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1、用于超高强度低合金钢攻丝刀具结构的研究摘要 本文重点叙述了普通标准丝锥攻丝低合金超高强度钢材料的困难性和存在的问题，并且针对该种金属材料的切削加工特性，对丝锥材料的选择进行了探讨，选择硬度很高，也有拥有一定韧性的功能梯度硬质合金作为丝锥材料。对标准丝锥在加工低合金超高强度钢上存在的加工弊端，对丝锥结构形式在理论上进行了改进设计，并提出了攻丝加工的工艺参数和相应措施。关键词：低合金超高强度钢，硬质合金，螺旋槽丝锥目录1 前言.12低合金超高强度钢的介绍22.1低合金超高强度钢的概念和使用.22.2低合金超高强度钢的切削性能.23 丝锥材料的选择.33.1丝锥材料的要求.33.2丝锥材料的发展和简

2、要对比.33.3改进丝锥材料的选用.54 标准丝锥结构及其存在的问题.64.1切削量大.64.2切削锥短.64.3锥心直径小.64.4标准丝锥的切削参数不适合低合金超高强度刚切削加工.65 丝锥的改进设计.75.1 成组丝锥的设计.75.2丝锥整体结构的设计.86 结论与总结.147 参考文献.151 前言 机器的制造单元是零件，零件通过一定形式连接组成机器。而零件之间连接形式之一为螺纹连接，因此，螺纹往往是零件上最常见的结构之一。其中内螺纹的形成一般是通过攻丝加工来完成，因此螺纹加工在机器中占有重要地位。据统计现代机器中60%以上的零部件都有螺纹加工。机械加工中各种孔的加工的工作量约占总工作

3、量的30%，而攻丝的加工工作量占孔加工工作量的14%。所以加工内螺纹在机械制造中占有相当大的比重，加工内螺纹的方法通常是用丝锥对孔进行攻丝。 在一个机械零件上加工小径内螺纹包括两个步骤：钻底孔和攻螺纹，所以用于加工螺纹的工具也包括两类，第一就是钻头，第二就是丝锥。而在机械加工工艺中，中小螺纹孔的攻丝加工一直是速度最慢，效率最低的工艺之一，并且不能很好的保证加工精度。随着加工中心的出现，尤其是高速切削技术的迅猛发展，数字化的的高速车、铣、钻孔等的加工效率大幅度提高，而攻丝加工的方式和技术没有突破，攻丝加工成为了机械加工中的瓶颈，提高攻丝加工的效率和精度，改进攻丝加工的方式成为机械加工目前研究的重

4、要问题，各国的专家们及刀具厂商的技术人员都在不断探索，试图研究出一些新的技术、刀具和机床，实现高速攻丝。目前，高速攻丝领域的研究主要集中在两个方面：一方面是针对丝锥及其附件的研究，主要研究丝锥的结构改进，制造丝锥所使用的材料与改进与创新，丝锥附件的改进与创新；另一方面是研究攻丝设备的改进与创新，其中包括攻丝所需的能量提供方式的改进与创新。本文主要从丝锥的材料和结构方面进行研究。 超高强度低合金钢的机加工比较困难，强度和硬度都很高，并且具有良好的塑性和韧性，这些对有屑加工十分不利，特别是螺纹孔攻丝十分困难。在不能改变该种金属材料加工性能的情况下，本文主要对丝锥材料的选择、多种丝锥结构做了研究，同

5、时也对底孔钻头的选择进行了一定的探讨，并进行了一定的改进，设计出理论上较合理的攻丝刀具，希望能够顺利完成对低合金超高强度钢材料的攻丝。2 低合金超高强度钢的介绍2.1低合金超高强度钢的概念和使用 高强度钢，是指那些在强度和韧性方面结合很好的钢种。其抗拉强度1200MPa时，叫高强度钢；其抗拉强度1500MPa时，称为超高强度钢。超高强度钢，视其合金含量的多少，可分为低合金超高强度钢（合金含量不大于6%）、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。高强度钢和超高强度钢的原始强度和硬度并不高，但是经过调质处理后可获得较高的强度，硬度在HRC3055之间。钢的抗拉强度与硬度之间存在一定的关系。一般来说，硬

