机用丝锥的磨损失效及预防措施

机用丝锥的磨损失效及预防措施 :,畲,:/;/:/:/; 一 失效分析, 机用丝锥的磨损失效及预防措施 张岸,祝新发,陈顺民,陆红妹,周圆 (上海工具厂有限公司,上海200093) 摘要:过度或早期磨损是机用丝锥常见的失效形式.导致机用丝锥早期磨损的原因有:刃磨烧伤;表面脱 碳;大块状碳化物或碳化物堆聚;硬度偏低;前角过大;切削液选用不"-3等.针对上述原因采取相应 的措施即可延长机用丝锥的使用寿命. 关键词:机用丝锥;磨损;预防措施 中图分类号:TG722;TG115文献标识码:B文章编号:1008—1690(2010)06—0070—004 ExcessiveWearofMachineTapsandPrecautions ZHANGAn,ZHUXin—fa,CHENShun—min,LUHong—mei,ZHOUYuan (ShanghaiToolWorksCo.,Ltd.,Shanghai200093) Abstract:Thefailureofmachinetapsarisesfrequentlyfromexcessiveorprematurewear.The causesforpremature wearofmachinetapsareasfollows:overheatingduringthesharpening,surfacedecarburizin g,massivecarbidesor carbideaggregationintap,lowerhardness,excessivelylargerakeangleandimproperselectio nofcuttingfluid.If precautionscorrespondingtotheabovecausescanbeadopted,theservicelifeofmachinetaps willbesurelypro— longated. Keywords:machinetap;wear;precaution U刖舌 磨损是机用丝锥常见的失效形式.高速钢机用 丝锥经常发生的磨损形式是后刀面磨损,随着后刀 面磨损带宽度的增加刀具将逐渐丧失切削性能,所 以丝锥通常采用切削齿主后刀面的最大磨损值 馏…作为刀具的磨损极限来确定其使用寿命.机 用丝锥的磨损通常有两种类型,一种是切削时刀具 发生的正常磨损,另一种是非正常磨损.图1是M8 丝锥(W6Mo5Cr4V2钢)在切削试验中正常磨损的 主后刀面照片.该丝锥的寿命试验依据国家标准 JB/T54882-1999在DMU50eVolinear五轴联动加 工中心上进行,切削速度为6.28m/rain,在切削长 度为3.248m时实测的切削齿主后刀面最大磨损值 馏为0.24mm,低于国家标准规定的0.40mm,且 丝锥齿面的磨损程度较轻,不影响牙型尺寸和攻丝 精度,这是丝锥正常磨损的情况. 如果丝锥的使用时间不长其切削刃就被部分磨 图1正常磨损的M8丝锥主后刀面照片 Fig.1AppearanceofnormallywornclearancefaceofM8tap 掉,使牙型尺寸变小而无法使用…,这就是丝锥的 非正常磨损,如图2所示.该丝锥仅仅攻了32个 孔,主后刀面的最大磨损量就已达到0.51mm,超过 国家标准规定的0.4mm,从而因切削刃磨损过度而 收稿日期:2009-05-l1 作者简介:张岸(1971一),女,辽宁辽阳人,高级师,主要从事高速钢与模具钢的 金相及热处理工艺研究 工作.联系电话:021—65487815 本课题受国家科技支撑计划资助,项目编号:2008BAF32B06 ? 70'《热处理》2010年第25卷第6期 无法继续攻丝.丝锥的非正常磨损往往使丝锥过早 失效,造成较大的经济损失.为此,本文对导致丝锥 非正常磨损的主要因素及失效机制进行探讨. 图2非正常磨损的M8丝锥主后刀面照片 Fig.2AppearanceofabnormallywornclearancefaceofM8tap 1刃磨烧伤引起的丝锥早期磨损 高速钢丝锥在磨齿形时,常常由于磨削速度过 快,单次磨削量过大,冷却液冷却能力不足而造成磨 削热量无法从切削区及时散发出来,导致刃部温度 急剧升高,使丝锥切削刃表面被烧伤. 丝锥刃磨时的烧伤有两种情况.