航空領域鈦合金內螺紋用絲錐的設計（jì）
2013-5-14 來源： 作（zuò）者（zhě）：
航（háng）空（kōng）領域離不開螺紋工量（liàng）具，尤其對螺紋（wén）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（shù）控機床的大量使用（yòng）需要相配套的刀具。這（zhè）些使（shǐ）用特點要求工具企業開發獨具特色的解決（jué）難加工材（cái）料的（de）專用（yòng）螺紋刀具。
鈦（tài）合（hé）金已成為航空工業最（zuì）重要的工程（chéng）材料（liào）之一，獲得了越來越廣泛的（de）應用。但（dàn）是，鈦合金又是一（yī）種典型的難加工材料，切削性能比較差，而在鈦合金材料上，用絲錐攻製（zhì）內螺紋（wén）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（liào）特點
鈦及其合金同其他金（jīn）屬材料比較，具有3 個顯（xiǎn）著的優點：比強度高、中溫性能好（hǎo）、耐腐蝕。在室溫下（xià），鈦合金的比拉伸強度為高強度結構鋼的1.26倍、高強度鋁（lǚ）合金的（de）1.38倍。在400～550℃溫度範（fàn）圍內（nèi），鈦合金的比持久強度、比蠕變（biàn）強度和比疲（pí）勞（láo）強度都優於（yú）耐熱不鏽鋼。
鈦（tài）合金從金屬組織（zhī）上可分為α相鈦合金、β相鈦合（hé）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（zēng）加，而（ér）切削加工性按這個次序下降。
2 鈦合金切削加工特（tè）點
鈦合金的硬（yìng）度大於350HBS或（huò）300HBS都難進行切削加工，但（dàn）困（kùn）難的原因不在（zài）於硬度（dù）方麵，而在（zài）於鈦合（hé）金本身的力學、化學、物理性能間（jiān）的綜合，切（qiē）削加工特點表現為：變形係數小；切削（xuē）溫度高；主切削力小（xiǎo）而背（bèi）向力大；切屑呈擠裂狀（zhuàng），加工表麵（miàn）易（yì）生成（chéng）硬脆變質層；粘刀現象嚴（yán）重（chóng）。
3 鈦合金內螺紋（wén）攻絲特點
由（yóu）於鈦合金（jīn）的（de）諸多特性，在（zài）鈦合金材料上進行內螺紋攻絲，是鈦合金（jīn）切削加（jiā）工中最困難的工（gōng）序，尤其對於小孔螺紋（wén）的加工更加困（kùn）難，而且離不開（kāi）絲錐攻製。主要表現為攻螺紋總扭矩大，約為45 鋼攻螺紋扭矩（jǔ）的2倍；絲錐刀齒過快磨損、崩（bēng）刃，甚至被“咬死”而折斷。其主要原（yuán）因是鈦合金彈性模量太小，已加工的螺紋表麵會（huì）產生（shēng）很（hěn）大回彈，給絲錐刀齒的側後麵及齒頂後麵很大的法向力，從而造成很大的摩擦扭矩；加之切削溫度高、切屑有（yǒu）粘刀現象不易排除、切削液（yè）不易到達（dá）切削區等；加工表麵容易產生應力集中，並形（xíng）成硬脆層，被加工螺紋表（biǎo）麵質量較差。
二、鈦合金內螺紋用絲錐的設（shè）計
為滿足航空企業的專用性（xìng）要求，解決上述加工問題的關鍵是提高（gāo）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（yòng）絲錐（zhuī）的（de）幾何參數進行優（yōu）化設計，並采取適當加工條件。從絲錐的結構形式、刀具參數方麵進行改進，這都是非常重要的措施，同時根據工件（jiàn）螺孔形式、螺孔（kǒng）精度要求、機床條件等諸多（duō）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（zuò）為刀具，以提高（gāo）生產率。應（yīng）該選用與鈦合金親和力小、導熱性能（néng）良好、強（qiáng）度高的細晶（jīng）粒鎢（wū）鈷類硬質合金。同時絲錐也可選用高溫性能（néng）好的高速鋼：W2Mo9Cr4VCo8（M42）、 W6Mo5Cr4V2AI（501）及粉末冶金高速鋼。其次（cì），為提高絲（sī）錐的使用性能，還可以對絲錐表麵進行（háng）塗層強化處理。可選用TiAlCN、TiCN、TiAIN 、TiN等塗層，塗層後的（de）刀具表（biǎo）麵有硬層，耐磨性（xìng）好，與被加工材（cái）料間的（de）摩擦係數小，但（dàn）不降低基體（tǐ）材料的韌性，刀具的耐用（yòng）度顯著提高。