6、度提高强度也随之增高。所谓高强度钢和超高强度钢，是指综合性能而言的。淬火钢的硬度虽然很高，但不能称为高强度钢和超高强度钢，其原因是它的综合性能不好，几乎没有塑性，韧性也很差，只能做耐磨零件和工具。 20世纪40年代中期，美国用AISI4340结构钢通过降低回火温度，使钢的抗拉强度达到16001900MPa。50年代以后，相继研制成功多种低合金和中合金超高强度钢，如300M、D6AC和H-11钢等。60年代研制成功马氏体时效钢，逐步形成18Ni马氏体时效钢系列，70年代中期，美国研制成功高纯度HP310钢，抗拉强度达到2200MPa。法国研制的35NCDl6钢，抗拉强度大于1850MPa，而断裂

7、韧度和抗应力腐蚀性能都有明显的改进。80年代初，美国研制成功AFl410二次硬化型超高强度钢，在抗拉强度为1860MPa时，钢的断裂韧度达到160 MPa以上，AFl410钢是目前航空和航天工业部门正在推广应用的一种新材料。随着机械工业的发展，对机器和零件的性能要求越来越高，高强钢的使用更加普遍，零件在制造过程中的加工难度日益凸显。而超高强度钢主要用于航空机械中，成功地用于制作飞机起落架、固体燃料火箭发动机壳体和浓缩铀离心机简体等。目前超高强度钢已形成不同强度级别系列，在国防工业和经济建设中发挥着重要的作用。2.2低合金超高强度钢的切削性能2.2.1刀具易磨损、耐用度低 超高强度钢，调质后的硬

8、度一般在HRC50左右，而且抗拉强度很高，韧性也好。在切削过程中，刀具与切屑的接触长度小，切削区的应力和热量集中，易造成前刀面月牙洼磨损，增加后刀面的磨损，导致刃口崩缺或烧伤，刀具的耐用度低。2.2.2切削力大 高强度钢和超高强度钢的剪切强度高，变形困难，切削力在同等的切削条件下，比切削45号钢的单位切削力大1.171.49倍。2.2.3切削温度高 这两种钢的导热性差，切削时切屑集中于刃口附近很小的接触面内，使切削温度增高。2.2.4断屑困难 由于高强度钢和超高强度钢具有良好的塑性和韧性，所以切削时切屑不易拳曲和折断。切屑常缠绕在工件和刀具上，影响切削的顺利进行。3 丝锥材料的选择3.1丝锥材

9、料的要求 标准丝锥材料一般是碳素工具钢或合金工具钢，虽然淬火硬度较高，但红硬性差、磨损快、丝锥易折断，作为丝锥材料不适合高强度、高硬度、高韧性金属材料的切削加工。 根据低合金超高强度刚加工特性，要求钻头材料必须具有以下特点： （1）足够的硬度。低合金超高强度钢的硬度极高，热处理后可达52HRC，而丝锥的硬度必须大于低合金超高强度钢的硬度。 （2）足够的强度和韧性。由于丝锥在加工低合金超高强度钢时承受很大的扭转力和切削力，因此，必须有足够的强度和韧性。 （3）足够的耐磨性。由于钛合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抵抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。3.2丝锥材料的发展和简要

10、对比 切削热是刀具的大敌。但不幸的是，在刀具/工件界面处，刀具往往需要承受足以缩短刀具寿命和限制刀具性能的切削高温。为了解决这一问题，人们开发了各种各样的刀具材料，其中最常用的是高速钢和硬质合金。高速钢刀具具有十分出色的强度和韧性，而硬质合金刀具则以较高的硬度和红硬性(在切削高温下保持硬度的能力)而更胜一筹。 在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着重要作用，硬质合金的性能不断改进，应用面不断扩大，成为切削加工的主要刀具材料，对推动切削效率的提高起到了重要作用。 首先，细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发显著提高了硬质合金的强度和韧性，其次，硬质合金加压烧结等新工艺的开发和应用，提高了硬质合金的内在

