王光書(shū)

摘要： 陜西華燕航空儀表有限公司是集研發(fā)、制造和裝配高精度航空陀螺儀表專(zhuān)業(yè)廠家。隨著市場(chǎng)發(fā)展的需求，航空陀螺儀表向高精度、高可靠性、體積小的特點(diǎn)發(fā)展。航空陀螺儀表的關(guān)鍵零（組）件均由難切削材料鈦合金（TC4-R）和鎢基高比重合金（W152-1）組成，其中M2-7H（含）以下螺紋的加工制約著生產(chǎn)效率。為此，針對(duì)該廠鈦合金零件小螺紋攻絲特點(diǎn)開(kāi)展工藝探索。

Abstract： AVIC Shaanxi Huayan Aero-Instrument Co.， Ltd. is a professional manufacturer assembling the R & D， manufacturing and assembling of high precision gyro instruments. With the development of the market demand， aviation gyro instrument has developed a direction to the high precision， high reliability， and small size. Its key parts include the titanium alloy（TC4-R）， a hard cutting material and tungsten alloy（W152-1）； the thread processing with the following M2-7H（including） restricts the production efficiency. To this end， a technological research is carried out aiming at the titanium alloy small threading features in this factory.

關(guān)鍵詞： 難切削材料；鈦合金小螺紋攻絲；工藝探索

Key words： hard cutting materials；titanium alloy small thread tapping process；process exploration

中圖分類(lèi)號(hào)：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）36-0085-02

0 引言

鈦合金材料屬難加工材料一種，這主要是由鈦合金材料的特性所決定。該材料在民用產(chǎn)品中運(yùn)用較少，普遍應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)的產(chǎn)品中。因該材料早期使用量較少，在加工中未對(duì)其研究，隨著近年來(lái)應(yīng)用于國(guó)防產(chǎn)品零件的比重越來(lái)越大，材料的加工工藝性和效率的提升被業(yè)內(nèi)人員得以研究。尤其是小螺紋攻絲效率提升、成本降低顯得尤為重要。本文對(duì)加工環(huán)節(jié)中的刀具、切削液、工藝方法等技術(shù)方法進(jìn)行探索，給同行業(yè)者一定的參考和借鑒。

1 難切削材料的類(lèi)別

1.1 難切削材料特性 難切削材料就是切削加工性能差的材料，即硬度HB>250，強(qiáng)度δb>1000MPa，伸長(zhǎng)率>80%，沖擊值αk>0.98MJ/m2，導(dǎo)電系數(shù)k<41.8W/（M0k）的材料。但在實(shí)際生產(chǎn)中，切削加工的材料品種繁多，性能各異。該公司鈦合金和鎢基高比重合金屬占加工材料零件的比重達(dá)30%，但在發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)廠中難加工材料所占比例較大。

1.2 難切削材料分類(lèi) 材料種類(lèi)較多，從金屬到非金屬材料范圍也很廣。

①微觀高硬度材料：陶瓷，鑄鐵，可加工陶瓷等，這些材料的耐磨性很好，切削時(shí)起磨料作用，故刀具主要承受磨料磨損。②宏觀高硬度材料：硬質(zhì)合金，陶瓷，鎢基高比重合金等，這些材料主要特點(diǎn)硬度高（HRC55～66），切削這些材料時(shí)切削力大，溫度高，刀具主要是磨料磨損和崩刃。③加工時(shí)硬度傾向嚴(yán)重的材料：不銹鋼，耐熱鋼，高溫合金等，這些材料的塑性高、韌性好、強(qiáng)度高、強(qiáng)化系數(shù)高，切削加工時(shí)的切削表面和已加工表面硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。由于這種材料的強(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)低，切削溫度高，切削力大，刀具主要承受磨料磨損、粘接磨損和熱裂磨損。④切削溫度高的材料：酚醛塑料，高溫合金，鈦合金等，這些材料導(dǎo)熱系數(shù)很低，切削加工時(shí)刀具易產(chǎn)生磨料磨損、粘接磨損和氧化磨損。⑤高強(qiáng)度材料：是指強(qiáng)度δb>1000MPa的材料，奧氏體不銹鋼，高錳鋼，高溫合金和部分合金鋼，由于它們的強(qiáng)度大，切削力大，溫度高，刀具易磨損且切削不易處理。⑥化學(xué)活性大的材料：如鈦、鎳、鈷及其他的合金。這類(lèi)材料化學(xué)活性大、親和性強(qiáng)，切削加工時(shí)易粘接在刀具上，與刀具材料產(chǎn)生化學(xué)、物理反應(yīng)，相互擴(kuò)散。

1.3 鈦合金的性能 鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān)，最純的典化鈦雜質(zhì)含量不超過(guò)0.1%，但其強(qiáng)度低、塑性高。

