消除对攻丝加工的畏难情绪
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了解丝锥的几何形状,并针对不同的工件材料选择合适的丝锥,有助于消除对攻丝加工的畏难情绪。许多丝锥问题都可以在开始攻丝加工之前得到解决。多了解一些有关丝锥设计的知识,有助于消除对攻丝加工的神秘感和畏难情绪。
了解丝锥的几何形状,并针对不同的工件材料选择合适的丝锥,有助于消除对攻丝加工的畏难情绪。
许多机械师都将攻丝加工视为畏途。原因大致如下:由于机床是由加工程序自动控制的,攻丝加工一旦开始,操作人员就只能袖手旁观。如果丝锥将要撞击孔底,那真是太糟了:编制的加工循环必须完成——攻丝加工时不允许进给暂停;如果编程时所选的进给率不合适,那运气太差了:进给率是无法调整的。当丝锥进入螺孔后,除了担惊受怕以外,还能做什么呢?
这正是攻丝加工会使数控机床操作者感到担忧的原因之一。这种担忧使操作者不得不采取许多预防措施,以确保丝锥能顺利完成切削内孔螺纹的工作。
其他一些因素也可能会引起对攻丝加工的担忧。一般来说,丝锥的进给率要比大部分其他切削刀具高得多。丝锥每旋转一周,就需要前进一个螺距。例如,一支5/16-18美标丝锥的攻丝进给率为1/18=0.055ipr(1.4mm/r),而一支直径0.257″(6.5mm)钻头的钻孔进给率可能仅为0.005ipr(0.13mm/r)。
为了“感到”能更好地控制加工,不得不以较慢转速进行攻丝的情况比比皆是。为了有效降低丝锥在螺孔中的进给率,降低主轴转速是唯一可行的方法。一支5/16-18丝锥以900r/min的主轴转速攻丝时,进给率为50ipm(1270mm/min),但如果将主轴转速降低到720r/min,则其进给率仅为40ipm(1016mm/min)。

了解丝锥的几何形状

然而,尽管攻丝加工可能非常棘手,但却并非无法理解。通过了解丝锥的几何形状,以及什么样的丝锥最适合特定的加工任务,就可以简化和减少攻丝时出现的问题。
例如,减小切屑负荷可以防止丝锥过快磨损。切屑负荷定义为刀具任一切削刃上所承受的负荷,通常可以通过改变进给率来加以控制。如前所述,在攻丝加工时不可能改变进给率,但可以通过选择丝锥来改变切屑负荷。
一种解决方法或许是使用具有更多容屑槽的丝锥。丝锥每增加一个容屑槽,就会增加一个切削面。随着切削面的增加,每个刀齿的切削负荷就会减小。例如,一支4槽丝锥的每齿切屑负荷就只有2槽丝锥切屑负荷的1/2。但是,这可能会误导对金属切削加工的标准建议,即“总是采用最多数量的刀槽”。而对于丝锥来说,这一建议可能并不正确。
肯纳公司的孔加工专家David Miskinis指出,“更多的刀槽意味着攻丝时为切屑留出的空间更少。在相同直径的圆周上设置更多的刀槽,意味着刀槽的宽度和深度都更小。而容屑空间越小,切屑密集挤压的风险就越大,从而可能会导致丝锥折断。”
因此,当增加容屑槽数量可能并非理想选项时,选择不同的切削锥长度可能是一种可行的解决方案。
钴领(Guhring)公司总裁Peter Haenle博士指出,“一般来说,较长的切削锥长度意味着刀具寿命也较长。在攻丝过程中,由于切削负荷分布在较长的切削刃上,因此其承受的切屑负荷也较小。”
有三种常见的丝锥切削锥长度:初锥的切削锥长度为7-10扣螺纹;中锥的切削锥长度为3-5扣螺纹;底锥的切削锥长度为1-2扣螺纹。为了提供更多选择,丝锥制造商还增加了一些规格,包括2-3扣螺纹的切削锥长度(有时也被称为半底锥)。
增大切削锥长度可使切屑负荷分布在更长的切削面上。实际上,有更多的刀齿在同时切削螺纹,类似于用一把单点螺纹刀具多次走刀切削。
Miskinis解释说,“切削锥长度对丝锥寿命有很大的影响,因为它们会影响切屑负荷。对4扣螺纹或更短的切削锥长度进行比较可知,切削锥长度每增加半扣螺纹,丝锥寿命就会提高一倍。”
显然,增大丝锥的切削锥长度是可取的。切削锥长度越短(如底锥),丝锥磨损就越快。因此,如果可能的话,应尽量避免采用较短的切削锥长度。遗憾的是,机械师们并不总是可以自由选择。
Haenle说,“切削锥长度较短的丝锥通常用于最大限度地缩小孔深与螺纹长度之间的差异。很多时候,零件的设计要求迫使人们不得不使用切削锥长度较短的丝锥。”
更有效攻丝的另一种方法是控制切屑厚度。例如,在攻丝时,切屑有可能过分变薄。使用初锥攻丝时,可能会产生带状切屑,并有可能形成鸟巢状切屑团,从而阻碍润滑剂到达丝锥切削部,并使切屑无法顺利排出。正如在其他类型的切削加工中一样,增大切屑负荷可能有助于断屑。
丝锥折断是使机械师们担惊受怕的另一个问题。在攻丝时,突然反转并不会造成丝锥折断,切屑堵塞容屑槽才会导致丝锥折断。在某些情况下,这意味着切屑紧密挤压在容屑槽中,使新产生的切屑“走投无路”,从而导致丝锥在重压下折断。

