淺議絲錐的優(yōu)化設(shè)計

李曉峰，霍 琰，李 研，張?jiān)伱?/p>

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧沈陽100034）

絲錐是加工各種中、小尺寸內(nèi)螺紋的刀具，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，既可手工操作，也可以在機(jī)床上操作，對于小尺寸的內(nèi)螺紋來說，絲維幾乎是唯一的加工刀具，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

攻絲是屬于比較困難的加工工序，因?yàn)榻z錐幾乎是被埋在工件中進(jìn)行切削，其每齒的加工負(fù)荷，比其他刀具都要大，并且絲錐沿著螺紋與工件的接觸面大，切削螺紋時必須容納并排除切屑。因此可以說絲錐是在很惡劣的條件下工作的。所以在設(shè)計絲錐前，應(yīng)當(dāng)按照工件材料的性能、強(qiáng)度、螺紋孔的形式和深度、螺紋的種類尺寸，選擇合適形式的絲錐。

1 絲錐的種類

經(jīng)常使用的是：直槽絲錐，螺旋槽絲錐，螺尖絲錐，擠壓絲錐，其性能各有所長。如圖1所示。

圖1 經(jīng)常使用的絲錐種類

（1）直槽絲錐。通用性最強(qiáng)，通孔或不通孔、有色金屬或黑色金屬均可加工，價格也最便宜。但是針對性也較差，什么都可做，什么都不是做得最好。其結(jié)構(gòu)最簡單，刃傾角為零，各切削齒的切削層面積呈階躍式增加，易產(chǎn)生振動，主要起切削作用的是頂刃和兩個側(cè)刃。由于小直徑絲錐螺紋型面都不鏟磨，切削后角為零，切削時產(chǎn)生的熨壓力和摩擦力很大，因而攻絲扭矩大。切削錐部分可以有2、4、6牙，短錐用于不通孔，長錐用于通孔。只要底孔足夠深，就應(yīng)盡量選用切削錐長一些的，這樣分擔(dān)切削負(fù)荷的齒多一些，使用壽命也長一些。

（2）螺旋槽絲。錐容屑槽是螺旋狀的，根據(jù)旋向的不同，分為左旋和右旋。左旋螺旋槽絲錐攻絲時，切屑向下排，適合于通孔；右旋螺旋槽絲錐攻絲時，切屑向上排出，適合于盲孔。螺旋槽絲錐的實(shí)際前角增大，切削順利，降低切削扭矩，切入過程平穩(wěn)，切屑為螺旋狀，易于排出。由于螺旋槽升角較大，絲錐每個切削齒的上下兩個側(cè)刃，切削條件明顯不同，一個是以正前角切削，一個是以負(fù)前角切削。因此，螺紋左右兩側(cè)面的表面品質(zhì)有所不同，對于精密內(nèi)螺紋攻絲，一般不采用螺旋槽絲錐。由于螺旋角的緣故，絲錐實(shí)際切削前角會隨螺旋角增大而加大。經(jīng)驗(yàn)告訴我們：加工黑色金屬的，螺旋角選的小一點(diǎn)，一般在30°左右，保證螺旋齒的強(qiáng)度；加工有色金屬的，螺旋角選的大一點(diǎn)，可在45°左右，切削鋒利一些。

（3）螺尖絲錐。加工螺紋時切屑向前排出。其芯部尺寸設(shè)計比較大，強(qiáng)度較好，可承受較大的切削力。加工有色金屬、不銹鋼、黑色金屬效果都很好，通孔螺紋應(yīng)優(yōu)先采用螺尖絲錐。

（4）擠壓絲錐。比較適合加工有色金屬，與上述切削絲錐工作原理不同，其為對金屬進(jìn)行擠壓，使之塑形變形，形成內(nèi)螺紋。擠壓成形的內(nèi)螺紋金屬纖維是連續(xù)的，抗拉及抗剪強(qiáng)度較高，加工的表面粗糙度也較好，不過擠壓絲錐底孔要求較高：底孔過大，基礎(chǔ)金屬量少，造成內(nèi)螺紋小徑過大，強(qiáng)度不夠；底孔過小，封閉擠壓的金屬無處可去，造成絲錐折斷。

