丝锥的发展和应用,从志斌.docx

上海大学20142015学年秋季学期研究生课程考试 小论文课程名称： 制造工艺及刀具 课程编号：09Z078013论文题目：丝锥的发展与制造研究生姓名：从志斌 学号：论文评语：成绩：任课教师：王永国评阅日期：丝锥的发展和制造从志斌（上海大学 机电及自动化学院，上海200072）摘要：首先阐述了丝锥的相关基本理论，从定义、结构、公差、螺纹的制式与分类进行介绍，从而对丝锥 有了相应的了解，然后进一步说明其发展趋势，发现了“三适应”，为了制造出更好的丝锥应用在实际工 业上，我们又探究讨论其选材和表面处理的相关做法，深刻明白了材料和热处理的根本性作用，最后以具 有影响力且先进的西德格林的丝锥来阐述其制造技术和工艺设备。关键词：丝锥；表面处理；西德格林；制造技术Development and manufacturing of the tapCONG zhi-bing(School of Mechanical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: First, the relevant basic theory about tap has been expounded , and introduced by definition, structure, tolerance, thread standard and classification, so we will have some appropriate understanding with it .Through further researching ,we have discovered the "three adaptation".In order to create a better tap on the industrial applications, we also explore and discuss their selection of practices and surface treatment, understand the fundamental role of materials and heat treatment profoundly,finally we studied manufacturing technology and process equipment by the taps of GURING which is famous and advantage .Key words: tap; Surface treatment; GURING； Manufacturing Technology1基本理论1.1定义丝锥：依靠自身的旋转和进给在底孔中加工内螺纹的具有外螺纹形状的工具。图1图21.2结构机用和手用丝锥是切制普通螺纹的标准丝锥。中国习惯上把制造精度较高的高速钢磨 牙丝锥称为机用丝锥，把碳素工具钢或合金工具钢的滚牙（或切牙）丝锥称为手用丝锥， 实际上两者的结构和工作原理基本相同。通常，丝锥由工作部分和柄部构成。工作部分又 分切削部分和校准部分，前者磨有切削锥，担负切削工作，后者用以校准螺纹的尺寸和形 状。柄&虞营 A图3丝锥各部名称1.3丝锥公差带国产机用丝锥都标志中径公差带代号：H1、H2、H3分别表示公差带不同的位置，但公 差值是相等的。手用丝锥的公差带代号为H4，公差值、螺距及角度误差比机用丝锥大，材 质、热处理、生产工艺也不如机用丝锥。H4按规定可以不标志。丝锥中径公差带所能加工 的内螺纹公差带等级如下：表1丝锥公差丝锥公差代号适用加工内螺纹代号H14H5HH25G6HH36G7H 7GH46H7H有些企业使用进口丝锥，德国制造商常标志为ISO1 4H、ISO2 6H、ISO3 6G （国际标 准ISO1-3与国家标准H1-3是等同的），这样就把丝锥公差带代号及可加工的内螺纹公差 带都标上了。