左右。 加工难加工材料，如不锈钢、合金结构钢及各种有色金属的盲孔攻丝，由于 切屑连续强韧，采用大螺旋角螺旋槽丝锥( 4 0 0 - 5 0 。) ，町以取得很好的排屑效果， 攻丝时不用反复进退丝锥排屑。针对不锈钢材料的盲孑l 攻丝的丝锥如图4 所示， 采用4 5 0 螺旋角，大前角设计，螺旋角大可以增大丝锥的工作前角，使切削过程 轻快，奥氏体不锈钢切屑连续而且强韧，槽形的设计让切屑紧密的卷曲并沿螺旋 槽排出，丝锥表面采用氧化处理减小表面摩擦系数，防止刁i 锈钢材料的粘结。 【 - a1 5 螺旋槽丝锥 f i g 1 - 5s p i r a lf l u t e dt a p s 1 4 4 挤压丝锥 挤压丝锥无切削刃和容屑槽，通常会有一条或多条润滑油槽，丝锥的外形呈 多菱形( 通常为3 到6 条) ，如图8 所示，通过棱上的工作螺纹挤压被加工孔内的 金属，使之发生塑性流动而形成螺纹。挤压丝锥的特点：挤压丝锥比切削丝锥有 更高的强度，它具有不易磨损，使用寿命长，折断率低和生产效率高及切削加工 的优点；挤压丝锥通过金属流动形成螺纹，因此具有螺纹表面强度高，表面光滑， 加工尺寸易保证的特点；挤压丝锥具有自导性，在一般的攻丝设备上可以使用， 但由于挤压丝锥加工需要比切削加工更大的扭矩，因此对攻丝设备的扭矩要求较 大，挤压丝锥需要的扭矩一般为切削丝锥的1 1 5 倍。 图9 是挤压丝锥的挤压示意图，在挤压过程中，由于丝锥牙尖的挤压，材料 沿丝锥牙的两侧从大的螺纹根部挤向空间较小的螺纹顶部，与丝锥接触处的晶粒 受力比螺纹牙芯部的晶粒大，宏观表现在与挤压丝锥接触处晶粒的滑移量远大于 铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究 芯部滑移量。可见挤压攻丝的过程表现为金属材料塑性变形的过程。 挤压丝锥主要适用于加工塑性大的材料，如铜、铝合金、低碳钢、含铅钢及 奥氏体不锈钢等工件。在选择使用挤压丝锥时，首先要对材料的可加工性进行评 估，一般情况下，材料的延伸率不应小于8 ，硬度不应大于3 7 h r c ，强度极限 不应大于9 8 0 m p a 。其次根据丝锥的直径和牙距，来确定此材料是否适合用挤压 丝锥加工。对于挤压成形螺纹，直径和牙距越小，则可加工的材料的范围就越广， 而大直径和大牙距的挤压丝锥只适用于加工很软的材料。根据经验。生产实际中 合理选择使用挤压丝锥既可加二r ：出精度保证，强度好，表面光滑的螺纹内孔，又 可降低生产成本。 圈 羹黎 鬻 o , l l 辨压篮t 蓐 i 纠l 一6 挤t i 毖锥j j | ii ：乐意i 到 f i g 1 6s c h e m a t i cd i a g r a mo ff o r m i n gp r o c e s s 1 4 5 面向工件材料的设计 工件材料的可加工性是攻丝难易的关键。h a n s e n w h i n e y 公司设计师v e r n o n h i l l 说：“现在丝锥生产厂家主要关注的是，发展针对特殊材料加工的丝锥”。针 对这些材料的性能，改变丝锥切削部分的几何形状，特别是它的前角和下凹量 ( h o o k ) 一一前面的下凹程度。对于高强度的工件材料，丝锥的前角和下凹量 通常较小，以增加切削刃强度。下凹量较大的丝锥则用在切削扭矩较大的场合， 但下凹量过大，切削刃可能会产生崩刃并嵌入螺纹。一般情况下，长屑材料需较 大的前角和下凹量，以便卷屑和断屑。另一方面，太锋利的角度会使切削刃过于 薄弱。 另一个受工件材料可加工性影响较大的丝锥角度是后角。加工较硬的工件材 料需要较大的后角，以减小摩擦和便于冷却液到达切削刃，但过大的后角又会减 o 江苏大学工程硕士学位论文 小丝锥切入工件时的自定心能力。