如何解决中碳钢深孔螺纹加工难、丝锥易断

生产实践中，一批零件需加工深度25mm的M8盲孔螺纹。使用普通丝锥在加工中心上攻螺纹时，经常发生丝锥折断的问题，尤其是攻螺纹接近底部时，丝锥更容易折断。为了去除折断的丝锥，需采取电火花等手段，费时费力，在去除折断丝锥的过程中，如果不慎将螺纹损坏，还将造成整个零件的报废。不仅增加了成本，还严重制约了产品的生产进度。01丝锥容易折断的原因分析该零件螺纹孔如图1所示，零件材质为30CrMnSiA，属于中碳合金钢，伸长率δ5≥10%，抗拉强度Rm≥1080MPa，调质处理后硬度为34～38HRC。零件材料较高的强度和硬度必然造成攻螺纹时较大的切削力，而普通切削丝锥一般具有三条或四条较深容屑槽，容屑槽的存在严重降低了丝锥的强度，在较大的切削力作用下，致使丝锥发生折断，这是攻螺纹过程中丝锥易折断的主要原因。再加上此零件的螺纹孔为盲孔，且深度较深，当丝锥攻到底部时，大量切屑挤在丝锥容屑槽，如果不及时排出，极易将容屑槽堵塞，不仅增大切削阻力，同时还阻挡了润滑液进入螺纹孔底部，造成润滑困难，进一步增大切削阻力，更加容易造成丝锥折断。图1

零件深孔螺纹因此，加工此零件深螺纹孔时，丝锥容易折断的原因可总结为以下几点：①零件材料的强度和硬度较高，攻螺纹时造成较大的切削力。②普通切削丝锥的结构特点造成其本身强度较低。③零件的螺纹较深，丝锥切削环境恶劣，普通丝锥切削过程中产生较多的切屑使容屑槽堵塞，造成润滑不良，切削阻力增大。02工艺改进思路该零件设计使用材料为30CrMnSiA，经调质处理后硬度34～38HRC，为保证产品性能，零件材料无法更改，只能从攻螺纹的刃具——丝锥及攻螺纹工艺方面进行改进。针对该零件深孔螺纹加工过程中普通丝锥强度低、容屑槽易堵塞及润滑不良等缺点，经分析，拟采用挤压丝锥代替普通丝锥来加工。挤压丝锥外观如图2所示，与普通切削丝锥不同，它在加工过程中不是直接切削工件材料，而是靠挤压作用，使工件材料产生塑性变形而形成内螺纹，因此挤压丝锥的外形为多棱形，没有容屑槽（通常只开有一条或多条较浅的润滑油槽）及切削刃口，其截面形状是闭合式多角型面。挤压丝锥与普通切削丝锥的截面比较如图3所示。图2

挤压丝锥a）挤压丝锥b）普通切削丝锥图3

挤压丝锥与普通切削丝锥截面比较由于挤压丝锥在加工过程中不会产生切屑，故不像切削丝锥那样开有较深的容屑槽，因此其强度与切削丝锥相比要大得多，能承受较大的切削力，所以用挤压丝锥来加工该零件的深孔螺纹是比较合适的。03挤压丝锥加工中碳钢深孔螺纹存在的问题虽然挤压丝锥有以上所述的诸多优点，但它也有加工的局限性。受加工方式所限，挤压丝锥只适用于加工强度较低、塑性较大的材料，如铜、铝合金、低碳钢及奥氏体不锈钢等，其加工材料性能局限在伸长率δ5≥7%、抗拉强度R

m≥1200MPa的范围内，因此在使用挤压丝锥时，首先应对工件材料进行评估，其次还要根据丝锥的直径和螺距，来确定工件材料是否适合进行挤压丝锥螺纹加工，因为挤压加工螺纹的直径和螺距越小，则可加工的材料范围越广，而大直径和大螺距的挤压丝锥只适合加工很软的材料。根据经验，被加工材料硬度和挤压丝锥之间的关系见表1。表1被加工材料硬度与挤压丝锥直径的关系该零件材料热处理后硬度达34～38HRC，需加工的螺纹直径为8mm，根据表1可知，该零件材料各项指标已接近或超过挤压丝锥的加工上限。因此，该零件若使用挤压丝锥加工螺纹也具有一定的难度，要想取得较好的加工效果，必须选择合理的切削工艺。04挤压丝锥攻螺纹前底孔直径的确定挤压丝锥攻螺纹前的底孔直径要求比较严格。普通丝锥是靠切削金属来形成螺纹，攻螺纹前的底孔直径一般就等于螺纹的小径，挤压丝锥在加工螺纹时不需切削金属，而是挤压金属，通过金属的塑性流动形成螺纹牙型，因此其底孔直径要大于螺纹小径。用挤压丝锥加工螺纹时，底孔直径的误差大小对攻螺纹过程和螺纹牙型有较大的影响。底孔直径过小会出现螺纹小径偏小、丝锥磨损加快甚至折断等问题，而底孔直径过大则导致螺纹小径偏大、牙型不完整，螺纹强度达不到设计要求，如图4所示。a）预钻孔直径太大b）预钻孔直径符合要求c）预钻孔直径太小图4底孔直径对挤压螺纹牙型的影响要想用挤压丝锥顺利地攻出合格的螺纹，就必须精确计算出攻螺纹前的底孔直径，攻螺纹前底孔直径的理论值可以用以下公式计算D＝d－0.68LP其中，

D

为攻螺纹前的底孔直径；d为丝锥的公称直径；L为螺纹的螺距；P为螺纹牙型百分比。式中P值等于螺纹牙型与理论全齿高之比，因为挤压成形的金属硬化作用，挤压成形的螺纹强度要比切削螺纹的强度高得多，挤压螺纹的牙型百分比达到60%即可满足使用要求，所以在通常情况下，P值取65%为标准值。常用直径螺纹在挤压攻螺纹时的底孔直径参考值见表2。表2常用直径螺纹挤压攻螺纹底孔直径参考值05攻螺纹速度选择挤压丝锥加工时一般采用与切削丝锥相同的攻螺纹速度，在加工较软材料和细牙螺纹（螺距1.25mm以下）时，可选择较高的攻螺纹速度；在加工大直径或螺距较大的螺纹时，由于攻螺纹的扭矩较大，可选择较慢的攻螺纹速度。受丝锥直径、螺纹螺距、被加工材料的性能、丝锥性能（涂层与否、有无润滑槽等）及切削液等方面因素影响，挤压丝锥的攻螺纹速度一般在500～1200r/min。考虑到该零件的材料性能指标已达挤压丝锥的加工上限，为了达到丝锥寿命与加工效率兼顾，在选择攻螺纹速度时，本着先低后高的原则，最终选择一个合适的攻螺纹速度。经过多次试验，加工该零件时，750r/min的攻螺纹速度比较合适。06切削液的选择挤压丝锥在加工时，金属受挤压而成形的过程对切削液的要求很高。切削液在挤压丝锥加工过程中起到减小扭矩、抗黏连、提高螺纹成形质量及带走热量等作用。常用的切削液有水溶性切削液和含硫化物的切削油等。该零件的螺纹孔均为盲孔加工，切削液在加工过程中的作用更加重要。经过实践，该零件挤压螺纹加工过程中，使用TiN涂层的挤压丝锥（带润滑油槽），配合5%～6%的乳化液取得了较好的效果。图5所示为加工出的螺纹。图5挤压好的螺纹效果07结语该零件深孔螺纹由原来的切削丝锥加工改为挤压丝锥加工，虽然材料为中碳钢，性能接近挤压丝锥的加工上限，但是通过改进