解决容屑槽堵塞问题

即使切屑在容屑槽中的堆积程度还不至于导致丝锥折断,但容屑槽堵塞也会使润滑剂难以到达刀具/工件接触界面,而且,切屑与丝锥的摩擦会产生过多的热量。切屑流是成功完成攻丝加工的关键组成部分。切屑流动方向取决于被攻丝孔是通孔还是盲孔。用螺旋槽丝锥加工盲孔时,螺旋角引导切屑向上流动,排出孔外。
丝锥的螺旋槽可分为“慢速”螺旋槽(螺旋角为15°-30°)或“快速”螺旋槽(螺旋角为40°-60°)。较快螺旋槽的几何形状可实现更自由的切削,而较慢螺旋槽的切削刃强度更高。通常,“快速”螺旋槽丝锥用于加工硬度不太高或会产生带状切屑的工件材料,而“慢速”螺旋槽丝锥用于加工会形成短切屑或硬度较高的工件材料。
加工通孔时,螺尖丝锥将切屑向前推出孔外。实际上,螺尖本身是一个只在锥尖部位磨制出的左螺旋槽,它会形成向下的切屑流。在其他方面,螺尖丝锥看起来与直槽手用丝锥差不多。
由于螺尖丝锥的刀槽实际上并不需要起排屑作用,而是用于引入润滑剂,可以采用较浅的槽深。因此,螺尖丝锥的芯径更大、强度更高。这也意味着,螺尖丝锥可以通过增加刀槽数量而受益,而不会受到切屑阻塞问题的困扰。