還有一些特殊的絲錐，如跳牙絲錐，其間隔地去掉一個齒，與工件之間的壓力及摩檫力較小，加工薄壁件內(nèi)螺紋，不會造成薄壁件變形。

2 絲錐的切削形式

以普通直槽絲錐為例，絲錐的工作部分是由切削和校準(zhǔn)部分組成。切削部分齒形是不完整的，后一刀齒比前一刀齒高，當(dāng)絲錐作螺旋運(yùn)動時，每一個刀齒都切下一層金屬，絲錐主要的切屑工作，是由切削部分擔(dān)負(fù)。校準(zhǔn)部分的齒形是完整的，主要用來校準(zhǔn)及修光螺紋廓形，并起導(dǎo)向作用。

2.1 普通直槽絲錐的切削形式

普通直槽絲錐的切削齒有兩個主切削刃和一個副切削刃（如圖2所示），是以第二主切削刃來完成主要切削工作的。

圖2 普通直槽絲錐的切削齒

圖3為切削圖形。

圖3 普通直槽絲錐的切削圖形

這種絲錐的優(yōu)點(diǎn)是制造容易，切削部分的外徑、中徑、內(nèi)徑分別各在一個圓柱面上，切削錐部僅沿齒頂鏟磨成一圓錐形，成為不完全牙形。缺點(diǎn)是切削部分的前端是梯形齒，相當(dāng)平的第一齒在切入時軸向力大，引導(dǎo)不良，在開始切入時往往是刮削，造成內(nèi)孔擴(kuò)大。此外第一主切削刃無后角，摩擦大，螺紋光潔度低，刀齒磨損快，絲錐壽命低。

2.2 成組絲錐的切削形式

對于大螺距螺紋孔的加工，為減輕絲錐的切屑負(fù)荷，根據(jù)被加工螺紋直徑和螺距的大小，以及被加工材料的性能，成組絲錐可設(shè)計成2支一組、3支一組或4支一組。通常采用的設(shè)計方法有兩種：等徑設(shè)計和不等徑設(shè)計。

（1）等徑設(shè)計方法。是指在一組絲錐中，每支絲錐的大徑、中徑和小徑的名義尺寸均相同，區(qū)別僅在于切削錐長度不一樣。第一錐的切削錐長度最長，第二錐次之，第三錐最短。切削錐越長，參加切削的刀齒就越多，每個刀齒分擔(dān)的切削負(fù)荷相應(yīng)減小，使用壽命隨之延長；反之，則每個刀齒分擔(dān)的切削負(fù)荷越大，使用壽命也就越短。由于采用等徑設(shè)計，絲錐的刀齒主要是以頂刃參加切削，兩個側(cè)刃對螺紋的廓形基本上無修正作用，因此，被加工螺紋的表面粗糙度較差，圖4為其切削圖形。

圖4 等徑設(shè)計絲錐的切削圖形

（2）不等徑設(shè)計方法。為了提高螺紋的精度和改善表面粗糙度，可采用不等徑設(shè)計方法。不等徑設(shè)計，是指在一組絲錐中，每支絲錐的大徑、中徑和小徑的名義尺寸各不相同。這種絲錐在切削時，頂刃和側(cè)刃同時參加切削，增加了切削的有效長度，切削面薄而窄，散熱條件好，每個刀齒對螺紋的齒廓均有修正作用。由于切削負(fù)荷分配合理，使絲錐的使用壽命得以延長，被加工螺紋的表面粗糙度得到改善。目前，在小直徑及大直徑螺紋加工中，成組不等徑絲錐得到了廣泛應(yīng)用。圖5為其切削圖形。

圖5 不等徑設(shè)計絲錐的切削圖形

3 絲錐的各主要參數(shù)

圖6為絲錐主要參數(shù)的示意圖。

圖6 絲錐主要參數(shù)示意圖

絲錐的各主要參數(shù)，一般都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)選取作參考，根據(jù)不同的設(shè)計要求，按推薦表或計算公式就可以得出。例如：

（1）絲錐的總長L和柄部直徑d5的基本尺寸參照GB967選取，偏差按GB1801選取。

（2）螺紋長度的確定基本取15～19個螺距。

（3）絲錐前端直徑d3的確定。為了使絲錐開始切制螺紋孔時，就切制螺紋并有較好的支承和引導(dǎo)的作用，絲錐前端直徑d3小于過盈螺紋底孔直徑d鉆。d3=（0.1～0.2）d鉆。

