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摘要：高速加工和新型材料的发展,对传统丝锥工具提出了更高的要求,硬质合金丝锥产品也得到了更多的重视。但硬质合金的脆性大,承受扭力的特性差,因此需要对螺纹的截形及结构的设计和制造进行研究。本研究从实际工程应用出发,提出一种精微整体硬质合金挤压丝锥工具,介绍了其设计与分析过程,并结合应用案例进行验证。 关键词：硬质合金;挤压丝锥;内螺纹加工 1 引言[size=1em]挤压丝锥是一种带有尖端圆弧的多边形截面的新型内螺纹加工刀具,已广泛用于电子、军工、航空航天、机器人、塑料加工等行业中高精零件的螺孔加工。其加工原理是利用金属塑性变形特性,通过挤压作用加工出内螺纹[1-2]。这种方法适合加工铜合金、铝合金、钛合金、不锈钢和HRC 32及以下硬度的金属零件。和传统内螺纹加工方式相比,挤压丝锥具有显著的优势:一是采用高速钢或硬质合金材料制造的挤压丝锥具有高韧性和高可靠性;二是可以在丝锥上沉积多膜涂层,提高刀具耐磨性[3],延长刀具的使用寿命;三是挤压丝锥加工工艺可以实现无屑加工,解决加工深孔时的排屑问题和特殊领域不允许出现加工残屑的技术难题,提高了加工螺纹深孔时的工艺可靠性。 [size=1em]受加工能力限制,传统的小直径挤压丝锥一般采用高速钢制作。随着高速加工的快速发展以及新型材料的不断应用,在钛合金、高温合金、不锈钢、钴镍合金等材质的内螺纹的高精度、高速、高效加工中,由于国产的挤压丝锥在性能方面仍处于追赶态势,普遍需要使用进口的硬质合金小直径挤压丝锥,进口成本比较高,订货周期比较长,越来越成为行业的发展瓶颈。并且在国家政策的支持和国内外市场需求的推动下,高端装备行业总体规模不断扩大,为整体硬质合金小径挤压丝锥带来了巨大的市场需求和应用空间。因此,本研究从实际工程应用出发,提出了一种精微整体硬质合金挤压丝锥设计,并结合应用案例进行了验证。 2 精微整体硬质合金挤压丝锥结构[size=1em]精微硬质合金挤压丝锥通常为规格≤M4的挤压丝锥,其结构形式如图1所示。 [size=0.8em](a) 尺寸工程图 [size=0.8em](b) 实物图 [size=0.8em]图1 整体硬质合金挤压丝锥
[size=1em]针对高效、高速、高可靠性的精细小螺纹孔加工,需要使用具有更高硬度、更高耐磨性的材质来制造挤压丝锥。相较于高速钢,硬质合金的脆性大,承受扭力的特性更差,因此,在考量丝锥挤压加工扭力和保持高耐磨性能的前提下,需要对螺纹的截形及结构、设计和制造进行研究。 3 精微整体硬质合金挤压丝锥3.1 结构参数[size=1em]3.1.1 挤压丝锥的棱边数 [size=1em]丝锥的横截面形状为非圆的曲边棱形,其棱脊是加工的有效部位,也是丝锥设计、检测的重点部位[4]。棱边数N既影响每齿挤压厚度、挤压接触长度,又影响攻丝扭矩、单齿作用力和螺孔精度。一般来讲,棱边数较小时,丝锥的铲磨量大,丝锥与工件接触的弧长短,攻丝扭矩小,但单齿挤压厚度厚、作用力大,丝锥磨损较快,故小棱边数设计不适用于精微硬质合金挤压丝锥。棱边数大,则挤压时金属变形更平稳,单齿作用力小,螺孔在挤压成型后的收缩量小,丝锥的寿命更高;如果棱边数过大,丝锥与工件的接触面积随之增大,扭矩相应增大,且棱边数也受到铲磨量的限制。因此棱边数N存在一个最佳值。对于不同尺寸规格的挤压丝锥,要在保证丝锥的强度和耐用度最大、塑性变形中产生的扭矩最小、螺孔质量满足生产加工要求的条件下,选用不同的棱边数。 [size=1em]规格≤M4的挤压丝锥的棱边数一般设计为N=3。三棱边挤压丝锥在挤压螺孔时,塑性变形及扭矩值最小,但是其横截面的面积较小,强度较N≥4的挤压丝锥更低。而采用N≥4的结构形式时,挤压丝锥横截面的面积大、强度高,但是塑性变形和扭矩会大幅度增大,丝锥更容易扭断。 [size=1em]3.1.2 铲磨量与截形曲线 [size=1em]挤压丝锥非圆曲边棱形的横截面形状,是对螺纹三径进行铲磨时形成的,取决于铲磨量K以及所采用的曲线。所以在设计或制造挤压丝锥时,需根据不同的被加工材质以及加工状况,设计出相应的铲磨量K和丝锥截形曲线。 [size=1em]3.1.3 挤压丝锥的锥角 [size=1em]挤压丝锥的螺纹一般采用圆锥排列方式,即将螺纹三径均制成正锥形,使螺纹的齿顶具有适宜的宽度,挤入预制孔的孔壁。挤压丝锥的螺纹部位担负着整个螺孔的挤压成形工作,所以其选择十分重要。挤压丝锥螺纹的形状和几何参数,将影响丝锥的耐用度、螺孔质量和切削扭矩的数值。 3.2 基于应用案例的改进设计[size=1em]综合分析研究,对通用挤压丝锥截形轮廓进行了改进设计,挤压丝锥横截面外形的计算见图2。 [size=0.8em]图2 挤压丝锥横截面外形的计算示意
