硬材料的螺纹加工

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对于金属加工材料而言，硬度值HRC36通常被视为软材料与硬材料的分界线。将HRC36作为硬材料的起点值，是因为硬度大于该值后，材料的延伸率通常就会小于10％。一般来说，这种硬度的材料已不适合用冷挤压成形丝锥或滚压成形丝锥来加工螺纹。因此，硬材料的螺纹加工通常需要采用切削丝锥或螺纹铣刀。
但是，这种一般性限制条件也并非绝对不可逾越。某些冷挤压成形丝锥也可以在硬度高达HRC44的材料上加工螺纹。而切削丝锥则既可在软材料，也可在硬材料上加工螺纹。不过，在对硬材料进行攻丝时，需要对丝锥的结构设计进行一些改动。
0 c- E0 s" }$ o. F应用领域
制造商需要在包括航空零件和医用零件在内的各种硬材料工件上进行螺纹加工。例如，美国CIM公司需要对硬度HRC32－39的医用零件（如骨锯导向器）以及硬度HRC48－52的材料（如用于光学工业的不锈钢激光器件）进行螺纹加工。CIM公司最初是一家涡轮机制造商，涡轮零件通常用镍基合金（如STELLITE31）制造，其热处理后的硬度达到HRC48－52。
4 V- E" Y2 [3 @" x; Y& M# ~模具制造商也需要在硬材料上加工螺纹。模具通常用工具钢（如H－13、P－20等）材料制造。H－13的硬度为HRC48－52，而P－13的硬度可达HRC50－52。模具用硬材料还包括可热处理合金和钴基合金。
" ?- B/ F* B4 O3 U  D, Y虽然采用HSS－E高速钢（E指“特级”，表示富钴高速钢）丝锥可对硬度高达HRC55的材料进行攻丝加工，但制造商应该采用可加工更高硬度的硬质合金丝锥。硬质合金丝锥可用于加工高硬度的马氏体不锈钢（400系列的硬度为HRC50－60），这些不锈钢的主要合金元素是11.5％－18％的铬。
硬材料攻丝还可应用于一些过程控制零件的加工。例如，镍基合金可用于制造测量化学品（包括酸液）流速的零件，这种材料必须对腐蚀性化学品具有很好的耐受力。
' M7 x4 m: |, o1 e% ]丝锥设计
  v& @% g& c' f( `( i4 U, m与加工软材料相比，加工硬材料的丝锥需要采用更硬的涂层（如TIN和TICN涂层）。此类丝锥还包括其他一些结构特点。
一个特点是丝锥的槽数。为了加工硬材料，需要采用较多的槽数。例如，二槽丝锥适合加工铝，而用于加工硬材料的丝锥可能需要采用5－6槽。更多的槽数可以产生更多的切削刃，从而分散和减小切削力与刀具磨损。
8 t4 K1 |0 J8 |, Z$ h另一个特点是刀具的铲磨量，设计用于加工软材料的丝锥铲磨量较小，因为减小铲磨量可以提高加工这些材料的稳定性。加工硬材料的丝锥则需要采用较大的铲磨量。增大铲磨量的目的是为了形成负的（径向）切削面，而加工软材料的丝锥会形成正的切削面，有点类似于锋利的鹰爪，这种鹰爪形切削面可能会对较硬的工件材料造成损坏。此外，通过对丝锥导向部或切削刃的倒棱铲磨、偏心铲磨（它会影响螺纹攻丝的螺距和小径）和牙型铲磨（它会影响大径、螺距和小径），也可以获得较大的铲磨量。增大铲磨量可以减小丝锥的切削抗力，有利于硬材料的加工，因为硬材料的弹性较小，如果切削抗力过大，有可能造成丝锥折断。此外，减小切削抗力可以提高丝锥的自由切削能力，并减小攻丝所需的扭矩。但是，减小扭矩不应与很小的扭矩混为一谈。在硬材料上攻丝需要消耗很大的功率，丝锥切削刃也要承受很大的切削力。
& N( A1 i8 D% b1 H# T/ C除了增大铲磨量以外，加工硬材料的丝锥还需要采用较大的前角。丝锥前角对切削刃稳定性的影响比后角的影响更大。减小前角可以提高切削刃运动的稳定性，并且通常会产生更有利的切屑形状。但是，减小前角——这对于加工硬材料也有必要——会增大切削力和扭矩。
此外，在加工硬材料时，制造商应该预计到，即使对丝锥结构进行了专门改进，其使用寿命仍然比较短。专用丝锥的使用寿命取决于螺纹孔的深度和工件材料的硬度。制造商还应该预计到，加工硬质材料的丝锥价格比加工软质材料的丝锥更昂贵。例如，为了加工硬度特别高的工件材料，通常必须使用成本更高的硬质合金丝锥。