①TC的鈦合金為α+β鈦合金，它是雙相合金，綜合性能好，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化。②TC鈦合金成分Ti-6Al-4V，硬度HB320～360，彈性模量E=11.1×104MPa，導(dǎo)熱系數(shù)σ=39.24%，伸長(zhǎng)率σ=25%，密度ρ=4.5g/cm3。③TC鈦合金性能：1）比強(qiáng)度高；2）熱強(qiáng)度高；3）抗腐蝕性好；4）低溫性能好；5）化學(xué)活性大；6）導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小：由鈦的導(dǎo)熱系數(shù)可知，約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變性，切削加工時(shí)表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損。

2 鈦合金小螺紋攻絲存在的問(wèn)題

2.1 加工零件描述 零件名稱(chēng)：電機(jī)轉(zhuǎn)子，材料：鈦合金TC4-R ，在中心節(jié)圓￠12±0.05上加工12×M1.6-7H（EQS）的螺紋，深7.7■■mm，螺紋底孔深8.7■■mm（底孔不得鉆鼓）。該電機(jī)轉(zhuǎn)子為某陀螺核心零件，屬加工工藝性的難點(diǎn)。

2.2 鈦合金小螺紋加工存在的問(wèn)題

①生產(chǎn)效率低，組織難度大。為保證生產(chǎn)節(jié)拍化，零件每批次數(shù)量為30件，單人加工單一零件的攻絲所需時(shí)間為1.2小時(shí)左右，一批零件的加工時(shí)間為36小時(shí)以上。②成本消耗大。加工單一零件攻絲所需絲錐4付（3只頭攻，5只二攻），1付絲錐價(jià)格40元左右，4付×40元=160元。③鈦合金攻絲對(duì)切削液要求高，如選擇不當(dāng)易斷絲錐。每批零件中有5件左右，需對(duì)絲錐電穿后重新攻絲，拖延生產(chǎn)周期，影響節(jié)拍化生產(chǎn)進(jìn)度。④人員技能要求高。對(duì)鈦合金零件小螺紋攻絲對(duì)操作人員的技能要求較高，主要是絲錐刃磨和攻絲技巧決定攻絲效率和絲錐斷裂的次數(shù)。承擔(dān)攻絲任務(wù)的必須是高技能以上人員。

2.3 鈦合金的切削特性 從TC鈦合金性能可知，鈦合金的切削特性：①變形系數(shù)??；②切削溫度高；③單位面積上的切削力大；④冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重；⑤刀具易磨損。

2.4 切削鈦合金時(shí)刀具幾何參數(shù)選擇 ①前角一般取γ0=5°～15°；②后角α0≥15°；③主偏角一般取kr0=10°～15°；④刃傾角λs=-3°～-5°；⑤刀具圓弧半徑rε=0.5mm～1.5mm。

3 問(wèn)題分析

3.1 鈦合金加工切削液的選擇 鈦合金加工時(shí)，為了降低零件切削溫度，應(yīng)當(dāng)向加工部位澆注大量的冷卻作用為主的切削液。一般來(lái)說(shuō)，水比油的導(dǎo)熱系數(shù)大3～5倍，比熱大1倍，汽化熱大10倍左右。對(duì)于鉆孔、絞孔、攻絲工序應(yīng)采用潤(rùn)滑作用較大的極壓可溶性油作切削液，如蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油等。

3.2 切削鈦合金時(shí)注意事項(xiàng) ①由于鈦合金彈性模量小，工件在加工中的夾緊變形和受力變形較大，會(huì)降低工件的精度；②如果使用含氯的切削液，切削過(guò)程中在高溫下將分解釋放出氫氣，被鈦吸收引起氫脆，也可能引起鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；③切削液中的氯化氫使用時(shí)還可能分解或發(fā)揮有毒氣體，使用時(shí)宜采取安全措施；切削后應(yīng)及時(shí)用不含氯的清洗劑徹底清醒零件，清除含氯殘留物；④禁止使用鉛或鋅基合金制作的工、夾具與鈦合金接觸，銅、錫、鉻及其合金也同樣禁止使用；⑤與鈦合金接觸的工、夾具或其他裝置都必須清潔，經(jīng)清洗過(guò)的鈦合金零件，要防止油脂或指印污染，否則以后可能造成鹽（氯化鈉）的應(yīng)力腐蝕。

3.3 對(duì)鈦合金小螺紋的攻絲 鈦合金攻絲是鈦合金切削加工中最困難的工序，特別是攻制小螺紋（M2-7H以下（含））。主要表現(xiàn)在攻絲時(shí)總扭矩大，約為45#鋼的2倍，絲錐刀齒過(guò)快的磨損、崩刃，甚至被“咬死”在螺紋孔內(nèi)而折斷。這是由于鈦合金的彈性模量太小，裂紋表面產(chǎn)生很大的回彈，使絲錐與工件接觸面積增大，造成很大的摩擦扭矩，磨損加?。涣硗?，切削細(xì)小不易彎曲，有粘刀現(xiàn)象造成排削困難。因此，解決鈦合金攻絲問(wèn)題的關(guān)鍵是減小攻絲時(shí)絲錐與工件的接觸面積。

