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挤压丝锥中碳钢深孔螺纹加工技术

作者:JZ Editor     时间:2020-11-30 15:52     已有 人浏览
 
    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。
 
1.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≥1 080MPa,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。
挤压丝锥加工图纸
 
    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。
 
2.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。
 
工艺改进思路
 
    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。
 
3.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Rm≥1 200MPa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。
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。
 

被加工材料硬度与挤压丝锥直径的关系
被加工材料的硬度 所适用挤压丝锥的直径
16HRC以下 各类挤压丝锥都适用
17HRC-23HRC ≤25mm的挤压丝锥
24HRC-35HRC ≤7.5mm的挤压丝锥
36HRC-40HRC 7.5mm以下的小直径细牙螺纹丝锥

 
4.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。
挤压丝锥加工过程
 
   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。
   公式中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。

常用直径螺纹挤压攻螺纹底孔参考值
挤压丝锥公称直径/mm 螺距/mm 底孔直径参考值/mm
2 0.4 1.8
3 0.5 2.8
4 0.7 3.7
5 0.8 4.6
6 1.0 5.6
8 1.25 7.4
10 1.5 9.3
 
 
 
5.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500~1 200r/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。
 
6.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。
 
    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,但是通过改进加工工艺,合理选择攻螺纹底孔直径、攻螺纹速度和切削液等,圆满地完成了该零件深孔螺纹的加工任务,在保证产品质量的前提下,降低了加工成本,提高了加工效率,使得产品能够按时交付。挤压丝锥螺纹加工工艺在该零件上的成功应用,为今后这项技术在其他零件的螺纹加工中应用打开了新局面。
 

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