11、质量，针对不同加工需求开发专用牌号的做法进一步提高了硬质合金的使用性能。开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金，作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料，提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。 随着机械工业的发展，一些机械零件要求硬度高、热稳定性好、抗腐蚀性能强的材料做螺纹工件，这些材料通常是不锈钢、高温合金、钛合金等难加工材料，然而高速钢丝锥在很多情况下无法满足要求，另一方面，普通丝锥通常只有在加工短孔（螺孔长度L1.5D）和切削易于碎断的情况下才能得到满意的效果，而在韧性材料上加工深的盲孔时，由于切削不易碎断，且难以从容屑槽中排出，因而会产生严重切屑堵塞现象，排屑困难，使

12、丝锥在切削过程中切削扭矩增大，丝锥磨损严重，甚至导致崩刃，因此出现了切削性能更高的硬质合金丝锥和高速钢涂层丝锥。而高速钢涂层丝锥有一个致命的弱点，那就是由于刀具涂层与基体的膨胀系数不同，切削中可能导致涂层剥落，这将直接引起整个刀具的失效。 肯纳金属公司是一家全球领先的工具供应商，主要研究和开发韧性和耐磨性更好的硬质合金材料。由文献中知道，该公司收集了一些有关新型硬质合金丝锥的加工数据。例如，在一次切削试验中，用M121.75的丝锥对4340钢(硬度为32HRC)工件进行通孔攻丝。TiN涂层高速钢丝锥以50sfm的常规攻丝速度通常可以加工1500个孔；如将攻丝速度提高到300sfm，则只能加工1

13、58个孔。而在该试验中，硬质合金丝锥以300sfm的攻丝速度加工1700个孔后，丝锥几乎没有磨损。在另一次加工4340钢的切削试验中，高速钢丝锥以50sfm的攻丝速度加工1300个孔后失效；而M61的硬质合金丝锥则可以300sfm的攻丝速度加工超过6000个孔。表3.1 刀具改进前后性能对比 另一家制造商发现，硬质合金丝锥可以300sfm的攻丝速度加工A-36钢件，从而可将加工时间缩短到30秒钟加工4个3/8-16的孔。此外，一支硬质合金丝锥可以完成通常需要3-4支高速钢丝锥才能完成的加工任务。3.3改进丝锥材料的选用 对于强度、硬度很高，又有一定塑性和韧性的高强度低合金材料的螺纹加工件来说，

14、高速钢丝锥的红硬性、抗磨损能力都稍逊于硬质合金丝锥。出于综合性考虑，本文作者采用硬质合金丝锥。4 标准丝锥结构及其存在的问题 对于低合金超高强度钢螺纹工件，标准丝锥已经不能满足攻丝精度和强度要求，结构上存在如下一些问题。4.1切削量大 低合金超高强度钢的强度和硬度很高，而标准丝锥是一次切削成形，切削量大，切削力极大，扭矩也很大，排屑也困难，致使切削环境更为恶劣，加剧了丝锥的损坏。4.2切削锥短 丝锥切削部分为切削锥，切削锥上的刀齿齿形不完整，后一刀齿比前一刀齿高，逐齿排列。而切削锥长度短，在对低合金超高强度钢进行攻丝时，入扣相对困难，而且切削部分磨损快。4.3锥心直径小 由于低合金超高强度钢强

15、度很高，有一定的韧性和塑性，用一般标准丝锥对其进行攻丝时， 作用在丝锥上的扭矩会很大，导致丝锥锥心的强度不够而扭断。4.4标准丝锥的切削参数不适合低合金超高强度刚切削加工 标准丝锥的主偏角、容屑槽、前角等切削参数是针对常用金属材料设计的，不适合低合金超高强度钢。5丝锥的改进设计 综上所述，标准丝锥加工低合金超高强度刚是十分困难的。因此，以下着重针对上述加工弊端在丝锥结构和形式上进行改进设计，期望能够得到对这类材料进行攻丝很好的丝锥。低合金超高强度钢的小直径盲孔攻丝问题，成熟经验很少，通过设计不同结构的丝锥，确定丝锥结构参数，形成独有攻丝工艺技术。由于作者水平有限，而且作为小论文，时间有限，实验