3.4 螺紋檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)軍用零件的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，螺紋加工必須滿足底孔與螺紋雙重檢測(cè)，一是用光面塞規(guī)檢測(cè)螺紋底孔精度不低于（含）IT11級(jí)，二是用同一精度的螺紋塞規(guī)檢測(cè)螺紋，應(yīng)滿足圖樣設(shè)計(jì)精度等級(jí)。

4 改進(jìn)思路

4.1 絲錐的改進(jìn)思路 ①普通絲錐修磨：增大容屑空間，減少齒數(shù)。在校準(zhǔn)齒上留出0.2～0.3mm的刀帶后，將后角加大到20°～30°，并沿絲錐全長(zhǎng)磨去齒背中段，保留2扣～3扣校準(zhǔn)齒。②修正齒絲錐：是把標(biāo)準(zhǔn)絲錐的形成法加工螺紋改為漸成法。③跳牙絲錐：跳牙絲錐是在切削齒和校準(zhǔn)齒上相間的去掉螺扣，這樣有效地減少了絲錐與工件的接觸面積，使絲錐扭矩顯著下降。跳牙絲錐的攻絲扭矩約為標(biāo)準(zhǔn)絲錐的30%～50%，修正齒絲錐的35%～60%，耐用度比修正齒絲錐高1倍～3倍。

4.2 零件的工藝改進(jìn) 對(duì)鈦合金攻絲一般按牙高率（螺紋實(shí)際牙高率與理論高度的比率）不超過(guò)70%為依據(jù)來(lái)選取底孔直徑大小，即螺紋底孔直徑d1=d0-0.7578p（d0為螺紋公稱(chēng)尺寸，p為螺距）。小直徑或粗牙螺紋牙高率可取大一些，被加工材料強(qiáng)度低或螺紋深度小于基本直徑時(shí)，可適當(dāng)增大牙高率，但過(guò)大會(huì)增大攻絲扭矩，甚至折斷絲錐。

4.3 切削液的改進(jìn) 經(jīng)與切削液經(jīng)銷(xiāo)商咨詢，對(duì)以下幾種切削液進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)：1）切削液+CCL4+P；2）豬油50%+蓖麻油40%+調(diào)和劑10%；3）英國(guó)比爾牌·塔牙油（Korniche）；4）油酸（Oleic acid，別名：十八碳烯酸）。

對(duì)鈦合金攻絲時(shí)，一般用含CI、P的極壓切削液效果較好，但含CI的極壓切削液攻絲后必須及時(shí)清洗干凈，防止零件晶間腐蝕。

5 實(shí)施效果

5.1 實(shí)施效果 通過(guò)對(duì)生產(chǎn)中兩批零件的實(shí)驗(yàn)，因M2（含）以下螺紋絲錐強(qiáng)度較弱，故采用修磨絲錐后角、修正齒絲錐、跳牙絲錐更加降低絲錐強(qiáng)度，在試驗(yàn)過(guò)程中均出現(xiàn)斷絲錐，無(wú)論選用哪種極壓切削液攻絲，同樣造成斷絲錐無(wú)法正常加工。在改進(jìn)螺紋底孔直徑（牙高率）方面，經(jīng)核算，將螺紋底孔孔徑改為和配置適當(dāng)?shù)那邢饕盒Ч^為明顯。①成本降低。改進(jìn)后單個(gè)零件的攻絲所需絲錐3付（3只頭攻，3只二攻），1付絲錐價(jià)格40元，3付×40元=120元。成本在原來(lái)基礎(chǔ)上降低25%左右。②提升生產(chǎn)效率。改進(jìn)前單個(gè)零件的攻絲時(shí)間為1.2h，改進(jìn)后單人加工一個(gè)零件的攻絲時(shí)間為45分鐘，效率提升達(dá)40%左右。

5.2 在其它材料零件中的推廣 因鎢基高比重合金（W142、W152）同樣屬于難加工材料，尤其是在小螺紋的攻絲方面也是瓶頸工序，故在鈦合金攻絲取得的成果應(yīng)用于鎢基高比重合金材料零件小螺紋的加工。技術(shù)主管部門(mén)下發(fā)《關(guān)于鈦合金和鎢基高比重合金零組件內(nèi)螺紋加工和檢測(cè)規(guī)定》、《鈦合金材料內(nèi)螺紋加工小徑D1max極限尺寸計(jì)算對(duì)比表》兩份技術(shù)規(guī)范給予指導(dǎo)生產(chǎn)。

6 結(jié)論

通過(guò)本文對(duì)鈦合金零件小螺紋（M2）以下攻絲效率提升和加工成本降低的探索，切削刀具因其強(qiáng)度受限外，只能從切削液和工藝方法上進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)螺紋底孔直徑（牙高率）和配置適當(dāng)?shù)那邢饕菏墙档统杀竞托侍嵘年P(guān)鍵，給基層生產(chǎn)管理解決部分難題，但該研究領(lǐng)域還得繼續(xù)持續(xù)改進(jìn)中。

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