用整體硬質(zhì)合金絲錐高速同步攻絲

切削熱是刀具的大敵。但不幸的是，在刀具/工件界面處，刀具往往需要承受足以縮短刀具壽命和限制刀具性能的切削高溫。為了解決這一問題，人們開發(fā)了各種各樣的刀具材料，其中最常用的是高速鋼和硬質(zhì)合金。高速鋼刀具具有十分出色的強度和韌性，而硬質(zhì)合金刀具則以較高的硬度和紅硬性（在切削高溫下保持硬度的能力）而更勝一籌。一般來說，整體硬質(zhì)合金刀具的切削速度至少可達到高速鋼刀具的4倍以上，并且刀具壽命更長。但是，與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具的斷裂韌性較差，限制了其在某些加工領域（尤其是攻絲加工）中的應用。 

與大部分車削、銑削和鉆削刀具不同，絲錐的切削刃比較薄弱，其整體強度也較低。即使在加工相對較易切削的工件材料（如鋼）時，硬質(zhì)合金絲錐的切削刃也容易發(fā)生崩刃，導致刀具失效。在對低碳鋼進行攻絲時，連續(xù)的長切屑可能會堵塞絲錐的容屑槽，從而限制了硬質(zhì)合金絲錐應用于一些甚至比鋼更容易攻絲的工件材料（如鋁和鑄鐵）。鋼和其他鐵族材料是最常見的需要加工裝配用螺孔的材料，因此，刀具制造商正在不遺余力地開發(fā)能防止切削刃崩刃和破損的絲錐。鑒于硬質(zhì)合金與高速鋼相比具有先天性能優(yōu)勢，因此硬質(zhì)合金絲錐已成為開發(fā)重點。 

內(nèi)螺紋的尺寸精度決定了螺紋裝配的精度和適配性。加工內(nèi)螺紋時，絲錐通常由鉆床或裝有柔性攻絲頭的非同步機床驅(qū)動，柔性攻絲頭可以帶動絲錐旋轉(zhuǎn)，并以接近于所要求的內(nèi)螺紋導程的速率進給。這些老式機床在攻絲時難以精確地協(xié)調(diào)進給與旋轉(zhuǎn)運動，而這種協(xié)同性是螺紋加工的必要條件。因此，必須使用柔性攻絲頭以控制誤差范圍。攻絲時，柔性攻絲頭會使絲錐產(chǎn)生徑向跳動，限制了螺紋精度的提高。這些因素導致加工剛性較低和絲錐載荷不均勻。 

硬質(zhì)合金絲錐的成功應用取決于刀具的夾持剛度和進給的控制精度。對于大多數(shù)加工方式來說，這些加工條件是理所當然的。但是對于攻絲來說，這些條件才剛剛變?yōu)楝F(xiàn)實。 

近年來，機床控制技術(shù)不斷進步，已能實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動與進給的同步控制，從而可以無需再使用柔性攻絲頭。此外，使用熱裝式和液壓式刀具夾頭可以提高刀具的夾持剛性，徑向跳動誤差也比使用柔性攻絲頭時大幅降低。這些刀具夾頭旋轉(zhuǎn)時的同心度在3μm以內(nèi)。盡管精密套筒式大夾持力高精度（TGHP）夾頭的性能稍遜于熱裝式和液壓式刀具夾頭，但應用于攻絲加工時也十分有效。 

并非所有的數(shù)控機床都能實現(xiàn)“同步”攻絲（即“剛性”攻絲——當主軸旋轉(zhuǎn)時按螺紋導程精確進給）。因此，為了允許有微量的軸向位移以補償同步攻絲機床固有的微小誤差，需要對熱裝式、液壓式和套筒式TGHP刀具夾頭進行改進。 

工業(yè)標準絲錐的柄部公差較為寬松（一般為+0.0000/-0.0381mm）。由于市售的絲錐可以在柔性攻絲頭上使用，因此對于控制徑跳的尺寸公差要求并不嚴格。例如，根據(jù)工業(yè)標準，1/2″高速鋼絲錐的柄部與螺紋直徑的徑跳誤差可以達到0.04mm，而且并不要求直接控制螺紋直徑和斜面切削刃與絲錐柄部的同心度，這就允許了徑跳誤差和負荷不均勻現(xiàn)象的存在。實際上，這些尺寸都是相對于絲錐制造時的夾持中心進行測量的。 

為了發(fā)掘硬質(zhì)合金刀具材料的全部效益，肯納公司設計了一種能充分發(fā)揮高剛性機床和高精度刀具夾頭優(yōu)勢的新型絲錐——KC7542牌號整體硬質(zhì)合金絲錐，這種絲錐在高速同步攻絲時具有很高的切削刃強度和耐磨性。與高效硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀一樣，硬質(zhì)合金絲錐也采用全圓柱柄，以確保同心度和有效的夾持（大多數(shù)絲錐采用帶四方頭的圓柱柄）。此外，該絲錐的柄部尺寸與其他刀具的柄部尺寸相同，例如，1/4-20硬質(zhì)合金絲錐的柄部尺寸與通常用于鉆削1/4-20螺紋底孔、直徑為5.1054mm的硬質(zhì)合金鉆頭柄部尺寸相同。 