加工软材料时，太大的后角会导致螺孔扩大。 对于加工硬度、强度都很高的工件材料，丝锥应选择起始于切削刃的偏心后角； 而对易加工材料，则选择带复合偏心后角( c o n e c c e n t r i c ) 的丝锥，其特点是在 切削刃下面无后角刃带之后再磨出后角。 螺旋槽丝锥主要用于盲孔的螺纹加工。加工硬度、强度高的工件材料，所用 的螺旋槽丝锥螺旋角较小，这可改善其结构强度。如h a n s o n w h i t n e y 公司生产 的u l t i x t 螺旋槽丝锥，其螺旋角为1 5 。，主要是用来加工强韧的4 0 0 系列不 锈钢。而该公司的u l t i x t 3 0 0 的螺旋槽丝锥的螺旋角为4 1 。，主要是用来加工 3 0 0 系列不锈钢。 此外，对于强韧的加工材料，要选用螺纹长度较短的螺旋槽丝锥，以减小切 削时的扭矩。对于有弹性记忆的材料( w i t he l a s t i cm e m o r y ) ，例如钛，要求刀具 带有较大的倒锥，从丝锥前部到柄部，逐步减小由于材料“反弹”造成的摩擦。 在优化攻丝加工条件时，丝锥生产厂家也考虑了刀具以外的其它因素。 e m u g e 公司技术部经理a l a ns h e p h e r d 说，高性能丝锥可使切削速度大大提高， 在铸铁材料上攻丝可从以前的3 5 5 0 s f m 提高到2 5 0 s f m 。然而，这样的切削速 度只有在特定的丝锥和具有特殊性能的机床上才能达到。他说：“最高加工速度 有时受到机床性能限制。对于较小的丝锥，主轴速度要想达到理想速度 r p m = ( s f m 3 8 ) 丝锥直径 ，可能已经超过了主轴最高转速。另一方面，用较大的 丝锥高速切削，会产生较大的扭矩，可能比机床提供的马力还大。” a l a ns h e p h e r d 说：“应用7 0 0 p s i 的内冷却工具，切削速度有可能达到2 5 0 s f m 。 而在没有内冷却设施的机床上，切削速度只能达1 5 0 s f m 。丝锥不同于大多数金 属切削工具，因为它与工件孔壁接触面积非常大，所以冷却至关重要。如果高速 钢丝锥过热，则丝锥会折断、烧损。”s h e p h e r d 说：“e m u g e 公司高性能丝锥的几 何形状特点，就是有较人的后角和倒锥。” 上述丝锥的几何形状，再配以特殊的涂层表面( 如t i n 、t i c n 、c r n 或t i a l n ) ， 可大大提高丝锥的寿命。这些耐热的、光滑的涂层，减小了切削力并允许在更高 的切削速度下攻丝。实际上，较新的高性能丝锥的开发，极大地促进了机床主轴 速度和功率的提高。 铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究 1 5 本课题研究的内容 本课题的主要研究内容如下： 1 对刀具技术、切削加工技术，特别是丝锥的最新进展及动态进行了分析 研究 2 对攻丝过程及原理进行试验方案设计及试验过程的研究分析； 3 分别针对攻丝球墨铸铁及灰铸铁，制备适合各自的刀具，并分别进行切 削试验研究分析其切削性能和磨损特性。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 第二章切削试验技术及试验方案 2 1 切削试验用设备 2 1 1 金属切削机床 切削试验在德国d m g 公司的“e v ol i n e a r ”加工中心上进行。行程范围：x 一一 7 1 0 m m ，y 一一5 2 0 m m ，z 一- - 5 2 0 m m ，五轴联动( x ，y ，z ，b ，c 轴) ；转速范 围：5 0 1 2 0 0 0 r p m ；定位精度：0 0 1 m m 。