常樂，李金超，高煥明，蔡智淵，代啟超

（1.天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津300072；2.天津航海儀器研究所，天津300131）

慣性導(dǎo)航產(chǎn)品中，慣性導(dǎo)航平臺及陀螺電機(jī)等關(guān)鍵部件的特殊工況要求，部分核心零件材料選用鈦合金。但鈦合金自身的彈性模量小、導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性大，鈦合金零件的精密加工一直是行業(yè)面臨的難點(diǎn)問題[1-2]。目前國內(nèi)外企業(yè)對于鈦合金的精密切削性能進(jìn)行了大量的實(shí)踐研究，國外知名刀具廠商如Walter、OSG、Sandvik雖然成功推出多種鈦合金專用的車削/銑削/鉆孔刀具，但針對深小內(nèi)螺紋的加工，一直是行業(yè)的瓶頸問題[3]。

針對尺寸規(guī)格＜M3，深度＞2.5D內(nèi)螺紋的加工，行業(yè)中一般有以下幾種方法：首先是一般絲錐（如圖1所示），該方法以手動攻絲為主，為降低攻絲的加工扭矩，常采用增大絲錐后角，減小刀具的接觸面積，多絲錐，分工序的加工方法，但是該方法絲錐磨損嚴(yán)重，需要頻繁磨削絲錐，且絲錐易折斷，加工效率極低，不適合大批量生產(chǎn)[4-6]。還有一種擠壓絲錐（如圖2所示），利用塑性原理加工內(nèi)螺紋的擠壓攻絲，擠壓攻絲充分利用了金屬冷作硬化特點(diǎn)，加工出的內(nèi)螺紋強(qiáng)度大表面光滑，無切削排出，內(nèi)螺紋精度穩(wěn)定，抗折損強(qiáng)度大，但是擠壓絲錐徑向受力大易斷錐，不適合大長徑比內(nèi)螺紋加工[7]。

圖1 一般絲錐Fig.1 Conventional tap

圖2 擠壓絲錐Fig.2 Extrusion tap

在上述兩種攻絲方式的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了振動攻絲，主要是沿螺旋升角方向附加一定頻率振動，將攻絲過程由連續(xù)變成斷續(xù)，這樣有利于斷屑和冷卻，降低了切削力矩，通過附加軸向振動防止“抱錐”現(xiàn)象發(fā)生，但是需要附加激振附件，應(yīng)用范圍有限[8-9]。螺紋銑削（如圖3所示）是一種新型的螺紋數(shù)控加工方式，利用數(shù)控加工中心的螺紋圓弧插補(bǔ)功能（G02和G03），即在 X軸和Y軸插補(bǔ)的同時加入Z軸的直線插補(bǔ)，形成螺旋插補(bǔ)功能，完成螺紋加工。該方法適合于大批量加工，但是對螺紋銑刀（如圖3所示）的選型要求嚴(yán)格[10-12]。

圖3 螺紋銑刀Fig.3 Tread cutter

目前針對大長徑比深小內(nèi)螺紋(內(nèi)徑 D＜M2，深度＞3D)基本選用一般絲錐手動加工，不但效率低，對操作者要求嚴(yán)格，而且零件易因?yàn)榻z錐折斷無法取出報(bào)廢。為適應(yīng)慣性導(dǎo)航產(chǎn)品的規(guī)模生產(chǎn)，縮短零件加工周期，尤其面對精度高、加工難度大的核心零件，亟待解決鈦合金深小內(nèi)螺紋高效加工的技術(shù)難題。綜合以上分析，螺紋銑削加工成為了最終的解決方案。

1 慣導(dǎo)電機(jī)中鈦合金零件

1.1 鈦合金零件特點(diǎn)

