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螺纹刀具的现状及发展趋势

发布时间:2012-11-17

螺纹刀具是用于加工各种内外螺纹的专用工具,在机械加工领域使用广泛,需求量大。近年来,随着切削加工条件的变化以及对高生产率的重视,对螺纹刀具的材料、表面处理、结构参数等提出了更高要求。了解国外螺纹刀具的现状及发展趋势,对于我国螺纹刀具生产企业调整产品结构、提高产品水平、积极参与市场竞争具有积极意义。

1、刀具材料

国外绝大部分工业用螺纹刀具均采用高速钢制造,用合金工具钢制造的螺纹刀具通常只限于家庭使用。如德国GUHRING精密工具公司生产的丝锥82%以上采用高性能高速钢材料制造,约6%采用硬质合金制造,约8%采用粉末冶金高速钢制造;仅占丝锥总产量约4%的手用丝锥也大量采用普通高速钢制造,合金工具钢已很少使用。该公司90%以上的圆板牙采用普通高速钢制造,其余采用高性能高速钢制造。日本OSG公司、德国EMUGE公司等着名的螺纹刀具制造商约有50%的螺纹刀具采用高速钢制造,其余50%则采用粉末冶金钴高速钢、硬质合金、高性能高速钢等高性能优质材料制造。在难加工材料、硬材料工件的螺纹加工中,粉末冶金钴高速钢刀具材料日益受到重视,其抗弯强度、耐磨性、热硬度等性能指标可比普通含钴高速钢提高2~3倍。但由于粉末冶金高速钢加工成本较高,目前在螺纹刀具选材时尚不能普遍使用。

2、表面涂层

高速钢螺纹刀具进行表面涂层后,可有效降低切削摩擦力,减少刀具磨损,大大提高刀具切削性能和使用寿命(一般可提高刀具使用寿命2~3倍)。目前TiN涂层及复合涂层工艺在国外螺纹刀具生产中已得到广泛采用,如德国GUHRINR、EMUGE等公司的各种涂层产品已占其螺纹刀具产量的40%左右。    硬度是高速钢螺纹刀具切削性能的重要参数之一。在加工螺纹过程中,会产生较高切削热并传递给刀具,从而使刀具硬度降低。据有关资料介绍,当切削区温度超过550℃后,刀具的金相组织将发生变化,导致刀具硬度快速下降;温度每升高100℃,硬度下降幅度可达300~400HV;若刀具硬度降至59~60HRC,将基本丧失切削能力。螺纹刀具经涂层后其表面硬度可明显增高:TiN涂层硬度可达2300HV以上;TiCN涂层硬度可达3000HV以上。螺纹刀具的表面涂层各具特色,并有不同的适用范围:经TiCN涂层的高速钢螺纹刀具硬度较高,可达到与未涂层硬质合金刀具相当的切削性能;此外,在某些切削场合,TiCN涂层高速钢丝锥与未涂层硬质合金刀具相比具有费用较低的优势。用TiCN涂层丝锥攻削黄铜板或铸铝工件时,刀具使用寿命可提高10倍以上;用TiAlN涂层丝锥攻削灰铸铁或过共析铝合金工件时,刀具使用寿命可提高4倍以上。与TiN涂层相比,TiAIN涂层可使刀具具有更高硬度和更好的抗氧化性能,因此TiAIN涂层刀具更适合用于高速切削加工。

