帶內冷孔直槽絲錐的設計與應用

劉海濤，孟漪，楊仕成

上海工具廠有限公司 上海 200093

1 序言

本文以某公司生產的發動機缸體W P7材料灰鑄鐵H T280為加工對象，研究如何提高缸體上的螺紋孔用直槽絲錐的使用壽命。該灰鑄鐵H T280材料硬度為260～280HBW，屬于高硬度、高性能灰鑄鐵。使用絲錐規格為M15×1.5-130 H2底錐，螺紋底孔深72mm，屬于深盲孔加工。通過現場了解，客戶使用普通直槽絲錐加工，絲錐材料牌號為W6Mo5Cr4V2。在攻螺紋過程中絲錐遇到的主要問題有：①絲錐容易磨損、易爛牙、使用壽命短。②深盲孔加工效率低，容易被切屑堵塞。③螺紋孔表面粗糙度值高。

為滿足客戶實際需求，本文針對上述問題，對絲錐進行以下幾方面的設計：①針對客戶機床帶內冷功能，設計成帶內冷孔的直槽絲錐，保證在攻螺紋過程中絲錐充分潤滑、冷卻，減小摩擦，降低螺紋孔粗糙度值。②絲錐材料由普通高速鋼M2材料（材料牌號為W6Mo5Cr4V2）換成含鈷高性能高速鋼M35材料（材料牌號為W6Mo5Cr4V2Co5），并增加涂層工藝，提高絲錐刃口耐磨性和使用壽命；③增大絲錐容屑槽空間，設計更合理的槽形參數。本文以含鈷涂層內冷直槽絲錐M15×1.5-130H2底錐為研究對象，通過客戶現場加工對絲錐進行壽命試驗，驗證絲錐在上述攻螺紋過程中是否能夠解決遇到的問題。

2 直槽絲錐關鍵參數設計

2.1 絲錐外形尺寸

柴油發動機缸體螺紋孔為深盲孔加工。針對機床帶內冷卻功能，在絲錐內部設計內冷孔。結合現場使用攻螺紋夾頭尺寸，設計絲錐柄部尺寸d0=11.2m m，頭頸尺寸d4=10.7m m，總長L=130mm。內冷直槽絲錐示意如圖1所示。

圖1 絲錐外形示意

2.2 絲錐內冷孔設計

針對客戶現場數控加工中心帶內冷功能，將絲錐內部設計成帶內冷孔的形式，其主要作用：①改變冷卻方式，由外部冷卻轉為內部冷卻，讓切削液從絲錐內部噴出，使絲錐刃部冷卻更充分。②將內冷孔設計成刃部內冷孔直徑小、柄部內冷孔直徑大的形式，可以增加乳化液噴出壓力，防止在加工螺紋孔時，切屑在螺紋孔內部堆積堵塞，造成絲錐斷裂等。本文中直槽絲錐內冷孔在進口走芯數控機床上加工，與車削絲錐外圓為同一道工序，保證了內冷孔與絲錐中心的同軸度，防止由于內冷孔位置偏離中心，導致絲錐在攻螺紋過程中因剛性不足造成斷裂等情況的發生。根據本次設計的絲錐規格和本廠實際設計經驗，內冷孔尺寸d1=3mm，L3=60mm；d2=4mm。將鉆好內冷孔的絲錐進行線切割，可見內冷孔局部剖面圖，如圖2所示。

圖2 絲錐內冷孔局部剖面

2.3 絲錐槽形設計

本次直槽絲錐槽形使用勇克機床上自帶的Juwop/W槽形軟件，直接對絲錐槽形進行模擬。該方法是在軟件上輸入槽形幾何參數和外形尺寸，選擇槽形輪廓形狀，通過不斷調試圓弧半徑數值，得到想要的槽形輪廓[1]。本次設計選取了一直線兩圓弧的槽形進行模擬。一直線兩圓弧槽形的特點是能夠保證軟件上前角的輸入值與實際值一致，誤差保證在±1°，容易控制前角大小。針對螺紋孔為深盲孔和灰鑄鐵TH280材料高硬度的特點，在保證直槽絲錐刃部強度的情況下，槽形設計要保證較大的容屑空間，防止攻螺紋過程出現堵屑現象，造成絲錐斷裂。因此，在槽形模擬時通過調整圓弧半徑R1和R2的數值，得到理想的容屑槽形。保證前角直線段與槽底圓弧R1和R2光滑相切，這樣加工出來的槽形就會很光滑。同時，為了提高絲錐的使用壽命和螺紋刃部強度，減少絲錐攻螺紋時帶來的快速磨損，應適當增大絲錐芯厚，以增大絲錐刃部強度[2,3]。模擬時輸入絲錐芯厚D=7.2mm，刃寬F=4.4mm，模擬好的槽形輪廓，如圖3所示。