選取慣導(dǎo)電機(jī)中鈦合金零件中較為典型的一種為例，具體結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。零件材料選用鈦合金TC4，該材料為α+β雙相鈦合金，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。內(nèi)螺紋規(guī)格為 M1.6（內(nèi)徑 D＜M2），零件高度 14，加工時允許從上下兩端面分別進(jìn)行螺紋加工，但應(yīng)保證單側(cè)螺紋深度不得小于5（深度＞3D），且在圓周方向任意兩螺紋孔的分度誤差小于5′（圓周方向分度誤差0.02）。

圖4 鈦合金零件Fig.4 Ti-alloy parts

圖5 零件剖面圖Fig.5 Cross-section

1.2 螺紋銑刀的選型

深小內(nèi)螺紋加工時應(yīng)選用小徑的螺紋銑刀（如圖6所示），該類銑刀從形式上主要分為全牙型和非全牙型兩種。全牙型銑刀擁有固定螺距的切削刀刃，但排屑性差，適合于M2～M5內(nèi)螺紋的加工；非全牙型銑刀的切削刀刃在同一平面上，切削內(nèi)螺紋可以按零件要求隨意設(shè)定螺距，排屑性好，但刀具強(qiáng)度低，易折斷，適合于 M1～M1.8內(nèi)螺紋的加工。這類紋銑刀價格較高，能有效防止不良品的產(chǎn)生，非常適用于附加值高、底孔余量少的螺紋加工[13]。

圖6 小徑螺紋銑刀Fig.6 Thread milling cutter with minor diameter

加工鈦合金時，目前常用的材質(zhì)是含鈷高速鋼（HSS-Co）、粉末高速鋼（CPM）以及硬質(zhì)合金。含鈷高速鋼（HSS-Co）和粉末高速鋼（CPM）多用在鉆頭和一般絲錐上，經(jīng)濟(jì)型較好。硬質(zhì)合金適合于精度要求高，加工難度高的零件部位，其刀具刃部需要進(jìn)行表面處理，處理方式一般有TiN涂層、TiCN涂層或氧化處理等。小徑的螺紋銑刀由于加工螺紋尺寸小、深度大，基本選用整體硬質(zhì)合金材質(zhì)，表面涂層根據(jù)刀具公司的不同設(shè)計(jì)進(jìn)行確定[14-15]。

本例中加工零件的螺紋規(guī)格M1.6，選用非全牙型螺紋銑刀，具體型號見表1。

表1 螺紋銑刀選用表Tab.1 Selection of thread cutter

2 方案實(shí)施

2.1 工藝方案

鈦合金零件內(nèi)螺紋加工時，由于螺紋規(guī)格只有M1.6，螺紋銑刀尺寸非常小，雖然選用硬質(zhì)合金材質(zhì)，如果工藝流程控制不好，刀具本身易折斷和磨損。實(shí)際銑削過程中，采用如下的工藝方案，如圖7。

圖7 工藝流程Fig.7 Technological process

鉆孔：鉆頭材質(zhì)選用高速鋼HSS-Co，鉆頭規(guī)格控制為?1.2，主要是加工螺紋粗底孔，為擴(kuò)孔作鋪墊。

擴(kuò)孔：鉆頭材質(zhì)選用高級粉末高速鋼XPM，鉆頭規(guī)格?1.3（趨近于國標(biāo)上線），主要是精加工螺紋底孔，保證螺紋底孔的形位圓度和直線度，防止螺紋銑刀加工時，刀刃尖部圓周方向受力不均，使得刀體振動甚至折斷。

螺紋粗銑：采用表1中的刀具粗銑螺紋，銑削時控制刀刃吃刀量及進(jìn)給速度，防止刀具磨損過快或者折斷。

螺紋精銑：采用表1中的刀具精銑螺紋，保證螺紋的規(guī)格精度及尺寸的一致性。

2.2 加工設(shè)備選型

螺紋加工時，刀具的運(yùn)動軌跡為螺旋形，單個螺旋周期內(nèi)，刀具沿z軸方向運(yùn)動的距離為內(nèi)螺紋的螺距。在平面 x-o-y內(nèi)，采用插補(bǔ)的方式進(jìn)行螺紋軌跡加工，具體加工方式如圖8所示。根據(jù)螺紋旋向的不同，刀具運(yùn)動方向采用正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

