加工高難度航空航天材料精密攻絲用高效新型絲錐介紹

　　隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)飛行器性能的要求越來越高。伴隨其性能的提高，必然研制并應(yīng)用物理力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。這些新材料，如鈦合金、Ni基高溫合金、高強(qiáng)度鋼超高強(qiáng)度鋼以及復(fù)合材料均屬難加工材料和很難加工材料，它們的切削加工性很差，特別是小孔精密攻絲更困難。主要表現(xiàn)為攻絲扭矩大、切削溫度高、刀齒磨損快、易崩齒甚至折斷。絲錐的折斷往往造成零件報(bào)廢，大大降低了生產(chǎn)效率、增加了制造成本。攻絲試驗(yàn)證明，振動(dòng)攻絲是解決各種難加工材料高效精密攻絲最理想的工藝方法。但它需要有專用的振動(dòng)攻絲裝置，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)受到一定限制，或者說振動(dòng)攻絲時(shí)零件上的攻絲部位是有一定要求的，故推廣使用難度較大。最便捷的方法還是采用絲錐來攻絲。解決辦法有兩個(gè)：一是進(jìn)口國(guó)外絲錐，二是靠經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)工人修磨現(xiàn)有絲錐。前者要花費(fèi)大量外匯，因國(guó)外這些特殊絲錐價(jià)格昂貴;后者根本無法滿足批量生產(chǎn)的需求。因此研制并采用新型絲錐已刻不容緩，成了當(dāng)務(wù)之急。

　　除此之外，適當(dāng)加大底孔直徑對(duì)難加工材料攻絲也是非常重要的，因?yàn)楹芏嚯y加工材料在切削寬度方向上會(huì)產(chǎn)生切削變形，即有“脹牙”現(xiàn)象，用正常的底孔往往會(huì)使絲錐底徑參加工作，造成扭矩過大使絲錐刀齒損壞或折斷。但對(duì)不同精度和尺寸的螺紋，底孔加大量不同：

　　一、進(jìn)口絲錐剖析

　　在難加工材料上國(guó)外進(jìn)口絲錐攻絲高效、好用有以下3點(diǎn)原因：

　　(1)絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了專用化，即針對(duì)不同工件材料的物理力學(xué)性能及切削加工特點(diǎn)作了專用化設(shè)計(jì)以適應(yīng)不同材料攻絲的需要;

　　(2)選用了高性能的高速鋼并進(jìn)行涂層;

　　(3)選用了適宜攻絲加工的高性能冷卻潤(rùn)滑劑。

　　二、標(biāo)準(zhǔn)絲錐修磨

　　國(guó)內(nèi)絲錐多為通用結(jié)構(gòu)，在各種材料上攻絲均用同一參數(shù)的絲錐，對(duì)普通材料適用，而用于這些難加工材料上的結(jié)構(gòu)參數(shù)(前角、后角、切削錐角等)顯得不盡合理。有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)修磨。如：攻鈦合金時(shí)，在絲錐校準(zhǔn)部刀齒留刃帶ba=0.2~0.3mm后，再加大后角使其af =20°~30°;在保留原校準(zhǔn)齒2~3扣后，加大倒錐至0.16~0.3mm/100mm[4]。

　　三、新型絲錐

　　新型絲錐主要有涂層絲錐、跳齒( 牙) 絲錐和修正齒絲錐。

　　1、 涂層絲錐

　　涂層絲錐即用物理氣相沉積PVD(Physical Vapor Deposition)法在高速鋼絲錐表面上涂2~5μm 的硬質(zhì)涂層(主要有金黃色的TiN 涂層、紫紅色的TiAlN 涂層、黑灰色的TiCN等;也有采用軟硬復(fù)合涂層的，即絲錐溝槽處涂MoS2 或WS2 軟涂層，切削刃部涂硬質(zhì)層)。它們可減小與工件材料間的摩擦系數(shù)，防止粘結(jié)，減小攻絲扭矩，提高絲錐的耐磨性。目前使用較多的是TiN 涂層。