1.4螺纹的制式目前常见的普通螺纹有三种制式：公制，英制，统一制（也称美制）。公制是以毫米 为单位，齿形角60度的螺纹。例如：M8X1-6H表示直径8毫米的公制细牙螺纹，螺距1毫 米，6H的内螺纹公差带。英制是以英寸为单位，齿形角55度的螺纹。例如：BSW 1/4-20表示直径1/4英寸， 粗牙螺距每英寸20牙，这种螺纹目前已很少使用。另统一制是以英寸为单位，齿形角60 度的螺纹。直径小于1 /4英寸，常用编号表示，由0号至12号分别表示0.06英寸至1/4英寸的直径规格。美国目前 主要使用的仍是统一制螺纹。1.5分类丝锥根据其形状分为：直槽丝锥、螺旋槽丝锥、内容屑丝锥、螺尖丝锥、挤压丝锥， 其性能各有所长。1.4.1直槽丝锥它通用性最强，通孔或不通孔、有色金属或黑色金属均可加工，价格也最便宜。但是 针对性也较差，什么都可做，什么都不是做得最好。切削锥部分可以有2、4、6牙，短锥 用于不通孔，长锥用于通孔。只要底孔足够深，就应尽量选用切削锥长一些的，这样分担 切削负荷的齿多一些，使用寿命也长一些。1.4.2螺旋槽丝锥比较适合加工不通孔螺纹，加工时切屑向后排出。由于螺旋角的缘故，丝锥实际切削 前角会随螺旋角增大而加大。经验告诉我们：加工黑色金属的，螺旋角选的小一点，一般 在30度左右，保证螺旋齿的强度。加工有色金属的，螺旋角选的大一点，可在45度左右， 切削锋利一些。1.4.3内容屑丝锥内容屑丝锥是德国NORIS公司的专利产品。其显著特点是在头部开一个足够大的容屑 槽，采用特殊的设计以达到较高的加工质量。尤其在大螺纹加工方面优势显著。广泛应用 在风力发电、汽轮机、造船、矿山石油等行业。我国于“七五”期间开始从西德NORIS公司引进内容屑丝锥M56M90。在哈尔滨汽轮 机厂、上海造船厂、大连造船厂、陕西柴油机厂等国有大型企业应用效果优良，取得良好 的经济效益。IMmm- rmwri图5内容屑丝锥1.4.4螺尖丝锥加工螺纹时切屑向前排出。它的芯部尺寸设计比较大，强度较好，可承受较大的切削 力。加工有色金属、不锈钢、黑色金属效果都很好，通孔螺纹应优先采用螺尖丝锥。1.4.5挤压丝锥比较适合加工有色金属，与上述切削丝锥工作原理不同，它是对金属进行挤压，使之 塑形变形，形成内螺纹的。挤压成形的内螺纹金属纤维是连续的，抗拉，抗剪强度教高， 加工的表面粗糙度也教好，不过挤压丝锥底孔要求较高：过大，基础金属量少，造成内螺 纹小径过大，强度不够。过小，封闭挤压的金属无处可去，造成丝锥折断。计算式为：底 孔直径二内螺纹公称直径-0.5螺距。根据使用方法，常分为手用丝锥、机用丝锥、螺母丝锥（用于在螺母加工机床上切制 螺纹）、板牙丝锥（用于切制和校正板牙螺纹）、管螺纹丝锥和锥形螺纹丝锥。图7挤压丝锥2发展近年来，丝锥技术发展很快，丝锥的种类、材料及表面处理，都有很大进展。特别是高 效率专用设备的应用，使得丝锥的制造工艺及生产技木提高到一个新的水平。当前丝锥技术 的发展动向归纳起来可以说是“三个适应”，以下分别阐述。2.1适应一适应加工母机的发展，过去丝锥大多用在多轴加工机用攻丝。近年来，由于数控机床及 数控加工中心的发展，又开始趋向于单轴加工。为了保证生产效率，就必须大大提高切削速 度。日本有两家机床制造厂已生产了数控螺纹加工中心（Tapping center）,每月产量共约 1000台，分别向日本及美国销督。一般加工中心攻丝需加装攻丝夹头，补偿螺距进给量。而 数控螺纹加工中心设计的主轴转速与螺距进给量同步配合，不需加装攻丝夹头.而采用类似 磨头式的夹具，大大提高了攻丝精度。2.2适应二适应其他主要工业的发展。工具是为机械加工服务的。它必须围绕其他主要工业的发 展而发展。例如日本丝锥使用量的50%用于汽车工业。