一种是刃磨时 切削刃的温度升高未超过其奥氏体相变温度,但高 于丝锥正常的回火温度.这种烧伤使切削刃由表面 向里形成一过回火层,如图3所示的高速钢丝锥后 齿面磨削尖角烧焦现象,就属于这种烧伤.此时丝 锥齿面的显微组织并没有出现明显的异常现象,但 由于磨削烧伤的影响,切削刃的表层硬度降低,耐磨 性下降,攻丝时切削刃容易磨损,钝化,使攻丝扭矩 不断增大,丝锥很快就因磨损过度而无法继续使用. 图3高速钢丝锥磨削所致的后齿面尖角烧焦现象 Fig.3Overheatedtoothtopofhighspeedsteeltap resultingfromgrinding[] 丝锥刃磨时的另一种烧伤是切削刃的温度升高至其 奥氏体相变温度以上,使切削刃的表层转变为奥氏 体组织,随后在冷却液作用下发生二次淬火现象,在 丝锥的切削刃表面形成一白色的淬硬层,见图4. 这一白色淬硬层组织未经回火处理,组织很不稳定, 脆性很大,主要由淬火马氏体和较多的残留奥氏体 组成.紧靠白亮层的部分,因受到磨削热的影响,也 产生了一较"软"的过回火层.这样的丝锥在攻丝 时,由于切削刃和工件之间发生的强烈摩擦和挤压, 使硬脆的淬火马氏体白亮层很快剥落,与之相邻的 过回火层因为硬度低,也容易磨损,造成丝锥刃口过 早变钝.此时如果继续攻丝,严重时可能会造成崩 刃和断裂. 图4高速钢丝锥表面严重的磨削退火组织X500 Fig.4Overheatedstructureincaseofhighspeedsteeltap resultingfromimpropergrinding×500 丝锥刃磨时的烧伤现象可以通过改进磨削工艺 来避免.只要采用冷却强烈的磨削液,选择合适的 砂轮,同时注意每次磨削时进给量不要太大,磨削速 度不要过快,即可解决.上海工具厂采用德国勇克 磨床进行磨削,配合先进的磨制工艺,合理分配每次 磨削时的磨削量,减少磨齿过程中冷却不均匀和磨 削量分配不均匀现象,有效地避免了刃磨烧伤现象. 2表面脱碳引起的丝锥早期磨损 丝锥表面脱碳也是导致其异常磨损的一个重要 原因.丝锥热处理时,由于高速钢退火时退火箱密 封不良,或淬火加热时盐浴脱氧不彻底,均会造成丝 锥齿尖脱碳,并且脱碳层未被随后的机加工去除而 保留在成品丝锥中,如图5所示.脱碳的丝锥齿尖 回火组织中颗粒状碳化物数量减少,硬度,耐磨性和 红硬性均下降,导致丝锥过早失效.实践表明,刃部 在使用状态即使只有轻微脱碳,也会使工具的切削 《热处理》2010年第25卷第6期'71. 性能降低20%,40%,并且这种轻微脱碳在通常 的淬火或回火检验中难以发现. 图5高速钢丝锥齿尖脱碳组织X1OO Fig.5Decarburizedtoothtopofhighspeedsteeltap×100 丝锥的表面脱碳是可以避免的.只要在退火时 加强保护,盐浴淬火时彻底脱氧和及时捞渣,丝锥热 处理后的表面质量就可以得到保证.真空热处理也 是一种很有效的工艺.上海工具厂在Ipsen12 bar高压气淬炉内对接柄丝锥进行整体真空淬火, 然后采用盐浴淬柄,快速回火工艺处理柄部,取得了 非常好的效果.与相同材料,经相同工艺盐浴加热 淬火的接柄丝锥的切削对比试验表明,在相同的切 削条件下,真空淬火M12丝锥的主后刀面平均磨损 量为0.19mm,优于盐浴处理的产品,达到了国家一 等品要求. 3大颗粒碳化物或碳化物堆积引起 的丝锥早期磨损 丝锥的磨损及崩刃与丝锥原材料组织状态密切 相关,严重的碳化物堆积或大块的角块状碳化物均 会加剧丝锥的磨损.研究发现,裂纹常常在晶界,第 二相粒子与基体的界面处等部位首先形成』.高 速钢中的碳化物主要有M6C,MC,M2C,M23C6等类 型,其硬度高,脆性大,容易沿界面与基体分离.碳 化物颗粒越粗大,堆积越严重,对基体的割裂作用越 显着,裂纹在碳化物一基体界面上形成的可能性就 越大.图6所示的M8丝锥在切削刃表面存在大颗 粒碳化物,具有这类显微组织的丝锥在切削时,当切 削应力还不是很高时,显微裂纹就会在大颗粒碳化 物与基体的界面上形成,随后微裂纹不断扩展,使碳 化物颗粒从切削刃表面剥落造成丝锥的过早磨损. 图7,图8所示为不同规格丝锥中出现的碳化物堆 积和碳化物偏析现象.当这种碳化物堆积分布在丝 锥表面时,也容易在切削时引起切削刃的过量磨损, 造成丝锥早期失效.