　　2、跳齒絲錐

　　跳齒絲錐也稱跳牙絲錐，它是通過改變切削層的厚度與寬度的比例關(guān)系，即減小切削層寬度、增大切削層厚度，從而利用切削力的尺寸效應(yīng)減小單位面積切削力，在每齒切削面積不變的情況下使總切削力減小，使得切削扭矩得到了減小，從而提高了絲錐攻絲的可靠性。

　　跳齒方式可有不同的組合：即切削齒部分沿螺旋線相間保留去除一刀齒，校準(zhǔn)齒不變;切削齒保留不變，只校準(zhǔn)齒部分沿螺旋線相間保留去除一刀齒;切削齒與校準(zhǔn)齒兩部分均沿螺旋線相間去除保留(見圖1)。

　　用圖1(b)所示方式的跳齒絲錐M6 在鈦合金TC4上攻絲時(shí)有較明顯效果，干攻時(shí)的攻絲扭矩只是標(biāo)準(zhǔn)絲錐的45%左右，切削溫度只是標(biāo)準(zhǔn)絲錐的68%[5]。在Ni 基高溫合金材料上攻絲時(shí)攻絲扭矩只是標(biāo)準(zhǔn)絲錐的60%左右[6] ;而對(duì)于高強(qiáng)度超高強(qiáng)度鋼，因抗拉強(qiáng)度太大，如用同一結(jié)構(gòu)參數(shù)(切削錐角、倒錐、前后角等)的跳齒絲錐效果不盡如人意。

　　3、修正齒絲錐

　　修正齒絲錐，是指齒形角修正了的絲錐。為測(cè)量方便，生產(chǎn)中齒形角常修正為55°, 也就是采用齒形角a0 =55°的絲錐，在滿足倒錐度tanδ = tanκr(tan(α1/2)con(α0/2) ? 1) 的情況下，可攻制出齒形角a1 =60°的標(biāo)準(zhǔn)三角形螺紋。修正齒絲錐的切削圖形屬分層式中的漸成式，而標(biāo)準(zhǔn)絲錐的切削圖形屬分層式中的成形式或稱同廓式(圖2)。

　　由于標(biāo)準(zhǔn)絲錐采用的切削圖形是成形式，即絲錐刀齒的形狀與被攻螺紋的形狀是完全相同的，每個(gè)刀齒的齒頂和齒側(cè)均參加切削，齒側(cè)除了與正在被切的那層金屬接觸之外，還與已被切完了的螺紋側(cè)面相接觸，摩擦嚴(yán)重，對(duì)小尺寸的絲錐齒側(cè)又不鏟磨，即無側(cè)刃后角，摩擦就更嚴(yán)重了。如攻TC4這樣彈性回復(fù)嚴(yán)重的材料時(shí)，絲錐齒側(cè)就會(huì)被“抱住”，由于摩擦扭矩大使其攻絲無法進(jìn)行。

　　修正齒絲錐采用的切削圖形為漸成式，絲錐刀齒的齒側(cè)只與正在被切的那層材料接觸，而與已切完的螺紋側(cè)面形成了κr′= 2°30′的副偏角，從而大大減小了摩擦接觸面積，加之它的倒錐度大，故大大減小了摩擦扭矩，特別適宜彈性回復(fù)較大材料TC4的攻絲。

　　攻絲試驗(yàn)證明，攻M6螺紋時(shí)，用修正齒絲錐干攻時(shí)的攻絲扭矩和切削溫度只為標(biāo)準(zhǔn)絲錐的30%[5]。

　　4、絲錐參數(shù)化研究

　　由于各種難加工材料本身的物理力學(xué)性能差異很大，所用修正齒絲錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)(切削錐角κr、倒錐度δ、校準(zhǔn)部長(zhǎng)度)和幾何參數(shù)(前角、后角)也不應(yīng)相同，即參數(shù)必須專用化，否則也不一定會(huì)取得好效果。