% F% X2 M' P2 _3 n2 ]) m3 _" ?“啄击”式攻丝
7 G- |# s5 r: @9 s4 h除了丝锥设计以外，制造商还应该了解硬质材料攻丝的一些技术要点。
# t- J, X5 S- }" O! Y- A4 i! [由于在加工硬质材料时，丝锥更容易折断，因此必须格外注意操作方法。操作者可以采用“啄击”方式来减小丝锥折断的风险。该方式是通过几次逐步递增的进刀，最终加工出所需的螺纹。由于每次进刀只完成少量切削，因此可以减小作用于丝锥上的切削负荷。例如，HIGHVAC公司在制造用于半导体工业的法兰时，需要用高效切削丝锥在镍基合金（如热处理前硬度为HRC45－50的HASTELLOY、INCONEL625和INCONEL718）上攻丝。该公司采用“啄击”方式，每次进刀只加工出一部分螺纹深度。如果整个螺孔深度为12.7MM，则切削丝锥每次进刀的吃刀量仅为2.54MM，通过5次进刀，即可加工出整个螺纹。不过，要采用这种攻丝方法，制造商必须有具备“啄击”加工功能的机床。此外，这种加工方式的速度比常规攻丝要慢一些。尽管如此，为了减小因丝锥折断而导致接近完工的工件报废的可能性，这种加工方法还是很有用的。
) ]4 z8 u6 K& d与螺纹铣削的对比
硬质材料上的螺纹孔还可以用螺纹铣刀来加工。一般来说，用硬质合金螺纹铣刀加工高硬度材料没有太大问题。螺纹铣削可以对刀具的进给率进行更好的控制。此外，螺纹铣削通常是在硬质材料上加工螺纹孔最安全的方法，尤其是，一旦螺纹铣刀折断在螺孔中，比较容易采取挽救措施。而一旦切削丝锥折断在螺孔中，从孔中取出折断的丝锥并挽救通常价值不菲的工件就要困难得多，有时甚至完全不可能。因此，在模具制造业和航空工业，螺纹铣削通常是在硬质材料上加工螺纹孔的首选方式。
6 I/ p; U6 }5 h% p1 _1 P: T7 L此外，在螺纹铣削时，制造商可以更容易地控制螺纹尺寸。螺纹铣刀是通过螺旋插补运动（包括CNC数控机床的X、Y和Z轴同时运动）来铣制螺纹的，当螺纹铣刀磨损后，可以通过机床编程对刀具的螺旋插补进行补偿，从而保证加工出的螺纹尺寸始终符合要求。不过，与螺纹攻丝相比，螺纹铣削的加工成本可能更高，在选择加工工艺时必须考虑这一点。
链接：软质材料的冷挤压成形攻丝
$ F6 Z% i$ R$ ]  i7 o与切削丝锥相比，用冷挤压成形丝锥加工软质材料（≤HRC35）螺纹孔具有许多优势。由于冷挤压成形攻丝是挤压而不是切削材料，因此不会产生切屑。与切削而成的螺纹相比，冷挤压成形的螺纹具有更高的表面拉伸强度、屈服强度和剪切强度。更高的强度来源于螺纹形成机理，该工艺是通过使工件材料发生永久塑性变形而形成螺纹的。
冷挤压成形丝锥的寿命通常比切削丝锥更长，因为冷挤压成形丝锥没有容易被快速磨损的锋利切削刃。冷挤压成形丝锥还能以比切削丝锥更大的长径比加工螺纹。此外，与切削丝锥相比，用冷挤压成形丝锥加工出的螺纹尺寸通常具有更好的一致性。
- J2 S9 N" A- s! `但是，要获得这种尺寸一致性也需要付出一定代价。在进行冷挤压成形攻丝时，需要首先加工出更精密的中心孔。冷挤压成形攻丝的成功取决于中心孔的直径，其尺寸公差通常要比用切削丝锥攻丝时更小。孔径尺寸一个单位的偏差就可能引起形成的螺纹尺寸4个单位的偏差。因此，在进行冷挤压成形攻丝之前，可能需要对中心孔进行铰削加工。
: C. u* h( B  E. E. j9 L如果中心孔尺寸过大，将没有足够的材料可供冷挤压成形丝锥挤压出正确尺寸的螺纹。如果中心孔尺寸过小，冷挤压成形丝锥就不得不挤开更多的材料以形成螺纹，从而造成丝锥过快磨损。此外，在加工粗牙螺纹时，为了形成每个螺纹，冷挤压成形丝锥都必须挤开更多材料，而挤压的材料越多，产生冷作硬化的可能性也越大。不锈钢、钛合金和镍基合金都容易发生冷作硬化，因此，这些材料都可能缩短丝锥寿命，或造成丝锥折断。
文章关键词： 螺纹、材料、合金、铣刀