不锈钢工件小径内螺纹的切削—挤压组合加工

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1 引言

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在不锈钢工件上加工小螺纹孔历来是一个难题。由于不锈钢材料塑性变形大，韧性好，加工硬化严重，切削抗力大，且攻丝加工是在半封闭状况下进行，散热条件差，排屑困难，切削扭矩往往超过丝锥的强度极限而导致丝锥折断。我们通过对切削丝锥和无屑挤压丝锥加工内螺纹时出现的问题进行分析，采用切削—挤压组合加工方式在不锈钢工件上加工小螺纹孔，取得了较理想的效果。 / V a' _; V0 }3 k# z2 ]( x. u! V" i

2 不同加工工艺的比较分析

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在不锈钢工件上加工M3以下小螺纹孔时，传统加工工艺是以三支丝锥为一组，用铰杆手工攻丝。将三支修磨为不同外径的切削丝锥从小到大分为三锥，首先攻头锥，然后依次攻二锥、三锥成型。切削量按不同比例分配给三支丝锥，可使每支丝锥承受的切削扭矩减小。但采用这种方式加工时，有时丝锥仍难免折断，且加工一个螺纹孔需三次手工攻丝，加工效率很低。 5 @+ j& E) T8 X2 l5 q# B

采用无屑挤压丝锥代替切削丝锥加工内螺纹具有丝锥强度高、无需刃磨、加工精度高、效率高、质量稳定等特点。对于纯铝类材料的内螺纹加工，只要底孔尺寸选择合理，便可用挤压丝锥一次冷挤压成型。但对于不锈钢材料的内螺纹加工，由于材料的冷挤压扭矩太大，无法一次挤压成型，为保证挤压扭矩不超过挤压丝锥强度，就必须扩大底孔直径，这势必造成挤压形成的螺纹牙型高度不够，螺纹内径超差。 * o" d7 B' ]9 b* W1 g

切削—挤压组合攻丝方法结合了上述两种工艺方法的特点，采用两支丝锥进行加工，即首先在选定底孔上用经修磨的切削丝锥攻丝，然后再用无屑挤压丝锥冷挤压成型。在加工过程中，由于头锥是在较大底孔(与单用切削丝锥攻丝相比)上进行切削，而二锥又是在不完整牙型基础上进行挤压，因此无论是作为头锥的切削丝锥，还是作为二锥的挤压丝锥，其承受的攻丝扭矩均大大减小，丝锥不易折断。采用切削—挤压组合攻丝方法加工内螺纹具有以下优点：①加工精度高，尺寸稳定；②螺纹强度高，表面耐磨性好；③挤压丝锥无需刃磨，省时省力；④攻丝扭矩小，容易实现机动攻丝；⑤加工效率明显提高。

3 切削—挤压组合攻丝工艺参数的选择

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采用切削—挤压组合方法在不锈钢工件上加工小螺纹孔时，主要工艺参数(如切削丝锥的切削角度、切削丝锥外径、螺纹底孔直径等)的选择至关重要。为达到内螺纹的加工精度要求，相关工艺参数必须相互匹配，切削量和挤压量必须合理分配。下面以加工深度为5mm的M2-6H通孔内螺纹为例说明主要工艺参数的选择。

1. 切削丝锥切削角度的选择 % h: f$ T. X+ B% W. M
   根据切削—挤压组合工艺的头锥切削扭矩并不很大的特点，M2 切削丝锥可选取如下切削角度：前角g=15°，后角a=8°，锥角f=17°。由于底孔直径较大，头锥切削量较小，因此选取较大切削角度不会导致丝锥较快磨损、崩齿及折断。加工实践表明，选用该组切削角度的M2切削丝锥在头攻过程中切削顺畅。
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2. 螺纹底孔直径的选择 * o& X; _* q; d. k/ D
   选用底孔直径的大小直接关系到内螺纹的加工精度。单用切削丝锥攻丝时，由于丝锥小径不参加切削，因此底孔直径通常等于螺纹外径减去螺距，底孔直径即为成型后内螺纹的内径。而采用切削—挤压组合工艺加工时，底孔直径大于成型后的内螺纹内径，这是因为挤压丝锥二攻冷挤压后，原底孔直径发生收缩成为内螺纹的小径，即螺纹牙型隆起延伸。因此，根据挤压丝锥的挤压量正确选择底孔直径就成为保证螺纹加工精度的关键。螺纹底孔直径d₀的选用公式为
   # D! Z9 G; e+ r$ m r& o- n4 t0 D$ p7 H$ i$ ?4 ?% J% [/ { S' P) x4 w

   d0=d-(0.6～0.7)P

   (1)

