高速同步攻丝的加工应用

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　导语　　因为切削刀具在加工过程中会产生很高温度，降低了刀具的使用寿命，因此实际的切削速度较低，各种刀具材料需要将高切削性能和高寿命综合起来，高速钢和硬质合金是最常见的。
. R% V; E1 `! I1 o1 ]　　高速钢具有非常好的强度和韧性，但是其耐高温性能一般。钨基硬质合金通常比高速钢受欢迎，因为其具有更高的硬度及其在高切削温度下仍能保持其硬度的性能。
) }2 v( d% t( J9 W+ I　　特别指出的是，硬质合金切削刀具的切削速度至少可以比高速钢刀具高4倍以上，并且具有更长的刀具寿命。但是，与高速钢相比，硬质合金的断裂韧性较低，从而限制了其在一些加工中的应用，特别是攻丝。
$ \4 M0 Z( R: }# F- u6 @! }- ^& P　　与大多数用于车削、铣削及钻削刀具不同的是，攻丝固有的加工方式决定了它的切削刃和横截面相对较弱。切削刃容易崩落或者破裂，使刀具失效，甚至在加工如同钢这样的相对易加工的材料，也会出现这样的情况。
, k" T& ~0 A4 d8 }) g1 u　　在低碳钢加工中，长条的连续型切屑会堵塞丝锥的排屑槽，限制了硬质合金丝锥只能去加工那些比钢容易加工的材料，如铝和铸铁。
6 j2 f9 V4 z& U( d% l3 v. C0 w　　钢和其它黑色金属材料是螺纹连接件的最常用的材料，这也意味着硬质合金刀具如果能解决崩刃和破裂问题的话，其将会比高速钢具有更多潜在的优势。
0 s( }; Y- W9 i+ G7 \　　刚性攻丝
5 V2 X- A" }' y5 p　　内螺纹的精度决定了螺纹本身的准确性及螺纹配合的精度。
　　加工螺纹孔时，通常丝锥是由钻床来驱动，或者将丝锥放到带有浮动攻丝夹头的机床上，使丝锥转动，并且其进给量近似等于内螺纹螺距理论值。
$ S+ _1 b& z" O　　在以前柔性攻丝的设备中，进给量只是一个近似值，加工后的螺纹螺距是由丝锥的螺距决定的，但在机床的进给和丝锥的螺距之间存在的那么一点误差是由浮动攻丝夹头来进行调节，从而得到协调的。浮动攻丝夹头的轴向具有一定的伸缩量，只要机床的进给和丝锥的螺距之间所累积的误差不超过这个伸缩量，加工就可以正常进行而不会造成乱扣(或称“烂牙”)。
　　另外，攻丝夹头允许丝锥在攻丝过程中，在径向上有一定的跳动，从而降低了螺纹加工的精确性。 这些条件会导致刚性极低和攻丝载荷不均匀。
　　而众所周知，硬质合金刀具的成功使用通常需要高的机床刚性和均匀的进给。数控刀具的材料发展从高速钢到如硬质合金这样的硬度更高的材料，加工速度可以得到提高，但以避免的是脆性也增高了。科学技术的发展还没有使我们能够经济第得到能兼顾高硬度和高韧性的刀具材料，因此我们必须考虑如何保持刀具的刚性以及如何进给控制，以避免高脆性的刀具材料在加工过程中非正常地损坏。
　　对大多数加工方式而言，这些对于使用硬质合金刀具材料都已不是主要问题，但对攻丝来说，这却是一个必须要考虑的问题。
　　现在的数控机床控制技术早已经发展到可以保持主轴旋转和进给同步，从而就不需要浮动攻丝夹头了。而在过去的数控机床控制中，机床达到稳定转速时两者的同步是可以做到的，但在起步和停止阶段却不能够做到同步——乱扣往往就在这个时候发生了。