由于世界能源供应日趋紧张，汽车制 造趋向于轻质化,以减少能耗。汽车零件减少或者零件设计尺寸减小，但强度不能降低，因此 铸铁抗拉强度不断提高,由原来使用FCD40铸铁发展到使用FCD70甚至FCD100铸铁,对丝锥 的强度提出了很高的要求。2.2 适应三适应先进技术的发展。近年来，由于工业自动化的大力发展，机器人广泛地应用于生产， 无人化车间日见增加。无人化车间对防火有严格的要求，一般不能使用易燃油类，丝锥的切 削液必须采用水溶性油剂，并且又必须保持高速攻丝的效率，这就不是一般丝锥所能胜任的 了。图8所示的中空型丝锥是一种新型的丝锥。切削锥及校准齿长度均为3牙左右，切削槽 长度也仅为6牙左右。由于槽形角设计得很大，迫使切屑向内排，而丝锥前面呈喇叭口，中间 是空心的，容屑空间很大,这样就把切屑与已加工螺纹表面分隔开来，提高了内螺纹精度及表 面粗糙度.这种丝锥尺寸可以做得很大，精密度也比较高，常用于加工大型发动机、泵体、核 反应堆壳体等重要零件的螺孔，而这些螺孔的加工，往往要求刀具要有绝对成功的把握，否则 报废就会造成巨大的经济损失。除了整休式中空型丝锥外，直径较大的还设计成分离式（图 9）;没有带方尾的柄部，在螺纹后面仅有一个很短套柄,使用时再套在接柄上。西德乃锐斯公 司设计的分离式中空型丝锥直径可达到400mm，攻丝材料抗拉强度可达110OMPa.图8、9前 锥或柄上的孔是通切削液的，可由外部供给。图8整体式中空型丝锥图9分离式中空型丝锥3选材与表面处理3.1选材决定丝锥性能优劣的根本因素仍然是它的材料及热处理。15车前，日本OSG公司制造 丝锥的高速钢主要采用W系列，如SKH2（W18Cr4V）。后用采用MO系列材料，以提高丝锥的 韧性，牌号SKH51（W6Mo5Cr4V2），仅用两年改为SKH58，耐磨性差不多,承受切削能力SKH58大 得多。4车前又开始采用V系列材料,.牌号为SKH52、SHK53。同时又采用了耐高温的含Co 材料,牌号为SKH59。另外又发展了被称为EX（EXT,RA高质量）系列的高V新钢种，具有相当 于SKH53的耐磨性及SKH58的韧性;磨加工性比一般高帆钢好，淬火硬度高于KSKH53及 SKH58。EX系列的高速钢在欧洲均标志为HSSE,用于高速切削，效率提高50%85%。当含V量达到了 5%时，只有采用粉末冶金制造的材料才能进行磨削加工。日本OSG公 司CPM丝锥就是用含V5%粉末冶金高速钢制造的.它适用于加工锻件、调质钢、高硬度刚 （HRC2045）材料，非常适宜高速化、无人化加工。还有一种被称为超硬合金材料制造的OTT丝锥，加工高强度铸铁、铸铝、铸铜、热硬性 树脂材料，效果非常好。在高精度自动车床上攻丝，寿命比高速钢丝锥提高50100倍,尺寸 精度极其稳定，长时间不用更换丝锥。3.2表面处理由于丝锥使用条件越来越苛刻,丝锥的表面处理就越来越为人所注意了。目前采用的方 法主要有以下三种。3.2.1高压蒸汽处理这是一种氧化处理的方法。丝锥在500550°C水蒸汽中加热3060分钟，表面生成一 层Fe3O4,厚度因处理的温度及时间长短而不同,范围有13mm,由于氧化膜的多孔性，切削液 能保持其间，攻丝时减小摩擦力，降低摩擦产生的热量，防止熔结,对易熔结的软、粘性材料 非常有效。3.2.2氮化处理一般采用氨气进行气体氮化法和用氰化盐溶液的液体氮化法，在丝锥表面生成无脆性、 硬度稳定、表面光滑的氮化层。这种表面处理可提高表面硬度、高温硬度和耐磨性。对于 难加工材料，丝锥易磨损的场合非常适用。3.2.3氮化钛（TiN）镀层采用PVD法（物理蒸镀）对丝锥进行镀层,温度在550C以下。把钛金属放入真空槽的坩 埚中，用电子枪的电子束来加热蒸发。从蒸发源飞出的Ti原子与另外导入的吨发生离子化 反应，在丝锥表面形成23um左右的氮化钛，颜色金黄。表面硬度可高达HV200O以上。因 为PVD法的加热温度低，不影响处理后丝锥的尺寸精度。