航空領域鈦合金內螺紋用絲錐的設計
2013-5-14 來源： 作者：
航空領域離不開螺紋工量具，尤其對螺紋工具有其特殊的使用要求，比如被加工材料為難加工材料、工件精度要求較高、加工中要求高的刀具切削速度，同時數控機床的大量使用需要相配套的刀具。這些使用特點要求工具企業開發獨具特色的解決難加工材料的專用螺紋刀具。
鈦合金已成為航空工業最重要的工程材料之一，獲得了越來越廣泛的應用。但是，鈦合金又是一種典型的難加工材料，切削性能比較差，而在鈦合金材料上，用絲錐攻制內螺紋尤其困難，需要進行優化設計。
一、鈦合金的切削加工性能特點
1 鈦合金材料特點
鈦及其合金同其他金屬材料比較，具有3 個顯著的優點：比強度高、中溫性能好、耐腐蝕。在室溫下，鈦合金的比拉伸強度為高強度結構鋼的1.26倍、高強度鋁合金的1.38倍。在400～550℃溫度范圍內，鈦合金的比持久強度、比蠕變強度和比疲勞強度都優于耐熱不銹鋼。
鈦合金從金屬組織上可分為α相鈦合金、β相鈦合金和（α+β）相鈦合金。硬度及強度按α相、（α+β）相、β相的次序增加，而切削加工性按這個次序下降。
2 鈦合金切削加工特點
鈦合金的硬度大于350HBS或300HBS都難進行切削加工，但困難的原因不在于硬度方面，而在于鈦合金本身的力學、化學、物理性能間的綜合，切削加工特點表現為：變形系數小；切削溫度高；主切削力小而背向力大；切屑呈擠裂狀，加工表面易生成硬脆變質層；粘刀現象嚴重。
3 鈦合金內螺紋攻絲特點
由于鈦合金的諸多特性，在鈦合金材料上進行內螺紋攻絲，是鈦合金切削加工中最困難的工序，尤其對于小孔螺紋的加工更加困難，而且離不開絲錐攻制。主要表現為攻螺紋總扭矩大，約為45 鋼攻螺紋扭矩的2倍；絲錐刀齒過快磨損、崩刃，甚至被“咬死”而折斷。其主要原因是鈦合金彈性模量太小，已加工的螺紋表面會產生很大回彈，給絲錐刀齒的側后面及齒頂后面很大的法向力，從而造成很大的摩擦扭矩；加之切削溫度高、切屑有粘刀現象不易排除、切削液不易到達切削區等；加工表面容易產生應力集中，并形成硬脆層，被加工螺紋表面質量較差。
二、鈦合金內螺紋用絲錐的設計
為滿足航空企業的專用性要求，解決上述加工問題的關鍵是提高鈦合金內螺紋攻絲用絲錐的加工性能，必須對鈦合金攻絲用絲錐的幾何參數進行優化設計，并采取適當加工條件。從絲錐的結構形式、刀具參數方面進行改進，這都是非常重要的措施，同時根據工件螺孔形式、螺孔精度要求、機床條件等諸多不同的條件設計、選用合適的絲錐。
1 絲錐材料的選用
采用硬質合金作為刀具，以提高生產率。應該選用與鈦合金親和力小、導熱性能良好、強度高的細晶粒鎢鈷類硬質合金。同時絲錐也可選用高溫性能好的高速鋼：W2Mo9Cr4VCo8（M42）、 W6Mo5Cr4V2AI（501）及粉末冶金高速鋼。其次，為提高絲錐的使用性能，還可以對絲錐表面進行涂層強化處理。可選用TiAlCN、TiCN、TiAIN 、TiN等涂層，涂層后的刀具表面有硬層，耐磨性好，與被加工材料間的摩擦系數小，但不降低基體材料的韌性，刀具的耐用度顯著提高。
2 絲錐結構的設計