这种情况有时会在大尺寸丝锥 中遇到. 图6M8丝锥齿部显微组织x500 Fig.6MicrostructureintoothofM8tap×500 图7M10丝锥中的碳化物堆积x500 Fig.7CarbideaggregationinMIOtap×500 图8M8丝锥中的碳化物偏析×1OO Fig.8CarbidesegregationinM8tap×100 在高速钢入厂检验中严格控制碳化物不均匀度 的等级,投料时注意采用相近规格的材料制作相近 规格的丝锥,不用大规格材料改制小尺寸丝锥,改善 材料的锻造工艺,均可避免大颗粒碳化物或碳化物 堆积引起的丝锥过度磨损. 优化材料的化学成分,同时改进冶炼方法,可有 效改善碳化物分布形态,避免出现大颗粒碳化物或 碳化物堆积现象,也可避免丝锥的过早磨损失效. 4硬度偏低引起的丝锥早期磨损 ? 72?《热处理》2010年第25卷第6期 硬度是高速钢螺纹刀具切削性能的重要指标之 一 .普通高速钢丝锥的硬度一般控制在64,66 HRC,以保证丝锥具有足够高的硬度,红硬性和耐磨 性,获得良好的切削性能.如果硬度过低,丝锥耐磨 性差,红硬性下降,将导致丝锥过快磨损.若刀具硬 度降至59,60HRC,将基本丧失切削能力. 钢中碳及合金元素含量偏低或碳化物分布不均 匀都可导致丝锥硬度偏低.若淬火温度偏低或保温 时间偏短,也会造成丝锥表面硬度偏低,攻丝时磨损 过快. 严格控制丝锥的化学成分,严格控制原材料的 碳化物等级,做好原材料入厂检验,热处理时严格执 行淬火和回火工艺规程,也可以有效防止丝锥硬度 偏低导致的早期磨损失效. 丝锥切削时只要求刃部具有良好的耐磨性能, 所以采用表面涂层技术增强丝锥表面抗磨损性能, 是提高丝锥使用寿命的行之有效的工艺措施.未涂 层和有TiN涂层的M8丝锥的切削性能的对比列于 表1,可以看出,TiN涂层丝锥的切削性能明显优于 未涂层丝锥.其原因是,TiN涂层硬度高,摩擦因数 小,膜层具有自润滑性,可有效降低切削时的摩擦阻 力,大大减少切削刃表面粘屑现象和氧化磨损,因而 丝锥攻丝时磨损小,寿命高.目前TiN涂层及复合 涂层工艺在刀具生产中已得到广泛应用,其中TiN 涂层硬度可达2400HV0.05以上;TiAIN涂层硬度 可达3500HV0.05以上. 表1未涂层和涂TiN涂层的M8丝锥的切削性能 Table1CuttingabilitiesofM8tapswithandwithoutTiNcoating 5丝锥前角过大引起的早期磨损 丝锥的前角直接影响切屑的变形和切屑与前刀 面的摩擦强度j.增大前角可以提高丝锥刃口的锋 利度,减少切屑变形和摩擦,减少切削热量,降低丝 锥攻丝时的扭矩,从而可大幅度提高丝锥的使用寿 命.但另一方面,前角过大不仅会削弱切削刃强度, 而且会造成排屑不畅或切屑堵塞,甚至会因此折断 丝锥. 为了防止丝锥的非正常磨损,可以适当减小丝 锥前角,增加切削锥长度.适当减小前角可以降低 每齿切削刃的切削量,降低攻丝扭矩,使切屑变小, 提高螺纹孔的表面光洁度.但此时加长了螺纹孔下 部不完整螺纹扣数(其长度等于切削锥长度),所以 应增加螺纹底孔的深度. 6切削液选择不当引起的早期磨损 丝锥切削时与工件孔壁接触面积非常大,其切 削刃是在强烈摩擦与挤压所引起的高温下工作.若 切削区温度超过550oC,丝锥的显微组织将发生变 化,导致刀具硬度快速下降.据文献介绍,切削区温 度每升高100?,硬度下降将达300,400HV_oj. 因为切削液的冷却作用可降低切削温度,润滑作用 可以减少丝锥与工件之间的摩擦与粘结,所以切削 液的选择非常重要.为了提高丝锥的切削性能和使 用寿命,丝锥切削时应采用冷却能力强的切削液,并 保证切削区冷却液供应充足. 7结束语 高速钢丝锥是加工内螺纹常用的加工刀具,应 用广,销量大,在刀具市场上占有重要地位.研究高 速钢丝锥的失效原因及防止措施,预防丝锥早期失 效,可以提高螺纹刀具的切削精度和使用寿命,减少 消耗,提高企业的经济效益. 感谢ErasteelCo.为本文提供了有关资料. 参考文献 [1]高旺印.机用丝锥早期失效的分析与预防[J].工具技术, 2004,38(6):72-73. 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