圖3 絲錐槽形輪廓

2.4 絲錐前角設計

絲錐前角大小直接影響著絲錐的使用壽命。一般來說，加工軟材料時，前角應選得大一些；加工硬材料時，為防止切削刃損傷過快，前角應選得小一些[2]。本文中客戶現場柴油機缸體為灰鑄鐵HT280，硬度為260～280HBW，屬于硬材料。本次根據設計經驗，前角選取4°～6°進行設計。在Juwop/W軟件上模擬時，前角輸入值取中間值γ=5°，如圖4所示。

圖4 絲錐前角模擬測量

含鈷涂層內冷直槽絲錐M15×1.5-130關鍵參數見表1，其公差范圍參考國家標準和工廠標準。

表1 內冷直槽絲錐M15×1.5-130關鍵參數

2.5 絲錐工藝優化

針對柴油發動機缸體材料灰鑄鐵H T280的特性，及客戶對刀具使用要求的提高，本文設計的內冷孔直槽絲錐選取含鈷高速鋼材料M35（材料牌號為W6Mo5Cr4V2Co5），替代普通高速鋼M2（材料牌號為W6Mo5Cr4V2），以便增加絲錐刃口耐磨性，降低刃口爛牙現象發生。

本文中內冷直槽絲錐主要工藝流程為：車毛坯及鉆內冷孔—熱處理—磨方—磨柄部和刃部外圓—磨槽—磨螺紋—拋光處理—涂層—拋光處理—打標、包裝。

關鍵工藝優化為：在涂層前對絲錐拋光處理，目的是去除刃部螺紋毛刺，讓絲錐螺紋表面更加致密，提高涂層在刀具上的附著力，從而更好地發揮涂層的作用。涂層后再次對絲錐進行拋光處理，目的是降低涂層后絲錐刃部表面粗糙度值，減小攻螺紋阻力，便于切削[4]。

本文中直槽絲錐表面涂層選用TiAlN，其優點在于耐熱溫度可達800℃，適用于高速加工，便于提高生產效率。同時強化了絲錐刃部耐磨性，防止刃口易磨損和爛牙情況發生，延長了絲錐的使用壽命。

3 實際應用與分析

3.1 試驗條件

以某客戶生產的柴油發動機WP7缸體為加工對象，選用含鈷涂層內冷直槽絲錐M15×1.5-130H2底錐，TiAlN涂層。在帶內冷功能的數控加工中心上進行試驗，如圖5所示。缸體材料為灰鑄鐵HT280，硬度為260～280HBW，每件缸體螺紋孔26個，盲孔加工，底孔深72mm，攻螺紋深度65mm（含沉頭孔12mm），攻螺紋轉速為600r/min。絲錐使用壽命通過塞規檢測作為判斷依據，塞規精度為6H。

圖5 加工現場

3.2 試驗結果分析

通過現場切削試驗，在上述加工參數下進行試驗。加工過程中選用乳化液潤滑冷卻。加工出的螺紋孔表面粗糙度得到明顯改善。第1個螺紋孔如圖6所示。選取20支絲錐進行使用壽命試驗，其平均使用壽命為58～62件缸體（即1508～1612個螺紋孔），絲錐最終失效形式均為刃口正常磨損、通規檢測未通過。絲錐并未出現刃口磨損或爛牙等情況。這達到了客戶對刀具的預期使用壽命要求，提高了生產效率。

圖6 加工第1個螺紋孔

4 結束語

經客戶現場試驗，證明本文設計的帶內冷孔直槽絲錐及關鍵參數，有效改善該客戶在加工灰鑄鐵HT280材料柴油發動機缸體螺紋孔時絲錐出現易磨損、易爛牙和使用壽命短等問題，并解決了螺紋孔表面粗糙度值高的問題。該設計方法對內冷孔直槽絲錐加工灰鑄鐵材料具有一定的指導作用。