" ]9 M# ?- P! f# m* n/ V　　另外，夹持其它旋转刀柄的刀具时，如具有精密柄部的硬质合金钻头和立铣刀，其技术已经发展到这样的夹头：可以先将其加热膨胀，然后使之冷缩，从而能与刀具的柄部紧紧地配合在一起而传递足够的扭矩。还有一种是利用液压来夹紧刀具柄部的夹头，它能够传递的扭矩也很大。
" b8 ~+ \+ a; p) P$ z6 s+ U　　使用热涨和液压夹头的另外一个好处，是它们在夹持刀具时，相比攻丝头来说只有非常少的径向跳动：例如，夹头在旋转时的同心度可以在3µm或者更小，这些方法也可以用来夹持圆柱形柄部，并具有更高的夹持力和刚性。
　　具有高夹紧力的强力TGHP精密夹头尽管没有像热涨和液压的夹头一样的精度，但在攻丝加工中有效地应用。
　　这样一些使用条件的创立，使硬质合金丝锥在加工是具备了较小径向跳动量和更高的刚性，从而产生了以远超过高速钢丝锥的切削速度加工螺纹的可能性。
1 v1 ]* p: L1 g! p5 D- Y; t　　但由于目前的丝锥都是与柔性攻丝头一起使用的，表述跳动量的尺寸并不需要限制在严格的公差范围内。例如，螺纹直径为0.5英寸(12.7mm)的高速钢丝锥，其钻柄的偏心量的工业标准可以达到20µ(0.0008英寸)。
　　另外，我们也没有必要对螺纹直径和切削锥与丝锥柄部的同轴度进行过严的控制。
' U. t0 [4 X6 Z7 Y- K' f8 R4 v　　整体硬质合金丝锥放大
$ ~, t& C9 A1 Y0 n( q( F　　新型高性能硬质合金丝锥设计
. M, U" }4 U# F# c; w　　为了充分发挥硬质合金的长处，一种新的丝锥充分发挥了刚性攻丝机床和高精度刀具夹头的优势。
/ ]% ]: n) |5 D+ d5 D" @　　和精密钻头和端铣刀一样，丝锥的柄部也是完全圆柱形的，但跟目前高速钢丝锥不一样的是其钻柄直径为通用尺寸。
: g+ q1 Q0 q# ~6 f1 P　　例如，新的统一制螺纹UNF1/4-20硬质合金丝锥的柄部直径为0.25英寸(6.35mm)，和常用来加工UNF1/4-20的高精度硬质合金0.201英寸(5.1mm)的螺孔钻的柄部直径是一样的。
　　为了能充分使用热配合、液压或精密夹头，柄部的直径偏差保持在德国工业标准7160的h6.
# B! Z! h( A& _/ c% L; v　　例如，一个0.5英寸(12.7mm)的柄部的直径公差是-0.0110mm(-0.000040in.)，圆度在3µm(0.00012inch.)之内。
! |" t) K5 q/ h$ C6 a; s　　方头不是必须的，因为当柄部直径在规定公差内时，这些夹头具有足够夹紧力以满足攻丝需要。
$ w/ @  S% l1 W, r) E# w　　进一步讲，这种新丝锥的螺纹部分和切削锥对柄部的同轴度在10µm内。运用高精度的夹头可以创造一个完全刚性的工艺系统并且降低丝锥的跳动量，符合了硬质合金丝锥成功使用的两个条件：刚性和均匀的载荷。
　　与良好的刚性和对中性一起，一种最新开发的具有优异特性的硬质合金晶粒，丝锥几何参数以及PVD涂层大大提高了攻丝速度和使用寿命!
