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業(yè)廠家。隨著市場發(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，針對該廠鈦合金零件小螺紋攻絲特點(diǎn)開展工藝探索。

　　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

　　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，在加工中未對其研究，隨著近年來應(yīng)用于國防產(chǎn)品零件的比重越來越大，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。

　　1.1 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)動機(jī)專業(yè)廠中難加工材料所占比例較大。

　　1.2 難切削材料分類 材料種類較多，從金屬到非金屬材料范圍也很廣。

　?、傥⒂^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），切削這些材料時切削力大，溫度高，刀具主要是磨料磨損和崩刃。③加工時硬度傾向嚴(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。這類材料化學(xué)活性大、親和性強(qiáng)，切削加工時易粘接在刀具上，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0.1%，但其強(qiáng)度低、塑性高。

　?、賂C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?。河赦伒膶?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。

　　2.1 加工零件描述 零件名稱：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間為1.2小時左右，一批零件的加工時間為36小時以上。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。對鈦合金零件小螺紋攻絲對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 問題分析

　　3.1 鈦合金加工切削液的選擇 鈦合金加工時，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。一般來說，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。對于鉆孔、絞孔、攻絲工序應(yīng)采用潤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，會降低工件的精度；②如果使用含氯的切削液，切削過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)力腐蝕開裂；③切削液中的氯化氫使用時還可能分解或發(fā)揮有毒氣體，使用時宜采取安全措施；切削后應(yīng)及時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)在攻絲時總扭矩大，約為45#鋼的2倍，絲錐刀齒過快的磨損、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，解決鈦合金攻絲問題的關(guān)鍵是減小攻絲時絲錐與工件的接觸面積。

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

　　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70%為依據(jù)來選取底孔直徑大小，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，可適當(dāng)增大牙高率，但過大會增大攻絲扭矩，甚至折斷絲錐。

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

　　對鈦合金攻絲時，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 通過對生產(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)過程中均出現(xiàn)斷絲錐，無論選用哪種極壓切削液攻絲，同樣造成斷絲錐無法正常加工。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。成本在原來基礎(chǔ)上降低25%左右。②提升生產(chǎn)效率。改進(jìn)前單個零件的攻絲時間為1.2h，改進(jìn)后單人加工一個零件的攻絲時間為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)算對比表》兩份技術(shù)規(guī)范給予指導(dǎo)生產(chǎn)。

　　6 結(jié)論

　　通過本文對鈦合金零件小螺紋（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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