絲錐切削過程中牙齒頂部的拉毛及解決措施

文/祝新發(fā) 上海工具廠有限公司技術中心 (200093)

祝新發(fā)(1975年~)，男，安徽省潛山人，畢業(yè)于上海大學?，F(xiàn)任高級工程師，主要從事材料、熱處理、涂層等技術和管理工作。

一、現(xiàn)象及描述

隨著刀具的進步和發(fā)展，刀具用材的種類將會變得更加廣泛和多樣，但其中很多刀具將繼續(xù)以高速鋼材料為主，如絲錐等。據(jù)統(tǒng)計，截止至2008年，高速鋼絲錐占全部絲錐的比重達到95%左右。因此，對高速鋼絲錐切削過程的非正常狀態(tài)進行失效分析并采取措施以提高高速鋼絲錐的質量，將產(chǎn)生積極的作用。

在進行絲錐切削試驗過程中發(fā)現(xiàn)，絲錐后刀面磨損正常，螺紋孔光滑，質量正常，按JB/T 54882-1999機用絲錐產(chǎn)品質量分等要求，絲錐切削壽命超過一等品要求，但絲錐牙齒頂部有時會出現(xiàn)拉毛（俗稱爛牙）現(xiàn)象發(fā)生（見圖1），主要集中在M8、M10等。這種現(xiàn)象，在國內幾家大的工具廠產(chǎn)品中都有所發(fā)現(xiàn)。雖然這種現(xiàn)象在一定程度上不影響切削，但發(fā)展到一定程度將會影響螺紋的表面粗糙度，從而導致刀具失效。從這個意義上來說，對這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進行分析，并提出解決問題的措施，對提高產(chǎn)品質量將會產(chǎn)生明顯的作用。

圖1 M8×1.25絲錐齒頂端拉毛現(xiàn)象

二、原因分析

針對失效絲錐牙齒頂部拉毛現(xiàn)象，對其進行了材料、硬度以及現(xiàn)象產(chǎn)生過程的綜合分析，主要包括以下幾個方面：

1.材料和金相分析

在對易產(chǎn)生齒頂拉毛現(xiàn)象的絲錐進行材料分析時，發(fā)現(xiàn)一個明顯的現(xiàn)象就是碳化物偏析嚴重，而齒頂脫碳層發(fā)現(xiàn)不明顯（如圖2）。其中偏析嚴重的如圖3、圖4所示。

圖2 M8絲錐齒部金相情況

圖3 M8絲錐縱切面金相

圖4 M8絲錐橫切面金相

從圖3可見，材料縱切面碳化物偏析嚴重，達到了3.5級以上；從圖4可見，橫切面上，碳化物堆積較嚴重，且有回火不充分的現(xiàn)象產(chǎn)生。碳化物偏析嚴重，且顆粒較大，對于小規(guī)格絲錐來說，屬于較大缺陷。偏析造成的回火不足必將導致刀具易失效。

2.硬度分析

在硬度分析過程中，主要進行了基體硬度和齒頂硬度的測試分析，硬度測試在維氏硬度計FM700設備上進行，對易產(chǎn)生拉毛現(xiàn)象絲錐的硬度測試結果如表1所示：

表1 絲錐硬度分析

從表1可見，絲錐的整體硬度處于一般絲錐硬度規(guī)定值的下限，且齒頂部硬度較基體硬度有輕微偏低。齒頂部硬度偏低，有可能在磨刃部外圓時，冷卻不充分或刃部外圓磨削分配不均導致退火所致。絲錐的硬度特別是齒頂部的硬度偏低，易造成齒頂部拉毛。

3.齒頂部拉毛現(xiàn)象產(chǎn)生的過程分析

在進行切削過程中發(fā)現(xiàn)，齒頂部拉毛現(xiàn)象主要發(fā)生在退刀過程中，而在攻絲過程中發(fā)現(xiàn)不明顯。在切削之前，對所有廠商的絲錐都進行了精度測試，進行試驗的絲錐精度都在合格控制范圍內。因此，此處不考慮刀具的幾何形狀對切削過程的影響。在退刀過程中，鐵屑在排屑過程中與齒頂發(fā)生作用，一旦超過齒頂處的強度，就使齒頂部拉毛。

4.小結

通過上述分析，可以得出一個結論：

齒頂拉毛現(xiàn)象的產(chǎn)生，與材料缺陷、加工方式不合理等因素有密切關系，上述因素導致齒頂部強度降低，在刀具設計方式一定的情況下，使得在退刀過程中，鐵屑對齒頂產(chǎn)生拉毛現(xiàn)象。