　　就肯纳金属而言，两种材质的硬质合金可以用于攻丝。其中KC7542是专门为加工钢和铸铁的新型丝锥设计的，其在高强度的硬质合金基体上涂敷了一种新开发的纳米TiAlN涂层，这种新的丝锥保证了切削刃的强度和抗磨损能力。而KC7512则被用来加工铝和其他有色金属，该材质由抗磨损的硬质合金基体和两层涂层组成，其中TiN是基体上的涂层，CrC/C(碳化铬)是表层的涂层。在加工有色金属时，最外层的涂层具有很小的摩擦系数，从而可以防止鳞刺以及积屑瘤。
* j' g8 L4 p# I　　硬质合金丝锥在刚性攻丝中的性能
/ F, f1 H+ i  K8 Z7 U8 D% w7 G　　在机床、攻丝夹头和刀具设计技术的进步，合理设计的硬质合金丝锥不仅用于“短切屑”的材料如铝和铸铁，现在也开始首次运用于“长切屑”材料，包括碳钢、合金钢和工具钢。
　　在“短切屑”材料中球墨铸铁、可锻铸铁和灰口铸铁。这些硬质合金丝锥可以成功的加工上述有所金属材料在规定的速度范围内。切削速度可以达到高性能的高速钢涂层丝锥的4倍，从而在本质上提高了生产效率。
　　值得注意的是在加工盲孔的时候，不是所有的数控机床都能实现刚性攻丝。因为丝锥和主轴在到达孔的底部时都必须减速，在反转的过程中就可能会出现螺距误差，在丝锥上会产生推力并使攻丝的尺寸变大。加工盲孔时在减速的过程中，丝锥却仍然在工件中，丝锥反转并且重新加速，丝锥的速度必须降低到上表列出的推荐加工速度的40%。
　　当丝锥主轴旋转时，并不是所有的数控机床都可以看作同步或刚性的，使进给量等于螺距，但是大量具有补偿作用的丝锥夹头已应用于刚性攻丝加工中。这些夹头允许有轻微的轴向移动来补偿误差。
" k- ]* J+ |4 @; q. m6 F　　“亚刚性”丝锥的夹头允许一定微量的轴向移动但其具有很高的旋转刚度，能与硬质合金丝锥达到较好的效果。因为他们在两年前就已投入市场，这些丝锥已经得到了广泛的测试。制造商们已经转变他们的攻丝加工过程来发挥新硬质合金丝锥的优点。切削技术网站认为，由于丝锥的螺距总是会存在一些制造误差，机床的轴向进给亦不会完全与之相同，这两者的误差会使丝锥牙型的一侧承受比另一侧更大的载荷，从而加快丝锥的磨损。因此，采用带有微量补偿(例如±0.2mm)能有效地解决这一问题，这对于脆性相对较大的硬质合金丝锥意义更大。
2 u4 s& r. C) a$ l" b: N- |　　例如，一个自动化部件供应商用KC7542丝锥加工A536球墨铸铁时，可以把攻丝速度从110英尺每分钟(33m/min)上升到400英尺每分钟(122m/min)，从而使攻丝周期下降了65%。丝锥的寿命也提高到了40,000个孔(是粉末冶金高速钢丝锥的4倍)，考虑加工机床和刀具成本时整个攻丝的费用下降了66%。
　　另外一家制造商发现新式的KC7512硬质合金丝锥在加工硅铝合金制动元件时，其速度可以达到310英尺每分钟(94.5m/min)，并且可以提高丝锥的寿命超过3倍，达到300,000个孔。在这个案例中，制造商的攻丝费用降低了49%。
( i& w) x: h' b　　结论
　　随着机床、控制技术、丝锥夹头、硬质合金丝锥材质水平的发展，丝锥的设计对象范围已经超过了传统可以加工的材料，不仅包括铝和铸铁，也首次包括了碳钢和合金钢。新的硬质合金丝锥具有圆柱形的柄部和高精度的公差，其可以用于热装配合、液压或者ER,或者更高精度的TGHP夹具(具有高夹紧力)，在可以进行刚性或者同步攻丝的数控机床上。
　　当这个加工系统与先进的攻丝设计相结合起来的时候，这些硬质合金丝锥可以可靠的用于钢加工中，并且其速度可以超过所谓高速钢能达到的5～6倍，同时有5倍的刀具寿命。这种进步会大大提高攻丝的生产效率。