带内冷孔直槽丝锥的设计与应用

刘海涛，孟漪，杨仕成

上海工具厂有限公司 上海 200093

1 序言

本文以某公司生产的发动机缸体W P7材料灰铸铁H T280为加工对象，研究如何提高缸体上的螺纹孔用直槽丝锥的使用寿命。该灰铸铁H T280材料硬度为260～280HBW，属于高硬度、高性能灰铸铁。使用丝锥规格为M15×1.5-130 H2底锥，螺纹底孔深72mm，属于深盲孔加工。通过现场了解，客户使用普通直槽丝锥加工，丝锥材料牌号为W6Mo5Cr4V2。在攻螺纹过程中丝锥遇到的主要问题有：①丝锥容易磨损、易烂牙、使用寿命短。②深盲孔加工效率低，容易被切屑堵塞。③螺纹孔表面粗糙度值高。

为满足客户实际需求，本文针对上述问题，对丝锥进行以下几方面的设计：①针对客户机床带内冷功能，设计成带内冷孔的直槽丝锥，保证在攻螺纹过程中丝锥充分润滑、冷却，减小摩擦，降低螺纹孔粗糙度值。②丝锥材料由普通高速钢M2材料（材料牌号为W6Mo5Cr4V2）换成含钴高性能高速钢M35材料（材料牌号为W6Mo5Cr4V2Co5），并增加涂层工艺，提高丝锥刃口耐磨性和使用寿命；③增大丝锥容屑槽空间，设计更合理的槽形参数。本文以含钴涂层内冷直槽丝锥M15×1.5-130H2底锥为研究对象，通过客户现场加工对丝锥进行寿命试验，验证丝锥在上述攻螺纹过程中是否能够解决遇到的问题。

2 直槽丝锥关键参数设计

2.1 丝锥外形尺寸

柴油发动机缸体螺纹孔为深盲孔加工。针对机床带内冷却功能，在丝锥内部设计内冷孔。结合现场使用攻螺纹夹头尺寸，设计丝锥柄部尺寸d0=11.2m m，头颈尺寸d4=10.7m m，总长L=130mm。内冷直槽丝锥示意如图1所示。

图1 丝锥外形示意

2.2 丝锥内冷孔设计

针对客户现场数控加工中心带内冷功能，将丝锥内部设计成带内冷孔的形式，其主要作用：①改变冷却方式，由外部冷却转为内部冷却，让切削液从丝锥内部喷出，使丝锥刃部冷却更充分。②将内冷孔设计成刃部内冷孔直径小、柄部内冷孔直径大的形式，可以增加乳化液喷出压力，防止在加工螺纹孔时，切屑在螺纹孔内部堆积堵塞，造成丝锥断裂等。本文中直槽丝锥内冷孔在进口走芯数控机床上加工，与车削丝锥外圆为同一道工序，保证了内冷孔与丝锥中心的同轴度，防止由于内冷孔位置偏离中心，导致丝锥在攻螺纹过程中因刚性不足造成断裂等情况的发生。根据本次设计的丝锥规格和本厂实际设计经验，内冷孔尺寸d1=3mm，L3=60mm；d2=4mm。将钻好内冷孔的丝锥进行线切割，可见内冷孔局部剖面图，如图2所示。

图2 丝锥内冷孔局部剖面

2.3 丝锥槽形设计

本次直槽丝锥槽形使用勇克机床上自带的Juwop/W槽形软件，直接对丝锥槽形进行模拟。该方法是在软件上输入槽形几何参数和外形尺寸，选择槽形轮廓形状，通过不断调试圆弧半径数值，得到想要的槽形轮廓[1]。本次设计选取了一直线两圆弧的槽形进行模拟。一直线两圆弧槽形的特点是能够保证软件上前角的输入值与实际值一致，误差保证在±1°，容易控制前角大小。针对螺纹孔为深盲孔和灰铸铁TH280材料高硬度的特点，在保证直槽丝锥刃部强度的情况下，槽形设计要保证较大的容屑空间，防止攻螺纹过程出现堵屑现象，造成丝锥断裂。因此，在槽形模拟时通过调整圆弧半径R1和R2的数值，得到理想的容屑槽形。保证前角直线段与槽底圆弧R1和R2光滑相切，这样加工出来的槽形就会很光滑。同时，为了提高丝锥的使用寿命和螺纹刃部强度，减少丝锥攻螺纹时带来的快速磨损，应适当增大丝锥芯厚，以增大丝锥刃部强度[2,3]。模拟时输入丝锥芯厚D=7.2mm，刃宽F=4.4mm，模拟好的槽形轮廓，如图3所示。