镀层非常光滑，耐磨性及抗熔结性 大大提高,摩擦系数大大降低。由于氮化钛镀层的这一系列优点，对难切削材料如不锈钢、冷锻模钢等特别有效；还可 进一步提高削速度，可使用水溶性切削油润滑，甚至干切削，这一点是非常可贵的。但是氮化钛镀层也并非没有缺点，首先成本过高,处理后，价格一般要提高1倍左右，使 得它的销售及工艺实施受到很大的限制。另外，根据日木OSG公司试验表明，氮化钛镀层对 无槽丝锥、螺尖丝锥效果非常好，对直槽丝锥效果不显著，对螺旋槽丝锥效果不太好。因为 螺旋槽丝锥经氮化钛蒸镀后，槽与卷屑间摩擦系数显著降低。在切削锥区;切削压力大，摩擦 力较大，卷屑较小。到了校准区，由于槽内摩擦力减小，卷屑增大,卷屑由小到大，很容易在校 准区内阻塞，造成爆牙，在深孔加工时尤为常见。改进的方法是将丝锥制成大缘旋角、长螺 旋槽、短螺纹形式来减少卷屑阻塞。4丝锥的制造技术及工艺设备西德格林（GUHRING）公司典型的丝锥生产过程是:（1）坯料切断（送热处理）；（2）外形磨 削；（3）方尾磨削；（4）槽磨削；（5）螺纹磨削；（6）切削锥磨削。这种加工方式适用于中小规格 直槽丝锥、螺旋槽、螺尖及无槽丝锥略作调整，即可同样加工。另外，西欧厂家又大多采用计算机辅助设计（CAD）、辅助制造（CAM）系统。当接到用户 的订货要求后，把有关数据输入，计算机就很快自动绘出槽形图,并通过打印机，在工作图上 标出毛坯至成品各加工尺寸及公差,还有机床的调整参数、砂轮修正数据等工艺要求。操作 人员在加工首件时，可按这些货据调整设备。在磨槽工序中，还可依据计算机绘制的槽形图 在投影仪上对照工件截形的正确性。4.1 坯料切断第一道工序坯料切断，格林公司采用的是自制的DA234立式双轴自动切割机。机床的顶 部是一旋转式装料盘，可装棒料40根，棒长可达23m。切割时棒料旋转，转速在650 2500r/min内任意可调。如图10所示的切削刀具上下可制成多种形式,以获得断得不同的 端面。切割长度为20215mm,外径为2.512mm.当棒料外径6mm时,产量为每小时950件， 效率比一般冲床断料低，但它加工出的坯料端面没有冲料时常见的塌头，便于下道工序的外 形磨削。图10 DA234切割机加工方式4.2外形磨削第二道外形磨削，采用意大利希林海里(GHIRINGHELLI)公司生产的自动无心磨床，进行 切入式磨削，其加工方式如图11。图示的型号为M2250 - S6P10,既可如图示用金刚石压轮修 正砂轮，又可用靠模板进行仿形修正。对图12好锥的外形加工可达下列技木参数：圆度误差0.0020.003mm,表面粗糙度 Ra0.6mm.坯件总磨削量 3.5mm,公差范围 0.015mm.工进时间6s,完全磨削18s,工退2s,总共时间26s。该设备磨削轮外径为61Omm,标称线速度35m/s实际可达4560m/s,加工直径范围2 100mm。它还可附加数控式砂轮修整器，修整砂轮形状。除上述设备外，美国赫特琳(HERLTEIN)公司生产的Co-100型工具毛坯料切断和成型机 也颇具特色，加工方式如图13。它是把长棒料切断及外形磨削在一台设备上同时进行的。 柄部为6mm的M5丝锥,产量为400件/小时。西德容克(TUNKER)公司推出的数控快速点磨削机床(Quick point) 1001型，它的磨削 方式如图14。砂轮被修正成点状，按所需工件的外形轮廓，由数宇控制走出连续的运动轨迹, 数控系统是由X(进给方向.)Z(磨削长度方向)两坐标组成的。砂轮使用立方氮化硼或金刚 石材料制造，宽度仅约12mm,磨料厚度约4mm。当然采用赫特琳及容克设备，丝锥工艺与格林公司有所不同。这些设备的共同特点是通 用性强，适用范围大.品种广、，一般都可用于加工钻头、中心钻、铣刀、铰刀等产品。