2 絲錐結構的（de）設計
在絲錐（zhuī）結構方麵，首先應提高刀具材（cái）料的剛性，好的材料結合適當的刃具形式，才（cái）能發揮出較好（hǎo）的性能。可以根據需要選用直槽（cáo）絲錐、跳牙絲錐及修正齒型角絲錐（zhuī）等多種形式（shì）。
（1）直槽絲錐
a.絲錐前角和後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（dàn）性變形（xíng）和彈性（xìng）恢複，使（shǐ）摩擦力和切削力增大，刀具磨（mó）損加快，被（bèi）切螺紋精度降低。絲（sī）錐的前刀麵崩損嚴重（chóng），多發生在切削錐上接（jiē）近（jìn）導向部分附近，開始是單個螺牙崩掉，繼（jì）而是幾個螺牙的（de）前刀麵連（lián）片（piàn）的崩掉。這是由於該部位的切削刃接近於螺紋（wén）外徑，刀齒變尖（jiān），強度減弱。當前角較大時，強度減弱更為明顯，刀刃（rèn）受力集中在螺齒間部分，更易崩損。因此絲錐的（de）合理前角（jiǎo）應根據（jù）被（bèi）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。
後角（jiǎo）選擇不當對絲錐崩齒也有一定的影響，如（rú）果切削錐的後角太大，則絲錐回攻時未（wèi）脫落的切屑及已脫落細（xì）小切屑容易從刃瓣背後擠進去，而不是被切掉，與絲錐背麵產生強烈的摩（mó）擦和擠壓（yā），有時也會引起絲錐前刀麵的（de）崩損。為了減小摩擦力和摩擦扭矩、避免絲錐粘屑、提高螺紋表麵質量，將加工鈦（tài）合金用（yòng）絲（sī）錐後（hòu）角加大為4°～8°。同（tóng）時，整個絲錐牙型麵（miàn）應全齒鏟背，保證齒側後角為30′～40′。
b.普通材（cái）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（qiē）削（xuē）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（sī）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（shùn）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（měi）齒切（qiē）削厚度：N=3，P=1時，ac=0.023～0.012mm;每齒切（qiē）削（xuē）厚度大幅減少。c. 為了減小摩擦和螺紋孔的擴（kuò）張量，加大校準部分刀齒後角，將加（jiā）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（qiē）製出最終完（wán）整牙型的精加工刀具，為了提高（gāo）鈦合金攻絲的螺紋尺寸精度和（hé）表麵質量，必須提高精錐的尺寸精度和表麵質量，減少切削載荷（hé）。
e.絲錐的槽（cáo）形對加工的影響。絲錐容屑槽形（xíng）狀對切屑的形（xíng）狀有很（hěn）大的影響，容屑槽應能保證切屑的順利卷曲，並且有較大的容屑空間（jiān），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（zhuī）與工件（jiàn）上（shàng）已切螺紋的摩擦力，在直槽絲錐或螺旋槽（cáo）絲錐工作部分，同一刃瓣上的齒每隔一個去掉一齒（chǐ），再把沿同一螺旋線方向（xiàng）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（tiào）牙絲錐。由於（yú）間隔去掉（diào）齒（chǐ）而留出的空間給（gěi）鈦合金（jīn）工（gōng）件的（de）彈性變（biàn）形（xíng）留出了（le）空間，減少了絲錐螺紋表麵與工件螺紋表麵間的摩擦力，降低了攻絲扭矩並減少了粘牙現象，改善了切削條件；同時去掉間隔（gé）齒而留出的空間可以容納一部分切削液，使（shǐ）得冷卻充分，降低切削熱（rè），進一步改善了（le）切（qiē）削條（tiáo）件。采用這種改進的（de）絲錐加工（gōng）鈦合金上的螺紋，改善了螺紋的加工，效果十（shí）分明顯。
b.加工跳齒絲錐時，其去齒形式（shì）為：保持切削錐部螺（luó）紋不變（即（jí）不改變切削圖形和切（qiē）削厚度），從切削錐部後的第二個完整齒開始，將校（xiào）準部分構成螺旋線的（de）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（fā）生熔敷現象。去齒時，齒形殘留部分的最大直徑，約等於絲錐（zhuī）小（xiǎo）徑或允許大於小徑0.1mm，最好不大於攻絲前的底（dǐ）孔直徑。應注（zhù）意避免砂輪碰到兩側齒形（xíng）的齒麵。