　　為此，我們對(duì)5種物理力學(xué)性能有很大差異的航空航天常用難加工材料進(jìn)行了修正齒絲錐結(jié)構(gòu)參數(shù)化的試驗(yàn)研究，取得了滿意的效果。這5種難加工材料的化學(xué)成分組成及物理力學(xué)性能見表1。

　　試驗(yàn)用M8修正齒絲錐的結(jié)構(gòu)參數(shù)及代號(hào)見表2。

　　4.1 鈦合金(TC4——Ti6Al4V)

　　鈦合金具有密度小(約為4.5g/cm2)，強(qiáng)度高，能耐各種酸、堿、海水、大氣等介質(zhì)的腐蝕等一系列優(yōu)良的物理力學(xué)性能，因此在航空、航天、艦艇、化工、石油、冶金、醫(yī)療器械工業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如：飛機(jī)機(jī)身構(gòu)件、起落架、支撐梁、發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片與接頭、隔熱板、機(jī)尾罩、減速板、襟翼滑軌、骨架、蒙皮及緊固件等。

　　航天器上的承力構(gòu)件、框架、氣瓶、壓力容器、渦輪泵殼、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及噴管等零部件。兵器工業(yè)中的火炮制退器、多用途導(dǎo)彈上的形狀復(fù)雜構(gòu)件;艦艇上的重要結(jié)構(gòu)件。

　　因其彈性回復(fù)大、導(dǎo)熱性差，攻絲非常困難，κr = 5°~7°30′的修正齒絲錐是其攻絲的有效工具。

　　用M8 標(biāo)準(zhǔn)絲錐和κr =7°30′，5°(3#, 1#)的修正齒絲錐進(jìn)行了手動(dòng)與機(jī)動(dòng)干式攻絲試驗(yàn)，扭矩記錄曲線如圖3所示。

　　不難看出：(1)標(biāo)準(zhǔn)絲錐攻絲時(shí)的總扭矩M 約為24N·m，而修正齒絲錐的M 只為5 N·m，約是標(biāo)準(zhǔn)絲錐的21% 左右;(2)標(biāo)準(zhǔn)絲錐攻絲時(shí)摩擦扭矩Mf 約占總扭矩M 的30%~40%，而用修正齒絲錐時(shí)，Mf 只是M 的16% 左右;修正齒絲錐較好地解決了回彈大材料摩擦扭矩問題。

　　另外，用標(biāo)準(zhǔn)絲錐時(shí)的切削溫度θ可達(dá)360℃(vc =1.3m/min)，用修正齒絲錐時(shí)θ只有120℃，當(dāng)vc = 8m/min時(shí)才達(dá)270℃ [7]。

　　4.2 鎳基高溫合金(GH4169)

　　鎳基高溫合金是多組元的復(fù)雜合金，具有優(yōu)良的熱強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性能及熱疲勞性能，可在650℃以上的高溫氧化氣氛及燃?xì)飧g條件下工作，是各種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)(飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、艦艇發(fā)動(dòng)機(jī)、電站發(fā)動(dòng)機(jī)、宇航飛行器及火箭發(fā)動(dòng)機(jī))耐熱零部件(燃燒室、渦輪、加力燃燒器、尾噴口、火焰筒、渦輪葉片、導(dǎo)向葉片及渦輪盤)的首選典型應(yīng)用材料。

　　因其強(qiáng)度高、加工硬化嚴(yán)重，攻絲很困難。κr =2°30′的修正齒絲錐可解決其攻絲難題。

　　用標(biāo)準(zhǔn)絲錐手動(dòng)攻絲和機(jī)動(dòng)攻絲是根本不可能的。用κr =2°30′(4#)修正齒絲錐干式攻絲的扭矩記錄曲線如圖4所示。