16、条件也有一定限制，所以本文的改进设计主要参考文献，从理论上进行设计，实际效果还有待实验验证。5.1 成组丝锥的设计 切削厚度的大小直接影响负荷，切削厚度小切削负荷就小，反之则大。综合考虑低合金超高强度钢攻丝加工的特性，可将丝锥设计为多锥一组的成套结构形式。根据被加工螺纹直径和螺距的大小，以及被加工材料的性能，成组丝锥可设计成2支一组、3支一组或4支一组。通常采用的设计方法有两种：等径设计和不等径设计。 等径设计是指在一组丝锥中，每支丝锥的大径、中径和小径的名义尺寸均相同，区别仅在于切削锥长度不一样。第一锥的切削锥长度最长，第二锥次之，第三锥最短。切削锥越长，参加切削的刀齿就越多，每个刀齿分担的

17、切削负荷相应减小，使用寿命随之延长；反之，则每个刀齿分担的切削负荷越大，使用寿命也就越短。由于采用等径设计，丝锥的刀齿主要是以顶刃参加切削，两个侧刃对螺纹的廓形基本上无修正作用，因此，被加工螺纹的表面粗糙度较差，其切削图形如图5.1（a）所示。 (a) (b)图5-1 为了提高螺纹的精度和改善表面粗糙度，可采用不等径设计方法。不等径设计是指在一组丝锥中，每支丝锥的大径、中径和小径的名义尺寸各不相同。这种丝锥在切削时，顶刃和侧刃同时参加切削，增加了切削的有效长度，切削面薄而窄，散热条件好，每个刀齿对螺纹的齿廓均有修正作用。由于切削负荷分配合理，使丝锥的使用寿命得以延长，被加工螺纹的表面粗糙度得到

18、改善。目前，在小直径及大直径螺纹加工中，成组不等径丝锥得到了广泛应用。其切削图形如图5.1（b）所示。5.2丝锥整体结构的设计 综合考虑低合金超高强度钢的切削加工特点与硬质合金刀具的加工性能，采用了整体硬质合金螺旋槽丝锥结构，主要用于d10mm的小直径螺纹孔攻丝，这样不仅增加了丝锥的强度，并且使得丝锥易于制造。 硬质合金螺旋槽丝锥宜采用细晶粒或超微粒硬质合金制造。整体硬质合金螺旋槽丝锥比高速钢丝锥有更高的耐磨性。对加工硬度很高的低合金超高强度钢来说，整体硬质合金螺旋槽丝锥的耐用度可比高速钢丝锥高很多倍。整体硬质合金螺旋槽丝锥的容屑槽有较大的螺旋角，排屑通畅，实际工作前角增大，攻丝扭矩降低，从而

19、有效地改善了切削条件，攻丝质量好。在HRC4052的零件上加工时，可获得6级精度、表面粗糙度较小的螺纹。 整体硬质合金螺旋槽丝锥的旋向有左旋和右旋两种结构：左旋切削向进给方向排出，用于加工通孔；右旋切削向柄部方向排出，避免切削堵塞在孔底，广泛用于加工盲孔。5.2.2整体硬质合金螺旋槽丝锥的优点 整体硬质合金螺旋槽丝锥与一般高速钢丝锥相比具有一系列的优势： （1）寿命长。 整体硬质合金螺旋槽丝锥比起普通丝锥寿命可增加30%50%，有高达2倍以上。这是因为整体硬质合金螺旋槽丝锥容屑槽空间大和对切削的反作用力，使得在攻丝过程中切削极易沿整体硬质合金螺旋槽丝锥的螺旋槽排除，不会堵在沟槽排不出去，因而很