（4）切削長度l5的確定：粗錐基本取5個螺距，Ⅰ、Ⅱ錐取1.5個螺距。

（5）絲錐刃瓣數(shù)的確定與絲錐公稱直徑有關(guān)，公稱直徑d≤12 mm取3個，d＞12 mm取4個。

（6）絲錐芯徑d4的確定與絲錐公稱直徑有關(guān)，公稱直徑d≤10 mm時，d4取0.40d，d＞10 mm時d4取 0.45d。

（7）絲錐槽形尺寸，刃瓣寬度m，槽底R、r、l7。

一般來說，絲錐的前角和后角的選擇，對絲錐的切削功能有較大的影響。對于高強(qiáng)度的工件材料，絲錐的前角通常較小，以增加切削刃強(qiáng)度。前角較大的絲錐，則用在切削扭矩較大的場合。但前角過大，切削刃可能會產(chǎn)生崩刃并嵌入螺紋。一般情況下，長屑材料需較大的前角，以便卷屑和斷屑。另一方面，太鋒利的角度，會使切削刃過于薄弱。另一個受工件材料可加工性影響較大的絲錐角度是后角。加工較硬的工件材料需要較大的后角，以減小磨擦和便于冷卻液到達(dá)切削刃，但過大的后角又會減小絲錐切入工件時的自定心能力。加工軟材料時，太大的后角會導(dǎo)致螺孔擴(kuò)大。所以一般根據(jù)被加工材料的特性確定了前角 γ=8°～10°，后角 β=6°～8°。

4 絲錐的應(yīng)用尺寸

絲錐是用來加工內(nèi)螺紋的，所以其精度和公差與螺紋有著密切的聯(lián)系，在進(jìn)行絲錐設(shè)計時，非常重要的就是絲錐外徑、中徑和內(nèi)徑的計算。

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了絲錐的4種精度等級，其各級絲錐具有不同的公差帶位置（見圖7所示）。H1、H2、H3級適用于磨牙，H4級適用于滾牙，設(shè)計者按螺紋孔的精度和加工條件，選用適當(dāng)?shù)慕z錐。

通常設(shè)計時，絲錐大徑的下偏差應(yīng)比螺孔大徑至少加大一定磨損儲備量，絲錐中徑公差帶設(shè)計主要考慮絲錐中徑上下偏差大小位置，應(yīng)保證切制出螺紋孔后，能使通端螺紋塞規(guī)順利地旋合，而止端螺紋塞規(guī)不通過。同時要給予絲錐中徑以適當(dāng)?shù)闹圃旃钤瓌t，來確定絲錐中徑公差帶的位置。絲錐最大小徑，均小于被加工螺母的最小小徑，絲錐牙底的圓弧不應(yīng)超過螺母的最小小徑，以保證絲錐小徑不參加切削，或起修光毛刺的作用。

圖7 各精度等級絲錐的公差帶位置

5 絲錐的材料選取

通常根據(jù)工件的材料，來選取絲錐的材料，加工普 通 鋼 件 一 般 采 用 W6Mo5Cr4V2，W18Cr4V，W2Mo9Cr4VCo8，W12Mo3Cr4V3Co5Si,W6Mo5Cr4V2Al等高速鋼。

現(xiàn)在隨著科技的發(fā)展，硬質(zhì)合金絲錐的使用增多，像車削中硬質(zhì)合金刀具逐漸替代高速鋼刀具一樣，硬質(zhì)合金絲錐也開始更多地用于螺紋孔加工。與高速鋼相比，硬質(zhì)合金硬度高、脆性大，用硬質(zhì)合金絲錐攻絲，存在切屑處理的問題。雖然如此，硬質(zhì)合金絲錐對于加工鑄鐵和鋁合金材料，其使用效果很好比高速鋼絲錐壽命更長。同時多元多層超硬涂層絲錐，也有良好的前景，配以特殊的涂層表面（如TiN、TiCN、CrN或TiAlN），可大大提高絲錐的壽命。這些耐熱的、光滑的涂層，減小了切削力并允許在更高的切削速度下攻絲。

6 結(jié)束語

作為航空工業(yè)專業(yè)刀量具的設(shè)計科研企業(yè)，致力于專業(yè)刀量具的研發(fā)、制造、檢測與試驗(yàn)，通過技術(shù)創(chuàng)新，設(shè)計出更適用的刀具，確保加工零件質(zhì)量。

[1]廖念釗.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：中國計量出版社，1994.

[2]GBT 20955-2007，金屬切削刀具[S].