如图2 1 。 图2 1切削试验用加工中心 2 1 2 切削力采集分析系统 在切削过程中，切削力直接决定着切削热的产生，并直接影响刀具磨损、破 损、使用寿命、加工精度和己加工表面。而切削力测量是金属切削研究中的重要 实验技术。不仅研究金属切削机理需要研究切削力的瞬时变化值，制定切削用量、 设计和使用机床、刀具和夹具、开发切削数据库、实现加工中切削力控制等时需 要切削力数据，而且切削力是自动化加工中对切削过程进行监测的重要信号。因 铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究 此，对切削力进行动态过程采集，并依此研究切削力的规律和计算方法，将有助 于分析切削机理，改进刀具的结构设计，并对生产实际有着重要实用意义。 在刀具切削性能评价试验过程中，主要应确定切削力、扭矩与给定刀具的参 数、切削用量及冷却条件的关系，从而找出优化的切削用量( 切削速度与进给量) ， 或对给定刀具的几何参数和刀具结构提出优化方案和参数。 本文中利用k i s t l e r 9 2 7 2 四向压电式测力仪、k i s t l e r 5 0 1 7 b 电荷放大器， 以及相应的数据采集与处理系统测量切削力。 k i s t l e r 9 2 7 2 测力仪的基本技术参数： 灵敏度：o 0 5 n ； 所有测力采样频率为1 0 0 h z1 0 k h z ； 量程+ 5 k n ( x 、y ) ，一5 2 0k n ( z ) ，士2 0 0 n m ( 扭矩) ； 测力系统坐标系定义：沿工件轴线进给方向为x ，工件径向方向为y ，刀具 垂直方向上为z 。再用k i s t l e r 测力仪的配套软件d y n o w a r e 可对测得的力信号进 行分析和处理。k i s t l e r 测力系统如图2 2 所示。 2 1 3 切削振动采集系统 图2 2k i s t l e r 测力系统 f i g 2 - 2k i s t l e rf o r c em e a s u r i n gs y s t e m 在切削加工中，加工系统( 主要是指机床) 的特性对工件己加工表面质量， 刀具乃至机床的使用寿命都有着重要的影响。因此，在进行刀具切削性能评价时， 应该考虑加工系统的特性，例如：切削振动、温升和热变形、主轴刀具夹持系统 稳定性、旋转刀柄平衡状态。而在实际的测试实验中，应主要测试切削振动以及 温升和热变形，这两者对加工质量和加工稳定性影响最大。 金属切削加工中产生的振动是一种十分有害的现象。若加工中产生了振动， 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 刀具与工件间将产生相对位移，会使加工表面产生振痕，严重影响零件的表面质 量和性能：工艺系统将持续承受动态交变载荷的作用，刀具极易磨损( 甚至崩刃) ， 机床连接特性受到破坏，并有可能引起机床主轴支撑轴承的损坏，严重时甚至使 切削加工无法继续进行；振动中产生的噪音还将危害操作者的身体健康。为减小 振动，有时不得不降低切削用量，使机床加工的生产效率降低。 研究表明：切削颤振的发生与切削过程和机床结构的特性及其相互作用都有 关系。在加工中，切削截面积、切削速度的波动由机床结构在刀具和工件间的相 对振动、由切削力波动引起。反过来它们又导致切削力周期性变化。因此，分析 金属切削加工中的振动原因并掌握控制振动的途径是很有必要的。 机床的温升和热变形是由各种热源引起的。热源的热量本身并不直接产生变 形，只有当热源的热通过热传导、对流和辐射等传热方式( 在机床上，传热的主 要方式是热传导) 向外传热，使机床各部件产生温升，形成温度差，才会出现热 变形现象。 