合理选择丝锥

由于攻丝是一种比较复杂的加工,而且有种类如此之多的丝锥可供选择,因此,合理选择丝锥似乎是一项相当艰巨的任务。丝锥种类如此之多的主要原因是有种类如此繁多的工件材料。丝锥制造商主要通过前角和铲背的设计,来为加工不同的工件材料定制丝锥。
丝锥的切削面是指刀槽上位于螺纹的大径与小径之间、用于切削(或剪切)工件的那一部分。前角则是指切削面与从丝锥中心到螺纹大径处切削面的连线所构成的角度。
如果丝锥切削刃的牙顶角在切削面其余部分的前面,前角就是正的。虽然正前角丝锥的强度不如负前角丝锥好,但它却具有极好的剪切性能。
负前角丝锥的切削面牙顶角位于切削面其余部分的后面。虽然与正前角丝锥相比,这种几何形状强度更好,但它在攻丝时也需要更大的扭矩,并会产生更多的切削热。
切削面的形状也是决定丝锥切削性能的因素之一。切削面既可以是平直表面,也可以采用曲面。欧士机公司(OSG Tap & Die Inc.)设计与营销经理Andrew Strauchen说,“采用平直切削面可以提高丝锥强度,而采用曲面切削刃可以提高剪切性能。对于高性能丝锥而言,切削角(前角)的选择取决于将要加工的工件材料:材料较软时可选用较大的前角;材料较硬时则选用较小的前角。”
丝锥铲背是指从切削刃的后面铲磨去除一部分金属材料。铲背量越大,丝锥与工件之间的余隙就越大。丝锥铲背主要有三种类型:无铲背、全宽铲背和部分铲背。
无铲背(也称为同心铲背)是指丝锥的刃背(丝锥制备出容屑槽后剩余的螺纹部分)与被加工螺纹同心,即实际上没有进行铲背,因此在攻丝时,丝锥表面会与被加工螺纹表面发生磨擦。
手用丝锥通常无需铲背,因为它们用于手动攻丝,切削速度低,产生的摩擦和发热不会对刀具寿命造成太大影响。由于刃背与螺纹同心,因此攻丝时,丝锥上的螺纹有助于引导刀具切入工件上的被加工螺纹。
全宽铲背(也称为偏心铲背)意味着将丝锥刃背铲磨成一条高度从切削刃处逐渐向后降低、与刀体不同心的弧线。这种铲背方式可在丝锥与被加工螺纹之间提供最佳余隙。由于刀具不会磨擦工件材料,因此可使摩擦和发热降减至最小。
部分铲背是其他两种铲背类型的混合形式,其刃背高度从距离切削刃一定宽度处逐渐向后降低,刃背的一小部分仍然与引导刃保持同心,而其余铲背部分则处于偏心状态。这种铲背方式可在全宽铲背的减小摩擦与同心铲背的引导刀具之间获得一种平衡。
同心铲背和部分铲背丝锥在进入和退出螺孔时会磨擦工件材料(部分铲背丝锥程度较轻),从而引起摩擦和发热,而热量会缩短刀具寿命。因此,高档丝锥大多采用全宽铲背。Haenle解释说,“铲背量越大,丝锥与工件的摩擦就越小。因此,较大的铲背能够减小刀具磨损,延长刀具寿命。不过,较小的铲背有利于在轴向上更好地引导刀具,因为它能减小丝锥的径向切削倾向。”
高档丝锥并不一定适用于所有加工机床。攻制螺纹时,高档丝锥对自身的引导作用较差。因此,采用全宽铲背的高档丝锥要求机床的进给机构具有更高的精度。Haenle说,“在新型CNC数控机床上,你可以使用铲背后角较大的丝锥。而使用老式机床或刚性较差、配备标准攻丝夹头的钻床加工时,较小的铲背后角有利于更好地引导丝锥攻丝。”
丝锥制造商很清楚,必须在丝锥切削刃的强度与其剪切性能之间保持均衡。Strauchen说,“对于高性能丝锥而言,前角的大小取决于被加工材料的硬度。加工较软的材料时,可采用较大的前角;当工件材料较硬时,则应采用较小的前角。确定丝锥的前角和后角需要综合权衡。增大前角和后角能形成锋利的切削刃和自由切削面,但会降低丝锥强度。反之,减小前角和后角可以提高切削刃强度,但会降低丝锥的剪切性能,产生更大的摩擦力。”
为了针对特定的加工开发合适的刀具几何形状,丝锥的设计可能相当复杂。OSG公司设计了用于垂直攻丝的Hypro VXL丝锥和用于水平攻丝的Hypro HXL丝锥。Strauchen解释说,“VXL丝锥采用了大前角加大螺旋角的设计,以形成较长的切屑,这对于深孔垂直攻丝的顺利排屑必不可少。利用独具特色的排屑槽型,能够形成紧密缠裹的切屑,这种切屑在丝锥和夹头退出螺孔时极易脱离刀具。”
可以利用重力优势的水平攻丝需要采用与垂直攻丝不同的丝锥几何形状。他说,“我们减小了丝锥的前角和螺旋角,以形成易断的短切屑,从而提高了水平攻丝的排屑性能。这种丝锥设计不仅可以消除鸟巢状切屑团,还能延长刀具寿命。”
与其他一些切削加工相比,攻丝加工的进给率更高,加工失败的后果也更严重,是一种高风险加工。减小这种风险的方法之一是,在开始攻丝之前,利用仿真软件来模拟加工过程,以甄别并纠正潜在的问题。例如,CGTech公司的Vericut 6.2仿真软件新增了对攻丝加工的模拟和分析功能。经过攻丝加工的螺孔与其他经过钻削、镗削和铰削加工的孔有着直观的区别。Vericut软件可以检查所用的进给率和攻丝方向是否正确,还能确定攻制的螺孔是否太小。
机械师还可以利用Vericut的X-Caliper检测功能来测量厚度、体积、深度、间隙、距离、角度、孔径、圆角半径和圆弧高度等。Vericut可以直接测量盲孔深度、阶梯孔尺寸、圆锥体的顶部和底部半径。此外,X-Caliper还可以测量刀具与工件之间的距离,并显示攻丝后螺孔的螺纹特征(如每英寸长度内的螺纹牙数)。
许多丝锥问题都可以在开始攻丝加工之前得到解决。多了解一些有关丝锥设计的知识,有助于消除对攻丝加工的神秘感和畏难情绪。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》
上载于:2013-12-2 20:04:03

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