[size=1em]挤压丝锥横截面外形的曲线方程是由砂轮回转中心运动的包络线决定的,可通过砂轮和丝锥毛坯中心距离的变化规律求得,即 [size=1em]L=φ(ωm) [size=1em]式中,ωm为丝锥毛坯的旋转角。 [size=1em]丝锥毛坯的中心线与X1OY1固定坐标系的原点相重合,基于此坐标系,可以解析出丝锥任意一点或者某一特定点的坐标,从而得出丝锥横截面外形的参数方程,继而求出丝锥横截面外形曲线的实际方程,以得到塑性变形及扭矩值最小、横截面面积较大的合理曲线,并应用在改进的丝锥上。 [size=1em]在具体加工案例中,被加工材料为钴镍合金精密压铸件,其含钴量为76%,硬度为HV 280～330;工件底孔为直接烧结成型,不再进行刀具加工。产品需在内孔中加工M1.0和M1.2的内螺纹,内孔径偏差为0.02 mm,丝锥的攻丝难度大,加工寿命低,同时会因丝锥磨损引起被加工产品的小径变化、小径超差等问题。 [size=1em]因此,在设计环节,控制丝锥螺纹中径精度在0.005 mm以内,选用新型硬质合金生产丝锥,对丝锥的截形进行特殊设计,克服硬质合金材质韧性不足的缺陷,提高丝锥刚性,从而发挥硬质合金高硬度及高耐磨性的特性。 [size=1em]根据不同被加工材料的特征采取不同的丝锥截形(见图3),主要是针对截形轮廓的R,R1,r,B及K等参数以及所采用的曲线类型在XOY坐标系中进行设计,然后进行与xo′y坐标系的转化。在最终曲线确定后,还要考量动点A运动过程中所形成的夹角δ1及δ2在不同坐标系之间的转换,求得磨削加工过程中的干涉并将其消除,才能够得到真正的曲线仿真。
[size=1em]实际加工过程中,截形仿真设计的实现需要配合高精度全自动数控螺纹磨削中心以及自动数控螺纹测量仪,实现整个设计参数的控制及测量,其检测结果见图4。 [size=0.8em](a)丝锥截面曲线图 (b)丝锥截形仿真检测 [size=0.8em]图4 仿真检测
[size=1em]通过设计和检测的仿真分析与优化,实现了钴镍合金精密压铸件的高精度、高效率制造,同时丝锥寿命得到较大提升。 3.3 精微挤压丝锥校准螺纹的过渡区的改进设计[size=1em]如图5所示,在挤压锥与校准螺纹的过渡区中螺距的突变ΔP使这个过渡齿的受力变差,导致磨损严重,甚至折断,在高精度精微小直径硬质合金挤压丝锥中更为突出,使得小直径硬质合金挤压丝锥的应用受到了严峻的挑战。为精准计算以及彻底消除此螺距突变,采用补偿措施,以精确计算数据为补偿值,对应修整砂轮,使突变ΔP=0,改善丝锥的受力情况,延长丝锥的使用寿命,使得小直径硬质合金挤压丝锥得到广泛应用。
[size=1em]在△ADB与△AFG中有 [size=1em]tanα=p2/(H+Δh2)
tanα=p1/ (H-Δh1) [size=1em]可得 [size=1em]p1/(H-Δh1)=p2/(H+Δh2) [size=1em]在△EFG与△EDB中 [size=1em]Δh2=p2×tanκr
Δh1=p1×tanκr [size=1em]且p1+p2=P。 [size=1em]整理可得 [size=1em]tanκr×p12-(Ptanκr+H)×p1+PH/2=0
[size=1em]式中,H=[(1/tanα-tanκr2tanα)/2]×P。 [size=1em]可得 [size=1em]ΔP=P/2tanκrtan(α/2) 4 精微整体硬质合金挤压丝锥使用实验验证[size=1em]被加工零件:采用钴含量为76%的钴镍合金精密压铸件,压铸成型后直接烧结,硬度:280～330 HV,除了对M1.0及M1.2内螺纹进行攻丝,不进行任何机械加工。 [size=1em]加工难度:材料硬度高,同时螺纹底孔为压铸后烧结成型,孔径误差在0.02 mm左右,此偏差已经超出正常丝锥对预制底孔的要求,使得攻丝的难度大大提高,因而粉末冶金高速钢制造的丝锥的加工寿命在500孔以内,即损坏失效。 [size=1em]由于工件的螺纹预制孔,是压铸后直接烧结而成,孔径变化大,且是以孔径偏小为主,后序又不再加工,因此这是一个死命题,要解决只能在丝锥上进行改进。 [size=1em]解决方案:①控制丝锥螺纹是中径精度(0.005 mm以内);②选用硬质合金材质来制造丝锥;③对丝锥轮廓截形的进行改进,提高丝锥的截面强度和丝锥刚性;④消除丝锥的锥度与校准部分螺距突变ΔP,使得这个过渡齿的受力和损坏情况得到改善。 [size=1em]设计改进后丝锥使用结果,平均寿命达到32306孔/支,比高速钢丝锥提升寿命60倍以上。 5 结论[size=1em]通过优化结构和截形设计,精微整体硬质合金挤压丝锥在加工效率、刀具寿命以及加工质量方面表现出色,其实际应用案例充分证明了其优越的性能和经济效益。并且在多品牌手机、手表、平板电脑、笔记本、3C及军工电子等领域得到量产应用,有效降低了精微丝锥在加工过程中的摩擦阻力,从而提高了耐用度。 [size=1em]本研究所提出的改进设计使丝锥在加工较深的盲孔和通孔螺纹时,仍能实现高可靠性,减少了换刀次数,极大提高了客户的加工效率。目前,该精微整体硬质合金挤压丝锥年销售额已达上千万元,取得了良好的经济效益及社会效益,有力保证了相关领域自主可控的加工能力。 [size=1em]参考文献 [size=1em][1]薛锴,查国兵.现代切削刀具技术丛书:常用内螺纹加工刀具丝锥[M]．北京:中国标准出版社,2024． [size=1em][2]陈波,李艳军,董晨曦,等．30°楔形螺纹丝锥设计优化与改进[J].机械工程与自动化,2024(5):217-219． [size=1em][3]陈汪林,李喆,黄勇浩,等．螺纹丝锥表面处理研究进展[J]．表面技术,2023,52(10):124-140． [size=1em][4]李金乐,周磊,卞玲玲,等．切削参数和几何参数对内螺纹加工切削力的影响[J]．工具技术,2024,58(12):113-117．
Research and Application of Micro-precision Solid Hard Alloy Extrusion Tap[size=1em]Jiang Xiangrong [size=1em]Abstract：High speed machining and new material has raised higher requirements on tap tools, including more recognized hard alloy taps. However, the hard alloy is brittle and sensitive to torsion, requiring further focus on the design and manufacturing of the profile and the structure of the thread in the tap. In this study, a mico-precision solid hard alloy extrusion tap is proposed based on engineering applications. The design and analysis process is introduced. The tap is validated through practical cases. [size=1em]Keywords：hard alloy; extrusion tap; internal thread machining
[size=1em]收稿日期：2025年1月 [size=1em]中图分类号：TG62;TH162+.1 [size=1em]文献标志码：A [size=1em]DOI：10.3969/j.issn.1000-7008.2025.03.020 [size=1em]作者：蒋向荣,工程师,常州恒鼎工具制造有限公司,213181 江苏省常州市 [size=1em]Author：Jiang Xiangrong,Engineer,Changzhou Hengding Tools Manufacturing Co.Ltd.,Changzhou,Jiangsu 213181,China
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