　　可看出：與TC4相比，用4#修正齒絲錐時(shí)M 約大160%，Mf 則很小僅占8%，但不能采用機(jī)動(dòng)攻絲(夾頭打滑)。

　　4.3 高強(qiáng)度超高強(qiáng)度鋼

　　高強(qiáng)度超高強(qiáng)度鋼(F175，D406A)是具有一定合金元素含量的經(jīng)調(diào)質(zhì)處理得到的高強(qiáng)度(σb≥1GPa)超高強(qiáng)度(σb≥1.5GPa)的結(jié)構(gòu)鋼。

　　主要用來制造機(jī)器中各種關(guān)鍵承載零件。如：飛機(jī)起落架、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架、火炮炮管及炮彈彈體、高負(fù)荷砂輪軸、高壓葉片、重要齒輪與螺栓、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與連桿、花鍵軸等。因其強(qiáng)度太高、扭矩太大，攻絲十分困難。κr =3°30′(5#)修正齒絲錐可勝任其攻絲。

　　用κr =3°30′(5#)修正齒絲錐進(jìn)行干式攻絲時(shí)，扭矩記錄曲線如圖5與圖6所示。

　　由圖5不難看出：用修正齒絲錐(5#)攻絲時(shí)的M 比TC4 攻絲時(shí)的大60%~90%，Mf 只占M 的3%~4% 以下。

　　由圖6可看出：用5#修正齒絲錐攻絲時(shí)的M 比攻絲TC4時(shí)大100%，Mf 只占M 的2%以下。

　　4.4 奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti

　　它是各類不銹鋼中耐蝕性好、強(qiáng)度較高、應(yīng)用最廣泛的一種，常用作抗磁儀表、醫(yī)療器械、耐酸容器及設(shè)備的襯里、汽輪機(jī)、輸送管道等設(shè)備和零件的材料。

　　因其伸長(zhǎng)率大(達(dá)60%)、沖擊韌性大、切屑粘不易折斷，攻絲困難。κr =7°30′、γf =10°的2#修正齒絲錐可解決其攻絲難題。

　　在此，用標(biāo)準(zhǔn)絲錐進(jìn)行了手動(dòng)干式攻絲，但機(jī)動(dòng)未做，因?yàn)榍行级氯筂較大，絲錐在夾頭中打滑。用κr =7°30′(2#)修正齒絲錐進(jìn)行的手動(dòng)與機(jī)動(dòng)干式攻絲試驗(yàn)。扭矩記錄曲線如圖7所示。

　　可以看出：(1)與TC4 相比，用標(biāo)準(zhǔn)絲錐攻絲時(shí)M 約為TC4 攻絲的50% 左右，摩擦扭矩Mf 不足10% ;(2)與TC4 相比，用修正齒絲錐攻絲時(shí)M 約比TC4 大80% 左右;(3)用修正齒絲錐攻絲時(shí)M 只為標(biāo)準(zhǔn)絲錐的70% 左右，Mf 不足2%。

　　另外，2#修正齒絲錐在vc=1.3m/min攻絲時(shí)切削溫度達(dá)180 ℃，vc=8m/min 時(shí)達(dá)260℃，與TC4 相當(dāng)。

　　四、選用性能好的切削液

　　選用性能好的切削液也是解決難加工材料高效攻絲的有效措施。使用4901(含氯極壓切削液)在TC4上手動(dòng)攻絲時(shí)的效果較好(表3)。不難看出：使用4901作切削液用標(biāo)準(zhǔn)絲錐時(shí)的攻絲扭矩M 只是干式攻絲的60%，用修正齒絲錐時(shí)的攻絲扭矩M 只是干式攻絲的75%。即用4901時(shí)攻絲扭矩比干切可減小25%~35%?？梢娪煤鹊臉O壓切削液在低速( 手動(dòng)攻絲) 下有很好的潤(rùn)滑作用，大大減小的是摩擦扭矩。

　　( 文章來源：互聯(lián)網(wǎng) )