机床热变形的影响，主要有以下，几方面：由于机床各热源的分布及其所产生 的热量都是不均匀的，因此机床各个零部件的温升和热膨胀也就不均匀，从而改 变了各运动部件的相对位置及其位移的轨迹，因此，影响加工精度；改变滑移面 的问隙，降低油膜的承载能力，恶化机床的工作条件；同时，由于工件升温，与 测量工具的温度不同，影响了测量精度。 对于振动测量，可以通过b & k 加速度传感器、电荷放大器( 或动态应变仪) 和动态信号分析仪( 示波器) 来进行测量。测量过程中，应将其中的一个传感器 放到机床主轴上，另一个传感器放到工件上，然后通过电荷放大器( 或动态应变 仪) 对信号进行放大( 一般是1 0 0 倍即可) ，最后通过动态信号分析仪( 示波器) 来进行动态监控和数据采集。 2 1 4 刀具磨损检测系统 刀具耐用度定义：由刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经 过的总切削时间。 刀具的磨钝标准：刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为 磨钝标准。 在评定刀具材料切削性能和研究试验时，都以刀具表面的磨损量作为衡量刀 铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究 具的磨钝标准。因为一般刀具的后刀面都发生磨损，而且测量也比较方便。因此， 国际标准i s o 统一规定以1 2 背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度v b 作为刀 具磨钝标准例。 利用工具显微镜来观测涂层刀具的磨损量，可以将实验中所发现的刀具磨损 情况进行现场拍照，动态跟踪刀具不同磨损阶段的磨损量，给刀具磨损的研究提 供必要的实物佐证。该显微镜放大数可以无级调整到6 4 倍，三原色操作系统， 低噪点c c d 光感器。 使用s15 0 s e m 扫描电镜和p h i l i p se d a xe d s 对磨损形态进行更加详尽的记 录分析。( 如图2 3 所示) 图2 - 3s e m 扫描电镜和e d s 能谱分析仪 f i g 2 - 3s e m a n de d se n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i si n s t r u m e n t s 2 1 5 刀具几何参数测试 在刀具切削性能评价体系中，刀具的几何参数测试主要是指刀具几何角度的 测试，它是刀具几何参数的重要组成部分。其选择合理与否，直接影响刀具耐用 度、工件表面加工质量、生产成本及生产率等。它不仅受刀具材料的性质，工件 材料的切削加工性，以及工艺系统刚性等因素的影响，而且各影响因素之间相互 制约，影响着刀具的切削性能。 例如：前角的作用是为了减小切屑塑性变形及对前刀面的摩擦，选择恰当可 使刀具锋利耐用。增大前角时，切屑变形系数减小，切屑流出速度提高很快，从 江苏大学工程硕士学位论文 而使刀具一切屑的摩擦加剧，前刀面温升增加，必然会增加刀具的磨损，因此， 应选择较小的前角。 而后角主要是为了减小切削过程中的刀面与切削表面，已加工表面的摩擦， 选择后角主要是根据被加工材料的强度、硬度、弹性以及加工余量等因素，一般 粗加工后角小，精加工后角大，兼顾刀具的强度和耐磨两个方面。 因此，为了使刀具具有足够的使用寿命，必须综合考虑刀具前角、后角对切 削力、切削温度和刀具磨损的影响。 另外，刀具的刃倾角影响切屑的流出方向和各切削分力的大小。它刃倾角决 定刀尖受力情况、排屑方向，在不降低刀刃强度的前提下，增加刃倾角的绝对值， 可使刀具实际前角增大，刀具更锋利；主偏角决定参加切削刃的长度和切削厚度， 决定切削力的分配，对刀具切入切出时负荷变化影响较大。