图11 M2250磨削丝锥外形图12丝锥外形加工%图13 Co-100型机床切断及磨削丝锥外形图14 1001型磨削机床磨削丝锥的外形4.3磨方尾第三道磨方尾，采用格林公司自制的AZ235型全自动高速磨床加工。加工方式如图15, 工件进行切入式磨削，并可进行分度回转。机床是设计成标准部件式的,可按照加工的需要, 分别用不同种类的磨头、砂轮修正器、头架、溜板和通用部件底座等组装而成因此通用性 很大，砂轮可修正成不同形状，还可切割磨削、圆周磨削.螺旋磨削等，采用的是树脂结合剂 砂轮。容克公司磨方机(Squaromat)210型磨削方式与格林公司基本相同，但采用了立方氮化 硼或者金刚石砂轮，专用性强，效率高。图15 AZ235磨削方尾4.4槽磨削格林公司研究及应用高速磨削技术(HSG)已有几十年历史，他们把一般磨削、铣削与高 速磨削作了对比，得到了以下的结果。常规表面磨削去除量=110mm2/mms铣削去除量=2050mm/mm s;高速磨削去除量超过500mm,/mm .s这个结果表明了高速度磨削的效益是很高的。格林公司最近设计的磨槽机为NU系列，例如型号NU535可加工外径1.920mm的工件， 槽长度可达320mm,砂轮直径400mm,线速度125m/s,进给速度8110ms/。螺旋角在一 47过 0U+47内可调。这类设备还带有磨削后角砂轮，用以磨削各种钻头、铰刀等，还采用了七座 标数控系统。容克公司设计的磨槽机也是高速磨削的，线速度为80m/s, 一种设计成右螺旋角053、 左螺旋角045，可用以磨削螺旋槽或直槽。另一种按用户需要，设让成双磨轮结构,一次装 夹可磨削直槽及螺尖槽。如只需磨削直槽时，另一磨削轮可单独停止工作。容克公司的磨槽 机除了可加工丝锥外，也可用于立铣刀、铰刀等槽形的磨削。4.5螺纹磨削第五道工序磨螺纹是丝锥的关键工序，丝锥的精度主要是在这道工序上体现的，对于设 备的精度及稳定性要才相当高，必须在恒温条件下才能使用这类设备。瑞士莱斯豪尔(REISHAUER)公司生产的GBA型自动丝锥螺纹磨床具有效率高，生产成本 低的优点。加工范围为外径316mm,螺距00.2,mm，砂轮最大线速度为80m/s,工件的转 速也可高达150r/min.它可为每个工作周期预先制订好程序，使得最多达6次的磨削走刀以 及递减进给量能够自动地连续地得以实现，总进给量可达1.5mm.砂轮是由一个金刚石滚轮 自动修整的,修整量可由机床自动补偿。GBA型磨床加工丝锥的方式如图9所示,丝锥作旋转及轴向往复运动，砂轮作旋转及径 向往复运动。它备有O0.05mm及O0.5mm的铲磨凸轮各1个,用于铲磨丝锥的后角。从图16中还可看出,工件及砂轮的轴线与机床的底面呈倾斜角度，这主要是便于安插丝 锥的台架下滑机床中最多可安放35个塑料制作的台架，每个台架中可直插10个丝锥。在 操作中，每次有一个台架进人至械手活动区域,由机械手取出丝锥送到两顶尖上，进行磨削加 工。加工结束后，仍由机械手送回原来的台架。丝锥10个一组，加工完毕后，连同台架被送 出机械手活动区域。在图16所示的机床A侧面上，有一个倾斜的窗口，从窗口里就可取出或 放入插满丝锥的台架。这样就使得上下料与磨削区域完全分隔开了，上下料时不必打开完全 密封的机罩。由于丝锥是方尾向下插在台架的方孔里的，这样就使得丝锥在完成方尾磨削后，就可以 储存在台架上，以方尾作为周向基准，进入到磨槽、磨螺纹、磨切削锥等各道工序中,使这几 道工序采用相同的周向定位基准。GBA型磨床的冷却系统是一套三喷咀系统（图17）,每个喷咀压力为加20Pa.两个与砂轮 成切线方向安装的喷咀起冷却作用，径向位置安装的喷咀起冲射砂轮的清洁作用。在油过滤 系统中，采用的是具有自动预涂过滤介质层的AF型过滤装置。最值得注意的是,GBA型磨床工作效率极高，每小时可加工M6或M8直槽丝锥螺纹120 个。