一種改進標準絲錐加工鈦合金的技術方法

                                           
                                                       一種改進標準絲錐加工鈦合金的技術方法

   絲錐是內螺紋加工的通用刀具，在車床、鉗工及加工中心上的應用非常廣泛。由于鈦合金抗腐蝕性強、 比強度高等優秀特性，在航空發動機領域中有許多鈦合金零件。 

  同樣由于鈦合金的材料特性，導致鈦合金零件的攻絲，特別是 M6 以下的小孔攻絲相當困難，攻絲時絲錐選用不當及操作不當極易造成加工硬化，加工效率極低并時有絲錐折斷現象，即使依靠專用進口絲錐或者跳牙絲錐加工，但也經常出現絲錐磨損快、易折斷的現象。本文主要通過對標準絲錐進行改進研究，實現鈦合金零件內螺紋高效穩定的攻絲加工，對鈦合金內螺紋加工提供一種簡單易行且更加經濟的加工方法， 可廣泛應用于鈦合金零件的加工制造中。 
 

2.1  材料性能 

鈦合金是一種新型金屬，可分為：α 鈦合金、β 鈦合金、α+β 鈦合金，它的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質的含量有關。鈦合金的密度一般在 4.5/cm3 左右，僅為鋼的 60% ；抗腐蝕性好，對堿、氯的有機物品、硝酸、 硫酸等有優良的抗腐蝕能力；導熱系數小、彈性模量小，抗拉強度大、熱強度高，

2.2  切削特性 

鈦合金變形系數小、導熱系數小、抗拉強度大、化學活性大是影響鈦合金加工的顯著特點，因此也造成了鈦合金切削加工有以下特點：

①導熱性差，切削溫度高 

由于鈦合金變形系數小、導熱系數小（只相當于 45# 鋼的約 1/6），切削時所產生的切削熱不易傳出，集中在切削區和切削刃附近的較小范圍，所以切削溫度很高（在相同條件下切削溫度可比 45# 鋼高出 1 倍以上），降低了刀具耐用度。 

②單位面積上切削力大，刀具易磨損 

切削鈦合金時，由于其塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑與前刀面接觸的時間極短，單位面積上的切削力大大增大，很容易造成崩刃；同時由于鈦合金的彈性模量小，彈性變形大，接近后刀面處的工件表面回彈量大，所以已加工表面與后刀面的接觸面積進一步加大，導致刀具磨損嚴重，影響零件精度。 

③冷硬現象嚴重 

由于鈦合金化學活性大，在高的切削溫度下很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同時切削過程中塑性變形也很容易造成表面硬化，冷硬現象進一步加劇了刀具的磨損。

3.1  鈦合金攻絲加工的主要問題分析 

絲錐攻絲屬于范成法加工，范成法加工的特點是刀具在加工過程中與工件的接觸面積大，產生大量的切削熱，在攻鈦合金時，由于鈦合金的抗拉強度大，金屬材料不易剝離，產生的切削熱更大；再加上由于鈦合金的導熱系數低，使切削產生的熱量無法通過工件傳導出去，在切削區域形成局部高溫區。 

金屬都有熱脹冷縮現象，受熱后其金相組織膨脹， 如果材料導熱性好，會形成線性膨脹，使內孔加大，但對于鈦合金而言，由于切削所產生的熱量傳導不出去，使局部的金相組織膨脹，無法向外擴張，所以會產生孔徑收縮現象，造成刀具與工件之間產生過盈，形成“夾刀”現象（見圖 1），最終使刀具折斷。

另一方面，由于鈦合金的彈性模量小，螺紋表面產生很大的應力回彈，使絲錐與工件接觸面積增大，從而摩擦力大幅增加，同時產生大量的切削熱，進一步導致刀具磨損加劇。另外，鈦合金切屑細小且不易折斷，有粘刀現象，造成排屑困難。 

因此解決鈦合金攻絲問題的關鍵是減小攻絲時絲錐與工件的接觸面積，同時減少切削熱的產生，從而避免“夾刀”現象及刀具的異常磨損，提高刀具耐用度及切削效率。 

3.2  詳細分析標準絲錐加工時切削熱問題 

在攻絲過程中，切削熱的主要來源是絲錐的切削錐部分。標準絲錐（如圖 2）的齒型前角（r）一般為 8°~10°；切削錐部分齒頂后角是經鏟磨得到的，一般后角為 4°。 

對于一般精度的絲錐或小直徑絲錐，其切削錐與校準部分螺紋齒型不鏟磨，故其第一主切削刃及副切削刃均無后角（見圖 3）。 

機用絲錐的螺紋齒型會鏟磨出微量后角，用以減小摩擦，提高加工精度與刀具耐用度，但鏟磨量不能太大，以免沿前刀面重磨后絲錐直徑減小過多，一般徑向鏟磨量為 0.02-0.07mm（絲錐直徑愈大，鏟磨量也應大些）。 