3、品种规格

为适应不同材料、不同型式、不同精度的螺纹加工需要,国外螺纹刀具制造商不断改进刀具结构和几何参数,开发出大量新产品。以丝锥为例,就有可改变切屑排出方向的带刃倾角丝锥、螺旋槽丝锥、不产生切屑的挤压丝锥、可喷屑或带内冷却功能的中心带孔丝锥、具有容屑功能的内容屑丝锥、具有防折断功能的带六角颈丝锥、高精度拉削丝锥、带导柱丝锥、前端带钻铰刃的组合丝锥等,品种繁多,功能各异。其中仅带冷却液输入孔的丝锥就有20多个品种,最小规格仅为φ3mm。此类丝锥使用时,冷却润滑剂通过冷却孔直接喷向切削区,通过降低切削区温度,可有效防止刀瘤的形成,同时便于切屑随冷却液从容屑槽中排出;由于切屑被冷却,可降低对工件的温度影响,改善被加工表面质量。用此类丝锥加工难切削材料,丝锥使用寿命可提高一倍以上。据1998年EMUGE公司产品样本统计,EMUGE公司的螺纹刀具品种规格总数近10万个,仅M6丝锥的品种(不同材料、不同型式)和规格(不同螺距、外形尺寸)就有200多个,M6板牙的品种规格有50多个。国外制造的不同结构丝锥的数量构成比大约为:直槽30%,螺旋槽40%,螺尖20%,挤压10%。    发达国家不仅重视开发螺纹刀具新产品,同时大力研究开发螺纹加工新工艺,如:①利用双辊子法滚压加工锥形、梯形(包括多头)螺纹和特殊螺纹;②采用轴向滚丝头和自动滚丝机在壁厚0.8~3mm的空心毛坯上自动滚压M5~M60外螺纹;③高效率、高精度、多功能MC行星丝锥,可由加工中心三轴同时控制加工,同一螺距的丝锥可加工不同直径的螺纹,切屑细小,易于排除,加工尺寸的调整可由NC程序自动进行。

4、加工设备

随着微电子技术和计算机技术的飞速发展与广泛应用,近十年来国外螺纹刀具制造技术与装备水平发生了巨大变革和提高。如丝锥制造已广泛采用整体磨削工艺,利用高速磨削、高压冷却、自动操作及自动上下料等先进工艺手段使丝锥外形一次成型,生产效率大幅度提高。德国JUNKER公司生产的快速点磨削式外圆磨床采用立方氮化硼(CBN)砂轮,仅需6秒钟即可完成包括丝锥顶尖、刃部、颈部、柄部的一次磨削成型(如需磨方头,只需增加0.5秒即可完成)。该公司还生产可磨沟、磨刃倾角、磨螺纹的高速、高效NC、CNC磨床,其中520CNC磨床加工一个M10丝锥的螺纹仅需20秒钟。瑞士REISHAVER生产的RGB25CNC螺纹磨床既可在机床上直接编程加工各种丝锥,也可与设计中心的计算机联接,根据设计中心的指令加工各种丝锥,大大提高了“小批量、多品种、短周期”的柔性生产能力,供货周期一般仅为一个星期,特殊刀具最快可在2~3天内交货。日本OSG公司拥有数十台德国JUNKER公司制造的丝锥螺纹磨床;德国EMUGE公司拥有瑞士REISHAVER公司制造的14台GBA机床和多台RGB2510机床。国外螺纹刀具制造商一方面十分重视在关键工序上重点引进加工效率高、自动化程度高及本国缺少的高精尖设备(一般占全部设备的3%~5%);另一方面强调立足自身,依靠技术进步,开发具有独自特色的工艺装备。通过研制开发高效专用设备,将计算机技术应用于专用设备,提高专用设备的自动化程度,满足操作简单、调整方便、产品质量稳定的要求,同时最大限度地发挥引进设备的效能,使国外不少螺纹刀具制造商的工艺水平和装备水平达到世界一流。如日本OSG公司的自制专用设备占全部设备的约60%,可很好满足开发新产品的特殊需要。

高且每年按3%~5%的比例增加,但实际成交时给予客户的折扣总是让客户觉得物超所值。进入21世纪后,高速切削技术及工厂自动化、智能化加工技术的发展对螺纹刀具提出了更高要求。国外目前已批量生产主轴转速达2000~3500r/min的加工中心,但配套刀具的切削能力尚不能满足这些先进设备的要求。因此,必须加快对螺纹刀具(包括刀具材料、结构型式、几何参数等)的研制和开发,使“每一把刀具都调整到适用于每一个具体加工对象”。应特别重视对超硬刀具材料及刀具表面涂层技术的开发,改善螺纹刀具的切削性能,提高其使用寿命,以满足高速切削的需要。工厂自动化和无人化加工要求刀具产品除具有较高的可靠性、较长的刀具寿命和良好的排屑结构外,还必须具有较高的质量稳定性和切削刃重复精度。此外,为适应机械制造业未来发展的需要,还必须开发螺纹刀具识别系统、在线监控系统及刀具运输、刃磨、调整等全方位管理系统。