圖8 螺紋銑削示意圖Fig.8 The sketch of thread milling

鈦合金零件的螺紋規(guī)格為3-M1.6，螺紋銑刀刀刃直徑?(1.2～1.4)，桿徑直徑?(0.5～0.8)，刀柄直徑為?3。加工時切削速度 20～60 m/min，進(jìn)給量 0.01～0.03mm/r。選取CNC加工設(shè)備時，應(yīng)能保證刀具高速旋轉(zhuǎn)條件下，機(jī)床主軸的穩(wěn)定性和剛性刀柄的高精度跳動要求。同時由于3-M1.6螺紋要求在圓周方向任意兩螺紋孔的分度誤差不小于5′，還應(yīng)保證機(jī)床自身定位精度高。根據(jù)上述分析，確定機(jī)床、剛性刀柄及冷卻液的具體規(guī)格如表2所示。

表2 設(shè)備選型參數(shù)Tab.2 Equipment selection and parameter

2.3 刀具確定

選用表1中的3種螺紋銑刀，在圖9所示的加工環(huán)境下進(jìn)行螺紋銑削。銑削試驗(yàn)時，選用相同的切削參數(shù)，通過時時記錄刀具的磨損狀況，比較刀具的切削性能。通過刀具的極限壽命試驗(yàn)，比較刀具的經(jīng)濟(jì)性，最終得出刀具經(jīng)濟(jì)性對比結(jié)果，見表3。

圖9 銑削現(xiàn)場圖Fig.9 Milling process

通過表 3加工對比最終選用方案 2#的螺紋銑刀（DCG.3.M16.035.2.1.03）作為鈦合金零件加工的終選刀具。

表3 刀具經(jīng)濟(jì)性對比Tab.3 Economical comparison of cutting tools

2.4 效果檢驗(yàn)

該鈦合金零件選用表 2設(shè)備及已確定的刀具型號進(jìn)行加工，選取5件零件，對加工后的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可看出銑削后的螺紋完全符合要求，由于采用CNC數(shù)控加工，螺紋底孔與螺紋同工序加工，減少了周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，不但降低了操作者的勞動強(qiáng)度，而且將單件的加工時間從原來的 2 h 降低至 30 min。

表4 加工效果檢驗(yàn)Tab.4 Machining effect test

3 結(jié) 論

針對慣性導(dǎo)航產(chǎn)品中涉及到的鈦合金大長徑比細(xì)小深孔的螺紋加工難題，通過改變加工方案，選用高精度加工設(shè)備，優(yōu)化工藝方法、對比刀具切削性能和摸索工藝參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)該螺紋（規(guī)格：M1.6深5）的數(shù)控銑削加工。主要結(jié)論如下：

1）鈦合金材料粘性和延展性強(qiáng)，為降低螺紋銑削力，應(yīng)控制螺紋底孔尺寸為國標(biāo)尺寸上線，同時采用擴(kuò)孔的方式，提高螺紋底孔的圓度和表面粗糙度，保證螺紋銑刀加工時圓周方向受力的一致性，保護(hù)刀具。

2）鈦合金切削時回彈特性明顯，螺紋加工時不能一次銑削成活，應(yīng)采用二次銑削保證螺紋加工的一致性，同時刀具加工后期磨損嚴(yán)重，要不斷調(diào)整刀具補(bǔ)償值，并及時更換刀具。

3）大長徑比細(xì)小孔螺紋加工時，螺紋底孔與刀具直徑之間距離＜0.1 mm，這就要求較高的加工設(shè)備主軸跳動精度、刀具夾持精度和冷卻效果。

4）從加工質(zhì)量和效率上對比，螺紋銑削效率提升3陪，加工后螺紋深度和螺紋分度精度均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，所以該方案合理可行。

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