為了充分發(fā)揮熱裝式、液壓式或精密套筒式TGHP刀具夾頭的優(yōu)勢，這種硬質(zhì)合金絲錐的柄部尺寸精度達到德國標準DIN 7160的H6級。因此，1/2″絲錐的柄部尺寸公差為+0.0000/-0.0101mm，圓度公差保持在0.0030mm以內(nèi)。絲錐柄之所以不需要帶有方頭，是因為這些刀具夾頭在攻絲時，對于滿足上述柄部尺寸公差的絲錐具有足夠的夾緊力。此外，絲錐帶螺紋部分的刀體和切削斜面與柄部的同心度在10μm以內(nèi)，可以提高絲錐承受負荷的均勻性。 

將這種硬質(zhì)合金絲錐與精密刀具夾頭一起使用時，即可組成可減小絲錐徑跳的高剛性工具系統(tǒng)，它能夠滿足成功應用硬質(zhì)合金絲錐的兩個條件：高剛性和絲錐負荷的均勻性。 

過去，當整體硬質(zhì)合金鉆頭剛被引入孔加工時，為了減小切削刃負荷和防止崩刃，用戶不得不降低每轉(zhuǎn)進給量（與高速鋼鉆頭相比）。不過，硬質(zhì)合金鉆頭可以采用更快的切削速度。隨著硬質(zhì)合金鉆削牌號和鉆頭設計的進步，切削刃崩刃的可能性大大降低，從而使整體硬質(zhì)合金鉆頭的實際進給率不斷提高。 

對于絲錐而言，僅由螺紋導程、螺紋頭數(shù)和切削刃斜面來控制切屑載荷，攻絲的環(huán)境條件難以進一步降低作用于絲錐切削刃上的負荷。但是，為了避免崩刃，整體硬質(zhì)合金鉆頭在設計上的改進（使其可獲得更高進給率）也同樣可以應用于整體硬質(zhì)合金絲錐。這些改進包括新的刀具牌號KC7542，這種牌號將專門為絲錐開發(fā)的高強度硬質(zhì)合金基體與為硬質(zhì)合金鉆頭新開發(fā)的納米TiAlN涂層完美地結(jié)合在一起。 

加工機床、控制系統(tǒng)、刀具夾頭、硬質(zhì)合金牌號和絲錐設計的改進大大拓展了可實現(xiàn)高效攻絲的工件材料范圍，其中不僅包括短切屑材料（如鋁和鑄鐵），也第一次包括了長切屑材料（如碳鋼和合金鋼）（參見下表）。 

表：用硬質(zhì)合金絲錐加工不同材料時推薦的切削速度范圍 
工件材料類別—材料實例—材料硬度—切削速度*(sfm) 
低碳鋼(C<0.25%)—1018—<220HB—300～400 
易切鋼—12L14—<275HB—250～350 
普通中/高碳鋼、工具鋼—1040、4340、H-13、D-2—<32HRC—200～300 
鐵素體鋼、馬氏體鋼、PH不銹鋼—430、410、17-4 PH—<32HRC—150～210 
球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵—A-47、A-536—<300HB—250～400 
灰鑄鐵—20～50級—<300HB—250～400 
（*表中所列切削速度適用于孔深小于3倍孔徑的通孔攻絲） 

此外，在能實現(xiàn)同步攻絲的CNC數(shù)控機床上用熱裝式、液壓式或精密套筒式TGHP刀具夾頭夾持攻絲時，新推出的硬質(zhì)合金絲錐能以比高速鋼絲錐快5倍的速度進行加工，從而可以大幅度提高攻絲生產(chǎn)率。 

但是，在對盲孔進行攻絲時必須注意，并非所有的CNC數(shù)控機床都具有相同的同步攻絲能力。由于加工到盲孔的孔底時絲錐和主軸必須減速并退出，在絲錐反轉(zhuǎn)時可能會出現(xiàn)導程誤差，從而引起作用于絲錐的側(cè)向推力，并造成螺紋檢測時尺寸超差。此外，由于絲錐減速、反轉(zhuǎn)和重新加速時仍與工件接合在一起，因此，盲孔攻絲的速度應比推薦的通孔攻絲速度降低40％左右。 

肯納公司收集了一些有關新型硬質(zhì)合金絲錐的加工數(shù)據(jù)。例如，在一次切削試驗中，用M12×1.75的絲錐對4340鋼（硬度為32HRC）工件進行通孔攻絲。TiN涂層高速鋼絲錐以50sfm的常規(guī)攻絲速度通常可以加工1500個孔；如將攻絲速度提高到300sfm，則只能加工158個孔。而在該試驗中，硬質(zhì)合金絲錐以300sfm的攻絲速度加工1700個孔后，絲錐幾乎沒有磨損。在另一次加工4340鋼的切削試驗中，高速鋼絲錐以50sfm的攻絲速度加工1300個孔后失效；而M6×1的硬質(zhì)合金絲錐則可以300sfm的攻絲速度加工超過6000個孔。 

一家汽車零部件供應商采用新型硬質(zhì)合金絲錐加工A-536球墨鑄鐵時發(fā)現(xiàn)，攻絲速度可從110sfm提高到400sfm，從而可使攻絲循環(huán)時間縮短65％。由于絲錐壽命增加到了40000個孔，是粉末冶金（P/M）高速鋼絲錐壽命的4倍，因此在考慮加工成本和刀具成本的情況下，總的攻絲成本可降低66％。 

另一家制造商發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金絲錐可以300sfm的攻絲速度加工A-36鋼件，從而可將加工時間縮短到30秒鐘加工4個3/8－16的孔。此外，一支硬質(zhì)合金絲錐可以完成通常需要3－4支高速鋼絲錐才能完成的加工任務。

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