图16 GBA加工丝锥螺纹图17 GBA喷咀系统4.6 切削锥磨削德容克公司生产的TaPomat316型磨床也很具特色,它带有8轴线数控系统，可提供标准 的或特殊的软件系统，用以控制磨削不同形式的螺纹及切削锥。它可用两个砂轮，工件一次 装夹，即可加工出螺纹及切削锥。砂轮具有自动平衡装置，线速度可达80m/s。图18举几个由软件系统控制加工螺纹及切削锥的形式。图18-1是采用标准软件系统加工螺纹及标准切削锥。图18-2是采用标准软件系统加工螺纹及带圆角的切削锥。图18-3是采用标准软件系统加工管牙螺纹及标准切削锥。图18-4是采用标准软件系统，只用一个砂轮加工无槽丝锥的螺纹,包括棱形的铲背及全 齿高的挤压锥加工。图18-5是采用为用户特殊设计的软件系统磨削螺纹及阶梯形切削锥。图18-6七是采用为用户特殊设计的软件系统磨制跳牙丝锥。这些软件贮存在随机存取储存器中，由可充电的电池供给持续的直流电。图19表示了两个砂轮的连接方式及加工方式。在螺纹磨削结束后，连接在多线砂轮旁 的切削锥砂轮进行切削锥磨削。螺纹部分及切削锥的后角铲磨量不相同，分别由凸轮及数字 系统控制。图20显示了砂轮修正的两种方式，都是自动修正的。第I种是用金刚石滚压轮作成型 修正磨削轮;第I种是用金刚石单线轮按所需形状，控制其运动轨迹来修正磨削轮的。第1种修正方式效率高,但无法变换其它形状。第I种修正方式效率稍低，但可根据需要随时改 变形状。最后一道工序是磨切削锥，由于一些丝锥螺纹磨床带有磨切削锥装置，因此单独加工切 削锥的设备品种比较少,一般并无特殊之处。目前国内有几家工具厂正设法部分引进以上介绍的设备，对国内丝锥的生产技术将起到 推动作用。18-118-218-318-418-518-6图18Tapomat 316磨削螺纹及切削锥图19r育式I1金削石蚊匮常方式11口金刖石枪图20 Tapomat 316砂轮修正方式致谢：感谢李宝福教授对本论文的大力支持，在此表示感谢!参考文献：1 杨钟祺.磨牙机用丝锥铲磨凸轮轮廓曲线的分析与比较J.工具技术，1998(9):56-57.2 张岸，祝新发.机用丝锥的磨损失效及预防措施J.热处理，2010(6):12-13.3 乌红军.机用丝锥机加过程中的缺陷及应对措施J.工具技术，2012(1):77-79.4 隈部淳一郎.精密加工一振动切削(基础与应用).北京：机械工业出版社.1985.5 殷宝麟.振动攻丝机理及典型难加工材料小孔振动攻丝试验研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2008.6 韩荣第，于启勋.难加工材料切削加工.北京：机械工业出版社，1996.7 何风歧.钛合金攻丝.航天工艺.难加工材料切削加工工艺专辑，1984： 44-46.8 韩荣第.钛合金攻丝扭矩和切削温度的研究.哈尔滨工业大学学报.机械工程专 辑，1985：146-153.9 唐艳丽.修正齿丝锥的关键技术及其在难加工材料攻丝中的应用D.哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2008.10 程龙.典型难加工材料用修正齿丝锥槽形参数专用化研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.11 韩荣第.切削钛合金对几种切削液的试验效果.哈尔滨工业大学学报，1988,2:53-59.12 吴元昌.无槽挤压丝锥的新进展J.工具技术，1995( 9) : 38 -41.13 马冬.挂钩轴内螺纹冷挤压成形方法研究D.重庆大学硕士学位论文，2004.14 刘志峰.挤压丝锥CAD J.工具技术，1997( 11) : 15 -18.15 张逸.内螺纹挤压攻丝的底径计算及加工技术】J.机械设计与制造，2002( 1) : 82 -84.16 鲜光远，崔惠滨.挤压丝锥的改进及选用J.机械工人(冷加工)，2006( 8) : 46 -48.