20、少出现崩刃及折断现象，提高了使用寿命。 （2）实际工作前角大。 整体硬质合金螺旋槽丝锥由于螺旋角的存在，增大了实际工作前角，使使切削锋利性好，切削轻快，螺纹表面获得较好的表面粗糙度。 （3）效率高成本低。 加工韧性材料，如合金钢，攻丝时不用反复进退排屑，既提高了攻丝效率又节省了制造丝锥使用的硬质合金材料，降低了成本。 （4）切削平稳便于入扣，粗糙度低。 （5）扭矩小。 由于排屑通畅，切屑不堵在狭窄的排屑槽里，以及螺旋角的存在，增大了实际工作前角，所以扭矩较小。 （6）善于加工盲孔及难加工材料。 整体硬质合金螺旋槽丝锥最大的优点就是有利于排屑，而这一优点正式得利于它有较大的螺旋角。螺旋角的存在使

21、得刀具对切屑有轴向的反作用力，从而使切屑容易排出，如图5.2所示。和普通直槽丝锥相比，整体硬质合金螺旋槽丝锥的螺旋槽总长度要大得多，这也使得容屑槽总的空间增加，从而降低了切削堵塞的可能性。图5-2螺旋槽对切削的反作用力5.2.2整体硬质合金螺旋槽丝锥的参数设计 整体硬质合金螺旋槽丝锥的结构和其他普通丝锥相似，都有工作部分和柄部所组成。如图5.3所示，为整体硬质合金螺旋槽丝锥的结构图。图5-3整体硬质合金螺旋槽丝锥结构图5-4丝锥的切削参数 （1）螺旋角 螺旋角是整体硬质合金螺旋槽丝锥的主要参数之一。螺旋角取得越大，丝锥的导屑和排屑作用越强，实际工作前角也越大，因而攻丝过程越轻快。但是螺旋角取得

22、过大，会减弱丝锥刀齿强度，降低螺纹一侧的表面粗糙度，丝锥的制造也困难。因此，丝锥的螺旋角应根据加工条件和被加工条件而定。对于本文来说，被加工材料为低合金超高强度结构钢，硬度很高，拥有一定的韧性和塑性，并且被加工螺纹有一定的精度要求，所以螺旋角不宜取的过大。参考国家标准，选择螺旋角为30。 （2）容屑槽槽形 为了增加丝锥的排屑空间，同时保证丝锥抗扭强度，螺旋槽丝锥的锥心直径可取为： =0.5d（对三槽螺旋槽丝锥） 式中d丝锥直径。表5.1螺旋槽丝锥锥心直径及刃瓣宽度的偏差 槽数在d16mm时取为三槽，在d16mm时取为四槽。而整体硬质合金螺旋槽丝锥主要用于d10mm的螺纹攻丝，所以丝锥槽数取为三

23、槽。 丝锥槽形是影响丝锥切削性能的一个重要因素。目前国内外有很多槽形标准，如图5.5（a）为其中较为常用的一种，究竞哪一种槽形最好，必须根据不同的被加工材料情况而定。如果只用标准丝锥槽铣刀加工丝锥或只用标准丝锥槽形砂轮磨削加工丝锥，就会给丝锥的加工和使用造成许多困难。首先，标准丝锥槽铣刀无法根据被加工材料的不同而改变丝锥前角。其次，无法同时保证丝锥前角、丝锥心径以及丝锥刃瓣的尺寸要求。最重要的是通用丝锥槽铣刀无法保证丝锥槽形圆弧与齿背角之间光滑相切，不能使切屑在容屑槽内形成流线形卷屑，而且齿背角不在82 85范围内，丝锥反转退出时容易造成螺纹被刮伤。 为了改进现有丝锥槽形的设计与制造，并且能使