   式中：d——螺纹外径 ' P0 ^9 Y# g9 Q
   P——螺距
   经多次切削试验，可确定在1Cr18Ni9Ti不锈钢工件上加工M2内螺纹时，二锥挤压量为0.1mm，底孔直径取Ø1.75mm；底孔经头锥切削和二锥挤压(余量为0.1mm)后，直径缩小为Ø1.62mm，符合M2-6H内螺纹的内径尺寸要求。
3. 切削丝锥外径的选择
   将切削丝锥的校准部分沿全部螺纹廓形进行铲磨，以减小丝锥的外径，这样既能减小切削丝锥的头攻切削量，降低切削扭矩，又可为挤压丝锥进行二攻留下一定挤压量。切削丝锥外径d₁的选用公式为
   5 z$ ~% q8 z: _( i- ~# R6 U$ E! ?4 R; n. D, @9 s. m0 F3 g7 ^1 V" P4 Z3 p. K. R8 Y' M3 B; O* g1 P' R

   d1=d-(0.2～0.3)P

   (2)

   
   % @+ T' k! z; K+ v3 P4 Y' U$ w- A. w1 s0 w; C6 h6 N# l& D Q3 Q3 a/ w5 l9 Z( r- q3 J; X' ]5 E: X7 m; K$ _- t% j

   图1 切削量和挤压量的分配示意图

   8 W% \9 A* a) u7 F* }* }. P. e5 `' j: {# q& Y4 ?, T4 O2 v, G: P$ f7 u( ]: _# x, J. ]3 j9 O' [( J8 l( m% H% a8 N& o9 ~7 L5 R2 i4 x! ~* y! M: i3 N2 R1 d+ k' Y! A1 ^) R7 u$ d0 a+ m# c) w; _, z1 F" T( I* s# T. Q' u' q, u, T* U" X5 i2 j% Z' ^. g2 J7 H3 v2 A' h3 {0 U6 b% c1 i4 K9 J1 k& n; g0 g. d/ u R; |- o# l5 B6 O* y# A7 |0 Z0 K' }0 J; d3 E' J/ m4 ?1 K+ y% @) m& g6 Y8 x* _$ ]# x% O3 } 表1 螺纹底孔直径和切削丝锥外径值 规格 P(mm) d0 (mm) d1(mm) M3 0.5 2.7～2.65 2.9～2.85 M2.5 0.45 2.23～2.185 2.41～2.365 M2 0.4 1.76～1.72 1.92～1.88 M1.6 0.35 1.39～1.355 1.53～1.495 M1.4 0.3 1.22～1.19 1.34～1.31 M1.2 0.25 1.05～1.025 1.15～1.125

   正确选择切削丝锥的铲磨量及确定切削丝锥外径，其目的是合理分配头攻切削量和二攻挤压量，使挤压丝锥在切削丝锥头攻形成的不完整牙型(外径过小，内径过大)上进行冷挤压，从而形成符合尺寸精度要求的完整内螺纹。头攻切削量和二攻挤压量的分配如图1所示。
   经反复进行切削试验，可确定M2切削丝锥的外径铲磨量为0. 1mm，切削丝锥外径为Ø1. 9mm，二攻挤压丝锥在外径处的挤压量为0.1mm。按此参数在选定的直径为Ø1. 75mm 的底孔上进行切削—挤压组合攻丝，形成的M2 螺孔符合M2-6H的尺寸精度要求。
4. 切削—挤压组合工艺的适用范围 ; u1 i8 [7 e( r2 g% |
   在不锈钢工件上加工M3以下小螺纹孔时，只要工艺参数选择适当，均可采用切削—挤压组合工艺。切削丝锥的切削角度可按M2切削丝锥选取；螺纹底孔直径和切削丝锥外径分别按式(1)、(2)选用。攻制M3～M1.2 螺纹孔时的螺纹底孔直径和切削丝锥外径值见表1。 ; c! W/ D' p6 F% s. \. E/ z1 @6 W* A9 R
   为使成型的螺纹孔内径达到规定的尺寸要求，底孔直径与切削丝锥外径一般成反比关系，即如果底孔直径选大一些，则切削丝锥外径应选小一些；反之亦然。 / h* K' b0 }& r' K$ C$ P
   由于各种不锈钢材料的物理机械性能不同，当采用切削—挤压组合工艺攻制不同的不锈钢材料时，切削量和挤压量的分配也应有所不同，底孔直径和切削丝锥外径也将有所区别，但均可在表1所列数据范围内合理选取。 * m: U* X9 ^$ ^# G7 h: |$ q4 f
   工件经切削丝锥头攻后，螺纹孔必须清洗干净，以免孔内残留的切屑影响挤压质量。头攻切削与二攻挤压均需加入适当的润滑液，一般可选用工业用豆油或20#机油。

4 结语

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不锈钢工件小径内螺纹孔的切削—挤压组合加工综合了切削加工和挤压加工的特点，实现了切削丝锥和挤压丝锥的优势互补，通过优选各项工艺参数，可顺利加工不锈钢工件上的小螺纹孔，是一种质量好、损耗小、效率高的先进加工工艺。

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