在絲錐結構方面，首先應提高刀具材料的剛性，好的材料結合適當的刃具形式，才能發揮出較好的性能。可以根據需要選用直槽絲錐、跳牙絲錐及修正齒型角絲錐等多種形式。
（1）直槽絲錐
a.絲錐前角和后角對其加工性的影響。
根據生產現場的觀察，加工鈦合金時，鈦合金被切削時易產生彈性變形和彈性恢復，使摩擦力和切削力增大，刀具磨損加快，被切螺紋精度降低。絲錐的前刀面崩損嚴重，多發生在切削錐上接近導向部分附近，開始是單個螺牙崩掉，繼而是幾個螺牙的前刀面連片的崩掉。這是由于該部位的切削刃接近于螺紋外徑，刀齒變尖，強度減弱。當前角較大時，強度減弱更為明顯，刀刃受力集中在螺齒間部分，更易崩損。因此絲錐的合理前角應根據被加工鈦合金材料的加工特性來選擇，應選擇較小前角，為此選前角為5°左右。
后角選擇不當對絲錐崩齒也有一定的影響，如果切削錐的后角太大，則絲錐回攻時未脫落的切屑及已脫落細小切屑容易從刃瓣背后擠進去，而不是被切掉，與絲錐背面產生強烈的摩擦和擠壓，有時也會引起絲錐前刀面的崩損。為了減小摩擦力和摩擦扭矩、避免絲錐粘屑、提高螺紋表面質量，將加工鈦合金用絲錐后角加大為4°～8°。同時，整個絲錐牙型面應全齒鏟背，保證齒側后角為30′～40′。
b.普通材料通孔攻絲時，通常選取絲錐的切削錐長度L5=2P，切削錐度Kr=17°，每齒切削厚度ac=P·sinKr/N（N 為齒數），N =3，P=1時，ac=0.09745mm。鈦合金通孔攻絲加工時，為降低攻絲切削力，選取切削錐長度L5=（10～20）P。為保證順利導入螺紋底孔，按tanKr=（0.7～0.8）P /L 5 選取切削錐度，即Kr=4 °～2 °，每齒切削厚度：N=3，P=1時，ac=0.023～0.012mm;每齒切削厚度大幅減少。c. 為了減小摩擦和螺紋孔的擴張量，加大校準部分刀齒后角，將加工鈦合金用絲錐的倒錐度加大至（0.04～0.08）mm/25mm。
d.精錐是攻絲加工時切制出最終完整牙型的精加工刀具，為了提高鈦合金攻絲的螺紋尺寸精度和表面質量，必須提高精錐的尺寸精度和表面質量，減少切削載荷。
e.絲錐的槽形對加工的影響。絲錐容屑槽形狀對切屑的形狀有很大的影響，容屑槽應能保證切屑的順利卷曲，并且有較大的容屑空間，對盲孔攻絲來說，這一點尤其重要。
（2）跳牙絲錐
a.為了減小絲錐與工件上已切螺紋的摩擦力，在直槽絲錐或螺旋槽絲錐工作部分，同一刃瓣上的齒每隔一個去掉一齒，再把沿同一螺旋線方向相鄰2刃瓣上去齒的部位做到相互錯開一個齒，這種絲錐就成為跳牙絲錐。由于間隔去掉齒而留出的空間給鈦合金工件的彈性變形留出了空間，減少了絲錐螺紋表面與工件螺紋表面間的摩擦力，降低了攻絲扭矩并減少了粘牙現象，改善了切削條件；同時去掉間隔齒而留出的空間可以容納一部分切削液，使得冷卻充分，降低切削熱，進一步改善了切削條件。采用這種改進的絲錐加工鈦合金上的螺紋，改善了螺紋的加工，效果十分明顯。
b.加工跳齒絲錐時，其去齒形式為：保持切削錐部螺紋不變（即不改變切削圖形和切削厚度），從切削錐部后的第二個完整齒開始，將校準部分構成螺旋線的各齒隔一圈去掉一圈，使絲錐切削條件有所改善，可以避免在校準部分發生熔敷現象。去齒時，齒形殘留部分的最大直徑，約等于絲錐小徑或允許大于小徑0.1mm，最好不大于攻絲前的底孔直徑。應注意避免砂輪碰到兩側齒形的齒面。