針對上述原因的分析，進行了針對性的試驗，以期解決此種現(xiàn)象的發(fā)生。

三、解決措施

1.試驗設計

試驗設計以提高齒頂部強度為前提，為此，在試驗原材料、硬度、加工方式、表面強化、切削方式等全過程進行控制，以期解決此問題。

(1) 原材料的控制：采用HY-TM2絲錐材料，嚴格控制碳化物偏析和顆粒大?。槐ＷC碳化物細小彌散。如圖5、圖6 所示。

圖5 試驗用材料心部縱截面淬火回火組織×100

圖6 試驗用材料心部橫截面淬火回火組織×500

(2) 硬度的控制：采用IPSEN Turbo2Treater 高壓氣淬真空爐（如圖7所示）進行絲錐的熱處理，保證硬度的均一、可控和高度的重現(xiàn)性，避免硬度偏差引起試驗誤差。

(3) 加工精度的控制：采用德國勇克機床（如圖8所示）進行全磨制加工，保證加工精度和加工過程中每一步驟的可控性，降低刃部外圓磨削過程中冷卻不均和磨削量分配不均，對每一步的磨削量進行合理分配，減少退火現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖7 Turbo2Treater 高壓氣淬真空爐

圖8 TAPOMAT 3000 M4273/M4274數(shù)控螺紋磨床

(4) 表面強化：采用PVD RCS鍍膜機(如圖9所示)進行表面涂層，對絲錐表面強化。在試驗過程中，擬采用TiN-ML涂層對絲錐進行表面涂層。

圖9 RCS鍍膜機

(5) 采用DMU 50Evo linear五軸加工中心（如圖10）進行切削試驗，避免人為因素影響。

圖10 DMU 50Evo linear五軸加工中心

2.試驗過程

(1) 材料理化及熱處理性能

試驗用原材料理化性能如表2所示，理化性能在正常范圍之內。

表2 原材料的性能

試驗絲錐按正常工藝在真空爐中進行淬火，淬火溫度為1218~1222℃之間，熱處理后性能如表3所示。

表3 絲錐回火硬度分析

絲錐淬火晶粒度為10.5#,如圖11所示。

圖11 淬火晶粒度

圖12 絲錐充分回火金相

從圖12可見，產(chǎn)品回火充分，為一級。為驗證產(chǎn)品回火性能的充分性，用SJ-SM-2000A磁飽和測量儀進行了回火試樣的鈷磁測試，回火充分。

3.切削過程

本次試驗按照國家切削試驗規(guī)范進行切削,其磨損失效指標如表4所示。

表4 失效判斷指標

切削規(guī)范如表5所示。

表5 切削規(guī)范

切削試驗在DMU 50Evo linear五軸加工中心上進行。試坯材料為40Cr，調質處理，硬度222HB~229HB。

4.切削結果

切削試驗期望在統(tǒng)一加工200孔，3.2m情況下測后刀面磨損。切削結果如表6所示。

表6 M8×1.25絲錐切削情況

從表6可見：對于非涂層絲錐，在切削長度為3.2m的情況下，主后刀面磨損平均僅為0.225mm，優(yōu)于標準規(guī)定切削長度為2.5m，磨損量為0.5mm的一等品要求。齒頂部沒有出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象，具體可見圖13、圖14。

圖13 未涂層絲錐后刀面正常磨損（未見拉毛）

圖14 未涂層絲錐后刀面正常磨損（未見拉毛）

對于涂層絲錐：在切削長度為3.2m的情況下，主后刀面未出現(xiàn)磨損情況，雖然切削速度有所提高，但切削效果明顯優(yōu)于未涂層絲錐。同時從圖15、圖16 可見，涂層絲錐齒頂部未觀察到拉毛現(xiàn)象。采用TiN-ML涂層，表面維氏硬度達到2400HV0.05,大大高于絲錐基體的840HV1。這樣，在切削過程中，有效增強絲錐表面的抗磨損性能，提高絲錐的強度，可降低絲錐的磨損，降低齒頂部拉毛現(xiàn)象的發(fā)生。

圖15 涂層絲錐齒頂情況（未見磨損及拉毛）

圖16 涂層絲錐齒頂情況（未見磨損及拉毛）

四、小結

絲錐齒頂部拉毛現(xiàn)象與刀具基體材料、熱處理硬度和金相組織、刀具加工方式有著密切關系。實踐證明，嚴格控制基體材料，完善熱處理工藝，優(yōu)化刀具加工方式能有效避免此類現(xiàn)象的發(fā)生。涂層是一種新的提高絲錐表面硬度的有效手段，通過絲錐表面的涂層強化處理，可有效提高絲錐的抗磨損性能，降低齒部拉毛現(xiàn)象的產(chǎn)生。