c.同時還應注意，應在絲錐去（qù）齒前（qián）用三針測（cè）量中經，否則就難以測量。因為找不到既與絲錐（zhuī）在中（zhōng）經線附近相切，又與去齒後殘留齒形（xíng）不相（xiàng）碰（pèng）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麵牙型角相等。這樣絲錐側刃的隙角為0，切削鈦合（hé）金工件時，由於彈（dàn）性變形和彈性恢複，使得絲錐側刃與工件摩（mó）擦較（jiào）大，切削扭矩（jǔ）較大。為改善這種情況，可（kě）采用修正齒形角絲錐。
修正齒型角絲錐的牙（yá）型角小於被加工螺紋的牙型角，即（jí）當螺紋牙型角（jiǎo）為60°時，修正齒型角絲錐（zhuī）的牙型角（jiǎo）一般取為55°。由於絲錐采用55°齒型角在加工60°牙（yá）型（xíng）角螺紋時，可保證絲錐和工件牙（yá）型間（jiān）有足夠的側隙角，用於改善工件（jiàn）的彈性變形和彈性恢複，以減少摩擦使切削力下降。
b.絲錐螺（luó）紋部（bù）分的錐度（dù）。
修正齒形角絲錐的牙型角小於被加工螺（luó）紋的牙型角，通過（guò）理論分析，為（wéi）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（chǐ）的齒尖均落在被加工螺紋的牙型麵上。為此，在磨製絲錐齒形時，須將絲（sī）錐切削錐上的（de）最後一個齒高於第一個齒，使切削錐各齒抬到（dào）同一平（píng）麵來磨削，使得絲錐切削錐部螺紋（wén）型麵有一個逐漸增大的較大的錐度，也就是要求的反（fǎn）向（xiàng）錐度，這點（diǎn）是修正齒形（xíng）角絲錐與普通絲（sī）錐最大的不同，普通絲錐切削錐部螺紋型麵是一個逐漸減小的錐度。在加工（gōng）鈦合金時（shí）切削（xuē）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（zhōng）徑。
絲錐磨出反向錐度後，每個齒的中徑都是不相同的，一般都測量第一個校（xiào）準齒的中徑，采用55°角用三針測量。加工（gōng）鈦合金時中徑的（de）計算式為（wéi）：d20=d2-0.07P。
這種絲錐是將螺紋（wén）的成形（xíng）原理（lǐ）由標準絲錐的成（chéng）形法改為漸成法，采（cǎi）用此（cǐ）種絲（sī）錐在（zài）鈦合金上攻螺紋時，與普通絲錐相比，切削扭矩（jǔ）可減小30%～35%;與跳牙絲錐比較，可減小20%～25%. 這（zhè）種絲錐精度要求高，製造比較複雜（zá）。
3 實際使用中的注意事項
攻鈦合金螺紋時，切削液（yè）的選用是否恰（qià）當非常重要。一般以含CI、P的切削（xuē）液效果較好，但用含CI極壓切削液後必須（xū）清洗零件（jiàn），以防止（zhǐ）晶間腐蝕。
鈦合金攻螺紋時底孔直（zhí）徑的選取尤為重要，可按牙高率（lǜ）（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（xiǎo）直徑和粗牙螺紋牙高率可小（xiǎo）些，攻螺（luó）紋深度小於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（niǔ）矩、甚至折斷絲（sī）錐。
三、結束語
作為中國航空（kōng）工業唯一的螺紋工量具科研、生產（chǎn）專業化企業，致力於航空航天等軍工用（yòng）螺紋工量具的研發、製造、檢測與試驗，針對航空（kōng）航（háng）天（tiān）行業加工鈦合金、高溫合金用的螺紋工具，陝（shǎn）西（xī）航空宏峰精密機械工具公司已積累（lèi）了豐富的經驗（yàn），通過技術改造後引進的世界上先（xiān）進的高精度數控（kòng）機床，以及部分進（jìn）口的檢測設備構（gòu）建了良好的平台，保證了航空航天企業螺紋聯結的使用需求。公司還將（jiāng）繼（jì）續加大技術創（chuàng）新力度，充分利用企（qǐ）業加工（gōng）優勢，隻（zhī）有研發設計（jì）出（chū）難加工材料適用的（de）刀具，才能成為現代航空航天製（zhì）造企業的首選刀具供應商。
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