c.同時還應注意，應在絲錐去齒前用三針測量中經，否則就難以測量。因為找不到既與絲錐在中經線附近相切，又與去齒后殘留齒形不相碰的標準三針。
（3）修正齒型角絲錐
a.普通絲錐的牙形角與被加工螺紋型面牙型角相等。這樣絲錐側刃的隙角為0，切削鈦合金工件時，由于彈性變形和彈性恢復，使得絲錐側刃與工件摩擦較大，切削扭矩較大。為改善這種情況，可采用修正齒形角絲錐。
修正齒型角絲錐的牙型角小于被加工螺紋的牙型角，即當螺紋牙型角為60°時，修正齒型角絲錐的牙型角一般取為55°。由于絲錐采用55°齒型角在加工60°牙型角螺紋時，可保證絲錐和工件牙型間有足夠的側隙角，用于改善工件的彈性變形和彈性恢復，以減少摩擦使切削力下降。
b.絲錐螺紋部分的錐度。
修正齒形角絲錐的牙型角小于被加工螺紋的牙型角，通過理論分析，為了使絲錐加工出正確的被加工螺紋牙型，必須使絲錐每個切削齒的齒尖均落在被加工螺紋的牙型面上。為此，在磨制絲錐齒形時，須將絲錐切削錐上的最后一個齒高于第一個齒，使切削錐各齒抬到同一平面來磨削，使得絲錐切削錐部螺紋型面有一個逐漸增大的較大的錐度，也就是要求的反向錐度，這點是修正齒形角絲錐與普通絲錐最大的不同，普通絲錐切削錐部螺紋型面是一個逐漸減小的錐度。在加工鈦合金時切削錐角取6°，修正齒形角絲錐的反向錐角可為39′。
c.絲錐的螺紋中徑。
絲錐磨出反向錐度后，每個齒的中徑都是不相同的，一般都測量第一個校準齒的中徑，采用55°角用三針測量。加工鈦合金時中徑的計算式為：d20=d2-0.07P。
這種絲錐是將螺紋的成形原理由標準絲錐的成形法改為漸成法，采用此種絲錐在鈦合金上攻螺紋時，與普通絲錐相比，切削扭矩可減小30%～35%;與跳牙絲錐比較，可減小20%～25%. 這種絲錐精度要求高，制造比較復雜。
3 實際使用中的注意事項
攻鈦合金螺紋時，切削液的選用是否恰當非常重要。一般以含CI、P的切削液效果較好，但用含CI極壓切削液后必須清洗零件，以防止晶間腐蝕。
鈦合金攻螺紋時底孔直徑的選取尤為重要，可按牙高率（螺孔實際牙型高度與理論牙型高度的比值的百分率）不超過70%為依據來選取底孔直徑大小：小直徑和粗牙螺紋牙高率可小些，攻螺紋深度小于螺紋基本直徑時可適當加大壓高率。牙高率過大會增大攻螺紋扭矩、甚至折斷絲錐。
三、結束語
作為中國航空工業唯一的螺紋工量具科研、生產專業化企業，致力于航空航天等軍工用螺紋工量具的研發、制造、檢測與試驗，針對航空航天行業加工鈦合金、高溫合金用的螺紋工具，陜西航空宏峰精密機械工具公司已積累了豐富的經驗，通過技術改造后引進的世界上先進的高精度數控機床，以及部分進口的檢測設備構建了良好的平臺，保證了航空航天企業螺紋聯結的使用需求。公司還將繼續加大技術創新力度，充分利用企業加工優勢，只有研發設計出難加工材料適用的刀具，才能成為現代航空航天制造企業的首選刀具供應商。
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