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整体硬质合金挤压丝锥的设计工艺*
摘　要:阐述了挤压加工螺纹的优点、 整体硬质合金挤压丝锥的结构与工作原理以及与切削丝锥的比较差异,
介绍了整体硬质合金挤压丝锥的设计计算方法。从试验结果分析和探讨了整体硬质合金挤压丝锥挤压加工螺纹
的应用环境。
关键词:整体硬质合金,　挤压丝锥,　设计
1　引言
挤压丝锥广泛应用于汽车化油器、 刹车阀铝合
金件、 电子工业M6以下的各种螺纹攻丝、 石油工
业、 机车工业、 航空工业飞机起落架等等。挤压丝锥
加工螺纹是一种先进的无屑成型(塑性变形)加工工
艺。因为挤压加工无切屑,不会乱扣,不易出现偏
摆,因此挤压出来的螺纹孔不会扩大,螺纹精度最高
可达4H级,螺纹表面粗糙度可达Ra0·4~0·2。挤
压螺纹的金属组织纤维是连续的而不是切断的,其
强度比切削螺纹提高30%~40%,由于挤压的冷作
硬化作用,螺纹表面硬度比心部提高40%~50%,
螺纹表面耐磨性优于切削螺纹。由于挤压丝锥无切
削刃,无容屑槽,丝锥刚性好、 强度高,防折断安全性
好,因此没有崩刃现象。一般加工钢时的寿命可提
高5~10倍,加工有色金属时寿命可提高近40倍,
而且挤压加工螺纹时的线速度比切削丝锥高得多。
高速钢(HSS)挤压丝锥品种规格繁多,在塑性
材料内螺纹加工中应用非常广泛。硬质合金挤压丝
锥出现于上世纪90年代,受其外径的限制,硬质合
金挤压丝锥不能做作得很大,国外当前只有M10以
下规格的产品,国内还尚无成熟的硬质合金挤压丝
锥产品。
与高速钢挤压丝锥相比,硬质合金挤压丝锥具
有更多的优点:相同规格的挤压丝锥中硬质合金挤
压丝锥的挤压力下降6%~30%;硬质合金挤压丝
锥的挤压螺纹表面粗糙度更低;硬质合金挤压丝
锥
的挤压速度比高速钢挤压丝锥更高,寿命更长。
　　2　整体硬质合金挤压丝锥的结构及工
作原理
　　图1是依据本设计制造的M6×1硬质合金挤
压丝锥的外形图片。整体硬质合金挤压丝锥的结构
及工作原理图见图2。

整体硬质合金挤压丝锥主要由工作部分和夹持
部分组成。工作部分分为挤压锥部ab(见图2b)和
校准部。挤压锥部为锥形,承担内螺纹的挤压工作,
以便使工件材料逐步产生塑性变形;校准部的径向
剖面一般是多棱形(3、 4、 6棱等),图2a中为四棱形。
径向剖面多棱形随锥度部分各剖面直径的变化而变
化,但剖面形状基本不变,校准部的第一扣牙用于使
被挤压螺纹最终成形,其余各扣主要用于丝锥导向
和保证自动进给。径向剖面中bc(见图2a)为挤压
棱脊,挤压丝锥没有切削刃和容屑槽,一般在避空区
开有多条润滑油槽(见图3),用于切削液润滑和冷
却丝锥,并纳污。夹持部分结构类似于切削丝锥。
作为先进的无屑挤压加工的整体硬质合金挤压
丝锥,在其结构和加工后的螺纹上与普通切削丝锥
有很大区别(见图3)。

引导—工作部分:切削丝锥具有不完全螺纹牙
形切削齿及容屑槽,切削齿逐步切入,切屑由容屑槽
排出;挤压丝锥具有完全螺纹牙形挤压引导锥,逐步
挤入,无切屑产生。
丝锥径向剖面:切削丝锥呈圆形,有容屑槽;挤
压丝锥呈多棱形,依靠棱脊(压力点)参与挤压,无容
屑槽,需要时可设通油润滑槽。
加工后的螺纹:切削螺纹金属组织纤维是被切
断的,齿顶平直;挤压螺纹金属组织纤维是连续的,
齿顶呈”M”状,挤压螺纹齿顶是不平整的。
　　3　整体硬质合金挤压丝锥的设计工艺
与计算方法
　　整体硬质合金挤压丝锥是根据非圆形理论来设
计螺纹齿形的。设计过程的参数主要包括挤压锥部
参数、 校准部螺纹牙型尺寸计算、 丝锥棱边参数、 丝
锥强度校核等四大关键要素。
3·1　挤压锥部参数的确定
(1)挤压锥角Kr及锥部长度ls
合理选择挤压锥角Kr是保证硬质合金挤压丝
锥良好加工性能的重要条件。一般可根据工件材料
和被加工孔类型确定Kr和ls值,见表1。