当主偏角k ，减小时， 刀尖角加大，切削厚度减小，参加切削的刃长增加。 所以，在进行刀具切削性能评价时，刀具的几何参数测试是必不可少的。对 于不同的刀具，它们各有特殊性，也有共性，应可分类细化，对其几何角度参数 进行测试，如：对于标准麻花钻，主要考虑以下几何参数：前角( y 。) 、螺旋角 ( p ) 、顶角( 2 ( p ) 、主偏角( k ，) 、后角( ( i f ) 、横列斜角( 、l ，) 、钻芯厚度、端面 刃倾角( h 。) 、钻头直径和柄部规格等：对于铣刀，主要考虑以下几何参数：前 角、后角、螺旋角、齿数、切削长度、总长、直径和柄部规格；对于丝锥，主要 考虑以下几何参数：螺纹公称直径、螺距、螺纹内径( 最大和最小) 、粗细牙等。 在实际试验中，可以用高精度工具测量仪来测量刀具几何参数。该仪器是仝 自动一体化的工具测量机，五轴联动并配备了s a t u r n 图像处理软件，它采用激 光测量刀具外部轮廓、切削刃形状( 包括：直线型、锥型、倒角、圆角和球头等) 和刀具角度。通用高精度主轴及可换夹头，刀具夹持精度可达微米级，c n c 控 制旋转夹头以适应测量光束的透射和反射，测量结果以图形直观表示。图2 4 为 z o l l e r 高精度工具测量仪。 1 9 铸铁攻丝专用高性能丝锥的切削性能研究 缫黼鬻麓 图2 4z o l l e r 高精度工具仪量仪 f i g 2 _ 4h i g hp r e c i s i o nt o o lm e a s u r i n ga p p a r a t u so fz o l l e r 2 2 切削试验方案 2 2 1 试验用丝锥 如表2 1 所示，试验丝锥分为三个品牌( 国内某工具厂a ，国外两家：【具厂 一b 、c ) 。 表2 1 试验用m 6 丝锥列表 t a b 2 1t e s t i n gt a p sl i s t 注：b l 适用于短铁屑和长铁屑的材料中的盲孔加工，材料强度在1 3 0 0 m p a 以内： c 1 适用于5 0 h r c 以上的合金钢、高速钢、工具钢的攻丝； c 2 适用于铝合金、镁合金、铜合金、热可塑性材料的盲孔高精度加工 2 2 3 试验用材料 灰铸铁一一牌号h t 2 5 0 ，硬度h b s l 7 0 一- 2 0 0 ，抗拉强度o - b = 2 0 0 2 7 0 m p a ； 球墨铸铁一一牌号q t 5 0 0 ，硬度h b s l 7 0 2 3 0 ，抗拉强度o - b 5 0 0 m p a 。 铸铁的组织是金属基体加游离的石墨，是典型的脆性材料。其中的石墨不但 可以降低铸铁的塑性，切屑易断，为崩碎切屑，而且石墨在切削过程中还可以起 2 0 江苏大学工程硕士学位论文 润滑的作用。由于切屑与前刀面的接触距离很短，切削力和切削热主要集中在切 削刃区，虽然单位切削面积上的切削力和切削热都比切削钢时要低得多，但切削 铸铁时切削刃处仍具有很高的温度和压力，且最高温度在靠近切削刃的后刀面 上。切削过程中被切削金属层频繁的无规则的断裂，使整个切削过程不是很平稳， 对刀具有较大的冲击，因此要求对刀刃有较高的强度和抗冲击韧性。总的看来， 各种铸铁的切削比钢的切削容易的多。 近年来，在许多中外合资厂中都出现了缸体灰铸铁件的力学性能，金相组织 与国外的铸件相当，都符合要求，但加工时刀具磨损要比进口灰铸件严重的多的 现象。这严重影响了缸体铸件的国国产化。如某一铸造二厂在对自己生产的捷达 车发动机缸体铸件进行加工时发现，在相同的刀具和加工工艺的条件下，其刀具 磨损是国外同类铸件刀具磨损的1 0 倍。铸件的加工性能可以切削