標準絲錐的切削錐部分的前角小于齒型前角，原因分析如下：標準絲錐在磨制切削錐時，會把切削錐部分齒型高點磨去一部分，由于標準絲錐容屑槽是圓弧形的，為切線前角，所以在磨除切削錐高點時，切削錐前角急劇變小，大約是齒型前角的 1/3。因此，在切削鈦合金時，切削錐前角相對不夠鋒利，攻絲時刀具對材料擠壓過大，使切削區溫度升高；又由于鈦合金導熱性差，導致切削熱不能及時散出，造成外冷內熱，底孔收縮，從而絲錐被“咬死”折斷，若利用標準絲錐攻絲就必須對其進行必要的技術處理。
 

通過以上分析，針對絲錐而言，攻制鈦合金螺紋最有效減少切削熱的方法是：增大切削錐前角；通過削背處理，減小絲錐與工件的接觸面積。 

對此進行了詳細的實驗，選用 M10 高速鋼標準絲錐，實驗過程及結果如下。 

4.1  絲錐改進過程 

①改進絲錐校準部分，以減少接觸面積：沿絲錐校準部分全長以 β=18°~22°磨去齒背，留 0.5~0.8mm 韌帶，從而增大了容屑空間，減少接觸齒面積，對冷卻、潤滑條件有利，使切屑順利排出。 

②將切削錐前角由切線前角變為線性前角，改進過程如下：a. 切削錐前角增大至 5°，在攻制深孔時，切削熱較大，并出現輕微“抱死”現象。 

b. 切削錐前角增大至 10°，切削輕快，產生切削熱量低，但耐用度不高，細小絲錐強度差，易折斷。 

c. 切削錐前角增大至 8°，絲錐切削較輕快，耐用度大大提高。 

4.2  驗證試驗過程及結果 

①試驗基礎條件 

試驗設備：普通車床（JIMT360） 

被加工材料：Tc10 

試驗件外徑：Φ25

螺紋尺寸：M10 深 25mm

螺紋底孔尺寸：Φ8.54 深 30mm。

②驗證實際試驗過 程及結果 

對切削錐前角為 8° 進一步進行試驗驗證，如圖 4，用刀 磨把 M10 標 準絲錐切削錐前角磨成 8°，并磨出 1°刃傾角， 然后用改制后絲錐進行驗證加工： 

機床轉速選擇 76r/min（機床最低轉速），選用善能珩磨油冷卻。經試驗，一根絲錐可加工 70 件左右，機磨絲錐精度等級為 H2，攻出的螺紋精度等級可達 6H， 螺紋光度可達 Ra1.6 以上；如果精度要求不高的連接螺紋，可按 d1=d0-0.7578P 適當加大螺紋底孔 , M10 螺紋底孔可加工到 Φ8.86。 

絲錐的修磨可采用手工或機床刃磨，只要按照以上要求對絲錐改進性修磨，均可以達到很好的加工效果；同時建議對細小絲錐（M5 以下）可選擇螺旋槽絲錐進行修磨，以增加絲錐強度。經后續實際推廣應用， 以上方法從 M3~M12 都能適用，一般會提高絲錐耐用度 5~10 倍，實際改進效果非常明顯。 

在金屬加工過程中，決定切削熱大小的因素是切削三要素，影響切削熱最大的切削要素是切削速度，因此切削速度對刀具耐用度影響很大，攻絲是范成法加工，切深及走刀量取決于刀具，無法改變，因此最好能使刀具在最小的切削速度下工作。 

為了能有效降低切削區的溫度，在加工過程中就要有充分的冷卻與潤滑，之所以選用珩磨油作為潤滑劑，是因為單純的油脂沒有熱穩定性，遇熱后迅速分解，起不到對切削區域的冷卻與潤滑，珩磨油是一種復合型冷卻介質，它是潤滑油與二硫化鉬的混合物，其中二硫化鉬屬于固體潤滑劑，有很好的熱穩定性，在高溫區域不會分解，能起到很好的潤滑作用，潤滑油又有很好的降溫和攜帶效果，從而達到很好的降溫和冷卻效果。