图3 丝锥槽形轮廓

2.4 丝锥前角设计

丝锥前角大小直接影响着丝锥的使用寿命。一般来说，加工软材料时，前角应选得大一些；加工硬材料时，为防止切削刃损伤过快，前角应选得小一些[2]。本文中客户现场柴油机缸体为灰铸铁HT280，硬度为260～280HBW，属于硬材料。本次根据设计经验，前角选取4°～6°进行设计。在Juwop/W软件上模拟时，前角输入值取中间值γ=5°，如图4所示。

图4 丝锥前角模拟测量

含钴涂层内冷直槽丝锥M15×1.5-130关键参数见表1，其公差范围参考国家标准和工厂标准。

表1 内冷直槽丝锥M15×1.5-130关键参数

2.5 丝锥工艺优化

针对柴油发动机缸体材料灰铸铁H T280的特性，及客户对刀具使用要求的提高，本文设计的内冷孔直槽丝锥选取含钴高速钢材料M35（材料牌号为W6Mo5Cr4V2Co5），替代普通高速钢M2（材料牌号为W6Mo5Cr4V2），以便增加丝锥刃口耐磨性，降低刃口烂牙现象发生。

本文中内冷直槽丝锥主要工艺流程为：车毛坯及钻内冷孔—热处理—磨方—磨柄部和刃部外圆—磨槽—磨螺纹—抛光处理—涂层—抛光处理—打标、包装。

关键工艺优化为：在涂层前对丝锥抛光处理，目的是去除刃部螺纹毛刺，让丝锥螺纹表面更加致密，提高涂层在刀具上的附着力，从而更好地发挥涂层的作用。涂层后再次对丝锥进行抛光处理，目的是降低涂层后丝锥刃部表面粗糙度值，减小攻螺纹阻力，便于切削[4]。

本文中直槽丝锥表面涂层选用TiAlN，其优点在于耐热温度可达800℃，适用于高速加工，便于提高生产效率。同时强化了丝锥刃部耐磨性，防止刃口易磨损和烂牙情况发生，延长了丝锥的使用寿命。

3 实际应用与分析

3.1 试验条件

以某客户生产的柴油发动机WP7缸体为加工对象，选用含钴涂层内冷直槽丝锥M15×1.5-130H2底锥，TiAlN涂层。在带内冷功能的数控加工中心上进行试验，如图5所示。缸体材料为灰铸铁HT280，硬度为260～280HBW，每件缸体螺纹孔26个，盲孔加工，底孔深72mm，攻螺纹深度65mm（含沉头孔12mm），攻螺纹转速为600r/min。丝锥使用寿命通过塞规检测作为判断依据，塞规精度为6H。

图5 加工现场

3.2 试验结果分析

通过现场切削试验，在上述加工参数下进行试验。加工过程中选用乳化液润滑冷却。加工出的螺纹孔表面粗糙度得到明显改善。第1个螺纹孔如图6所示。选取20支丝锥进行使用寿命试验，其平均使用寿命为58～62件缸体（即1508～1612个螺纹孔），丝锥最终失效形式均为刃口正常磨损、通规检测未通过。丝锥并未出现刃口磨损或烂牙等情况。这达到了客户对刀具的预期使用寿命要求，提高了生产效率。

图6 加工第1个螺纹孔

4 结束语

经客户现场试验，证明本文设计的带内冷孔直槽丝锥及关键参数，有效改善该客户在加工灰铸铁HT280材料柴油发动机缸体螺纹孔时丝锥出现易磨损、易烂牙和使用寿命短等问题，并解决了螺纹孔表面粗糙度值高的问题。该设计方法对内冷孔直槽丝锥加工灰铸铁材料具有一定的指导作用。