机用丝锥的磨损失效及预防措施
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失效
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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
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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
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
资助,项目编号:2008BAF32B06
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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方法.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
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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
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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
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