(2)挤压锥部前端直径d3
d3=d-2lstanKr
式中,d为丝锥大径。
3·2　挤压丝锥校准部螺纹牙型尺寸的计算
(1)丝锥大径d
硬质合金挤压丝锥大径d是其外径高点的外
接圆。考虑到挤压后螺孔中径的收缩、 丝锥磨损及
大径制造误差,d可按下式计算为
d=D+VBd+eD-Δd
式中　D———螺孔的公称大径
VBd———大径的磨损留量,VBd≈0·4TD2
TD2———内螺纹中径公差(按公差等级8级
选用)
eD———螺孔大径弹性收缩量,eD≈0·4TD2
Δd———大径偏差,取相同规格切削丝锥大径
偏差的1/3,即Δd=Js/3
Js———切削丝锥大径偏差
(2)丝锥中径d2
挤压加工后,由于金属收缩,螺孔的中径会产生
缩小量,因此中径d2可按下式计算
d2=[D2+(Es-Em)+eD2]-Δd2
式中　D2———螺孔的公称中径
eD2———螺孔中径的弹性收缩量,eD2≈0·4TD2
(Es-Em)———切削丝锥的中径公差
Δd2———中径公差,取相同规格切削丝锥中
径公差的2/3,即Δd2=2(Es-Em)/3
(3)丝锥小径d1
可按以下经验公式计算为
d1(max)=d1+Js
式中　d1(max)———挤压丝锥小径的最大值
d1———切削丝锥小径的最大值(按GB968-
83取值)
Js———切削丝锥大径偏差
(4)确定螺距、 齿形角及半角公差,校准部长度
硬质合金挤压丝锥的螺距、 齿形角及半角公差
与硬质合金切削丝锥的取值相同。校准部长度一般
为8-10P,为了减小摩擦,将校准部3~4个全齿形
后沿整齿形做成倒锥0·1~0·15/100。
硬质合金挤压丝锥柄部的参数与切削丝锥相
同。
3·3　硬质合金挤压丝锥棱边参数的确定
(1)棱边数和宽度
硬质合金挤压丝锥的棱边数可根据表2的数据
来确定。棱边宽度一般取0·2~1·2mm,丝锥直径增
大时,棱边宽度也相应增大。棱边分布形式有直线
形和螺旋形两种,小直径丝锥采用直线棱,大直径丝
锥采用螺旋棱。

(2)棱边铲磨量
硬质合金挤压丝锥的铲磨曲线采用对称分布的
阿基米德螺旋线,其铲磨量的取值原则是:在保证周
边牙型无畸变的前提下使挤压扭矩尽可能小,具体
数据见表3。

】
4　试验方法
根据上述计算思想设计和制作了M6×1和M8
×1·25两种规格的整体硬质合金挤压丝锥,并在
UCP1000加工中心上分三组试验挤压铝合金螺纹
孔,分别观察不同挤压速度下及对比国外EMUGE
厂家同规格高速钢挤压丝锥消耗的机床功率,取得
了满意的效果。
(1)试验1
试验目的:观察不同挤压速度下M6×1和M8
×1·25整体硬质合金挤压丝锥挤压力的大小,以机
床消耗功率的百分比反映。机床:UCP1000加工中
心;切削液:乳化液;被挤压材料:YL12。预钻底孔
直径:5·55mm(M6×1)、 7·40mm(M8×1·25)。试
验结果见表4。

螺纹牙型表面粗糙度达Ra0·4,用综合螺纹量
规检查挤压螺纹孔,螺纹牙型尺寸合格。
(2)试验2
试验目的:比较自行设计的M6×1整体硬质合
金挤压丝锥和EMUGE高速钢挤压丝锥挤压力的大
小,经过消耗机床功率的反映,观察挤压丝锥磨损情
况,比较两种挤压丝锥的寿命。机床:UCP1000加工
中心;切削液:乳化液;被挤压材料:硅铝合金,Si%
=10;螺纹底孔直径:5·55mm。试验结果(功率消
耗数据)见表5。

加工10000个孔后,T13可显著看出挤压锥尾部
严重磨损,不能再加工;T10、 T11、 T12完好,仍可继
续加工。加工完 0个孔后,T12已极限磨损,不
能再加工,而T10和T11还没有明显的磨损痕迹,估
计还可继续加工10000孔以上。
　　5　试验分析与结论
整体硬质合金挤压丝锥主要适用于延伸率δ≥
10%的钢、 不锈钢、 有色金属及Si含量≤10%铝硅
合金的内螺纹通孔或盲孔的挤压加工。它可在较高
挤压速度下工作,挤压力小,寿命长;而高速钢挤压
丝锥挤压力大,加工出来的螺纹表面粗糙度比硬质
合金挤压丝锥加工的螺纹差。
挤压力与下列因素有关:被挤压材料的延伸率
δ(%)和硬度,挤压丝锥的铲背量,挤压引导锥的大
小,挤压丝锥的螺距,挤压速度以及预钻底的孔径
等。螺纹底孔直径的减小将提高挤压力,本试验中
的螺纹底孔直径是基于挤压过程金属体积不变的原
理,挤压成型的螺牙高度为理论高度的80%左右,
为使挤压工作顺利进行,应严格控制螺纹底孔直径
的公差。
试验表明,本公司研制的整体硬质合金挤压丝
锥的性能优良,挤压力与丝锥寿命大大超过EMUGE
公司高速钢挤压丝锥。
当前硬质合金挤压丝锥在生产中的应用正在不
断扩大,但至今尚无硬质合金挤压丝锥的国家标准,
本公司已经成功研制出M10以下的整体硬质合金
挤压丝锥。因此,建立和完善整体硬质合金挤压丝
锥产品的系列化、 标准化工作、 促进整体硬质合金挤
压丝锥的应用将是我们的下步工作重点。
参考文献
1　孙士珍.挤压丝锥.北京:国防工业出版社,1982
2　肖诗纲等.螺纹刀具.机械工业出版社,北京,1986
3　王瑞兰.有槽挤压丝锥的设计.工具技术,1996(2)
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5　沈锦民等.挤压丝锥应用中几个问题的探讨.组合机床,
1983(8)
6　袁俊哲,刘华明.刀具设计手册.北京:机械工业出版社,
1999