航空領(lǐng)域鈦合金內(nèi)螺紋用絲錐的設(shè)計(jì)
2013-5-14 來源： 作者：
航空領(lǐng)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(shí)數(shù)控機(jī)床的大量使用需要相配套的刀具。這些使用特點(diǎn)要求工具企業(yè)開發(fā)獨(dú)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(yè)最重要的工程材料之一，獲得了越來越廣泛的應(yīng)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(nèi)螺紋尤其困難，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
一、鈦合金的切削加工性能特點(diǎn)
1 鈦合金材料特點(diǎn)
鈦及其合金同其他金屬材料比較，具有3 個顯著的優(yōu)點(diǎn)：比強(qiáng)度高、中溫性能好、耐腐蝕。在室溫下，鈦合金的比拉伸強(qiáng)度為高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的1.26倍、高強(qiáng)度鋁合金的1.38倍。在400～550℃溫度范圍內(nèi)，鈦合金的比持久強(qiáng)度、比蠕變強(qiáng)度和比疲勞強(qiáng)度都優(yōu)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(qiáng)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(diǎn)
鈦合金的硬度大于350HBS或300HBS都難進(jìn)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(xué)、化學(xué)、物理性能間的綜合，切削加工特點(diǎn)表現(xiàn)為：變形系數(shù)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(zhì)層；粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重。
3 鈦合金內(nèi)螺紋攻絲特點(diǎn)
由于鈦合金的諸多特性，在鈦合金材料上進(jìn)行內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)生很大回彈，給絲錐刀齒的側(cè)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(xiàn)象不易排除、切削液不易到達(dá)切削區(qū)等；加工表面容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并形成硬脆層，被加工螺紋表面質(zhì)量較差。
二、鈦合金內(nèi)螺紋用絲錐的設(shè)計(jì)
為滿足航空企業(yè)的專用性要求，解決上述加工問題的關(guān)鍵是提高鈦合金內(nèi)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(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采取適當(dāng)加工條件。從絲錐的結(jié)構(gòu)形式、刀具參數(shù)方面進(jìn)行改進(jìn)，這都是非常重要的措施，同時(shí)根據(jù)工件螺孔形式、螺孔精度要求、機(jī)床條件等諸多不同的條件設(shè)計(jì)、選用合適的絲錐。
1 絲錐材料的選用
采用硬質(zhì)合金作為刀具，以提高生產(chǎn)率。應(yīng)該選用與鈦合金親和力小、導(dǎo)熱性能良好、強(qiáng)度高的細(xì)晶粒鎢鈷類硬質(zhì)合金。同時(shí)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(jìn)行涂層強(qiáng)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(shù)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在絲錐結(jié)構(gòu)方面，首先應(yīng)提高刀具材料的剛性，好的材料結(jié)合適當(dāng)?shù)娜芯咝问剑拍馨l(fā)揮出較好的性能。可以根據(jù)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(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的觀察，加工鈦合金時(shí)，鈦合金被切削時(shí)易產(chǎn)生彈性變形和彈性恢復(fù)，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(yán)重，多發(fā)生在切削錐上接近導(dǎo)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(qiáng)度減弱。當(dāng)前角較大時(shí)，強(qiáng)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(yīng)根據(jù)被加工鈦合金材料的加工特性來選擇，應(yīng)選擇較小前角，為此選前角為5°左右。
后角選擇不當(dāng)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(shí)未脫落的切屑及已脫落細(xì)小切屑容易從刃瓣背后擠進(jìn)去，而不是被切掉，與絲錐背面產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦和擠壓，有時(shí)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(zhì)量，將加工鈦合金用絲錐后角加大為4°～8°。同時(shí)，整個絲錐牙型面應(yīng)全齒鏟背，保證齒側(cè)后角為30′～40′。
b.普通材料通孔攻絲時(shí)，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(shù)），N =3，P=1時(shí)，ac=0.09745mm。鈦合金通孔攻絲加工時(shí)，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(dǎo)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(shí)，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(kuò)張量，加大校準(zhǔn)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(shí)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(zhì)量，必須提高精錐的尺寸精度和表面質(zhì)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(yīng)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(diǎn)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(xiàn)象，改善了切削條件；同時(shí)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(jìn)一步改善了切削條件。采用這種改進(jìn)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(shí)，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(zhǔn)部分構(gòu)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(zhǔn)部分發(fā)生熔敷現(xiàn)象。去齒時(shí)，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(yīng)注意避免砂輪碰到兩側(cè)齒形的齒面。
c.同時(shí)還應(yīng)注意，應(yīng)在絲錐去齒前用三針測量中經(jīng)，否則就難以測量。因?yàn)檎也坏郊扰c絲錐在中經(jīng)線附近相切，又與去齒后殘留齒形不相碰的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)刃的隙角為0，切削鈦合金工件時(shí)，由于彈性變形和彈性恢復(fù)，使得絲錐側(cè)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(dāng)螺紋牙型角為60°時(shí)，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(shí)，可保證絲錐和工件牙型間有足夠的側(cè)隙角，用于改善工件的彈性變形和彈性恢復(fù)，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(shí)，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(diǎn)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(shí)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(zhǔn)齒的中徑，采用55°角用三針測量。加工鈦合金時(shí)中徑的計(jì)算式為：d20=d2-0.07P。
這種絲錐是將螺紋的成形原理由標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(fù)雜。
3 實(shí)際使用中的注意事項(xiàng)
攻鈦合金螺紋時(shí)，切削液的選用是否恰當(dāng)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(shí)底孔直徑的選取尤為重要，可按牙高率（螺孔實(shí)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(jù)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(shí)可適當(dāng)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(jié)束語
作為中國航空工業(yè)唯一的螺紋工量具科研、生產(chǎn)專業(yè)化企業(yè)，致力于航空航天等軍工用螺紋工量具的研發(fā)、制造、檢測與試驗(yàn)，針對航空航天行業(yè)加工鈦合金、高溫合金用的螺紋工具，陜西航空宏峰精密機(jī)械工具公司已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，通過技術(shù)改造后引進(jìn)的世界上先進(jìn)的高精度數(shù)控機(jī)床，以及部分進(jìn)口的檢測設(shè)備構(gòu)建了良好的平臺，保證了航空航天企業(yè)螺紋聯(lián)結(jié)的使用需求。公司還將繼續(xù)加大技術(shù)創(chuàng)新力度，充分利用企業(yè)加工優(yōu)勢，只有研發(fā)設(shè)計(jì)出難加工材料適用的刀具，才能成為現(xiàn)代航空航天制造企業(yè)的首選刀具供應(yīng)商。
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