24、切削过程正常进行和保证已加工表面质量，必须使切屑顺利卷曲，排屑顺利。这就要求槽底两圆弧与前角和齿背角光滑相切连接，如图5.5（b）所示。为了保证圆弧与前角直面的切点在丝锥有效内径以下，则定出前角直线面长度H 大于等于0. 95 个螺距。 （a）改进前 （b）改进后图5-5丝锥槽形 （3）前角 前角的功用： 影响切削变形 影响切削刃强度及散热情况 影响切屑形态和断屑效果 影响加工表面质量 丝锥的前角和吼叫都在端剖面标注和测量，且均系指齿顶处的而言，丝锥的前刀面可以使平面的，也可以是曲面的。普通丝锥的前角大小根据被加工材料的性能选择：工件材料强度、硬度较低时，前角应取得大些，反之应取较小前角。本文

25、我们要加工的材料是低合金超高强度刚，所以应取较小前角。由于整体硬质合金螺旋槽丝锥的螺旋槽的影响，他的实际工作前角将大大增加，从而减弱了整体硬质合金螺旋槽丝锥切削刃部强度，因此整体硬质合金螺旋槽丝锥前角可以取得比直槽丝锥还小一些。 应当指出的是，由于容屑槽为螺旋槽，丝锥刀齿左右侧刃有一边是正前角，另一边则是负前角。螺旋角越大，两侧刃前角的差别就越大，因此整体硬质合金螺旋槽丝锥加工出的螺纹的一侧表面粗糙度较差。本文对螺纹表面粗糙度要求较高，所以螺旋角不能取得过大。 （4）后角 整体硬质合金螺旋槽丝锥主要用于加工盲孔螺纹。如果切削后角取得过大，丝锥翻转推出是，一部分未切掉的切屑便会挤进切削锥的后隙面

26、中，给该处刀齿很大的挤压力。后角越大，这种挤压力会越靠近刀尖，同时刀尖的强度也越弱，越容易引起刀尖的崩刃。所以整体硬质合金螺旋槽丝锥的后角不易取得过大，通常35为宜。 为了减少攻丝时的摩擦，螺旋槽丝锥工作部分的螺纹齿形侧刃应进行铲磨。铲磨量的数值推荐于表5.2。表5.2螺旋槽丝锥中径铲磨量推荐值 （5）切削锥角 整体硬质合金螺旋槽丝锥通常都设计成为单推。用以加工一般材料的标准丝锥的切削锥角都比较小，而对于硬度和强度低合金超高强度钢，切削锥角应取得稍大。为了适应盲孔加工的要求，其其切削锥长度推荐为（3.5-4.5）P，切削厚度一般在0.020.05mm之间，如表5.3。表5.3丝锥切削厚度参数6

27、 结论与总结 通过对低合金超高强度钢的切削特性分析，重点解决了该种难加工金属材料小螺纹攻丝加工过程中存在的难题。针对标准丝锥无法对低合金超高强度钢进行攻丝，耐用度低，螺纹精度不高，表面质量不好等，主要从丝锥材料选用，结构形式和几何参数三个方面对标准丝锥进行了改进设计。参考文献1姚建平. 整体硬质合金螺旋槽丝锥的结构分析硕士学文论文. 西华大学；2韩荣第, 宋孝宗. 螺旋槽丝锥的有限元分析及其结构设计J. 成都：工具技术，2007（8）；3 张春燕, 张丽伟, 林军. 一种攻丝丝锥的改进设计及试验. 红外与激光工程，2006，35，增刊；4 何珩宁. 高强度钢的切削加工. 职业与教育.；5杨钟祺. 成组不等径丝锥设计的新方法. 成都：工具技术，1999年，第7期；6许丽华. 镶齿硬质合金丝锥的开发. 成都：工具技术，2009年，第43卷；7 厉勇， 王春旭， 田志凌， 刘宪民， 张景海. 一种低合金超高强度钢组织与性能的研究. 钢铁，2008年，第43卷，第5期；8韩荣第，唐艳丽. 修正齿丝锥攻丝成形原理仿真及其试验研究. 成都：工具技术，2005年，第39卷，第4期；9朗汝兰. 螺旋槽丝锥的特性、几何参数的研究与设计J. 北京石油化工学院学报，1997（2）。