一种改进标准丝锥加工钛合金的技术方法
一种改进标准丝锥加工钛合金的技术方法
丝锥是内螺纹加工的通用刀具，在车床、钳工及加工中心上的应用非常广泛。由于钛合金抗腐蚀性强、 比强度高等优秀特性，在航空发动机领域中有许多钛合金零件。
同样由于钛合金的材料特性，导致钛合金零件的攻丝，特别是 M6 以下的小孔攻丝相当困难，攻丝时丝锥选用不当及操作不当极易造成加工硬化，加工效率极低并时有丝锥折断现象，即使依靠专用进口丝锥或者跳牙丝锥加工，但也经常出现丝锥磨损快、易折断的现象。本文主要通过对标准丝锥进行改进研究，实现钛合金零件内螺纹高效稳定的攻丝加工，对钛合金内螺纹加工提供一种简单易行且更加经济的加工方法， 可广泛应用于钛合金零件的加工制造中。
2.1 材料性能
钛合金是一种新型金属，可分为：α 钛合金、β 钛合金、α+β 钛合金，它的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质的含量有关。钛合金的密度一般在 4.5/cm3 左右，仅为钢的 60% ；抗腐蚀性好，对碱、氯的有机物品、硝酸、 硫酸等有优良的抗腐蚀能力；导热系数小、弹性模量小，抗拉强度大、热强度高，
2.2 切削特性
钛合金变形系数小、导热系数小、抗拉强度大、化学活性大是影响钛合金加工的显著特点，因此也造成了钛合金切削加工有以下特点：
①导热性差，切削温度高
由于钛合金变形系数小、导热系数小（只相当于 45# 钢的约 1/6），切削时所产生的切削热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围，所以切削温度很高（在相同条件下切削温度可比 45# 钢高出 1 倍以上），降低了刀具耐用度。
②单位面积上切削力大，刀具易磨损
切削钛合金时，由于其塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑与前刀面接触的时间极短，单位面积上的切削力大大增大，很容易造成崩刃；同时由于钛合金的弹性模量小，弹性变形大，接近后刀面处的工件表面回弹量大，所以已加工表面与后刀面的接触面积进一步加大，导致刀具磨损严重，影响零件精度。
③冷硬现象严重
由于钛合金化学活性大，在高的切削温度下很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中塑性变形也很容易造成表面硬化，冷硬现象进一步加剧了刀具的磨损。
3.1 钛合金攻丝加工的主要问题分析
丝锥攻丝属于范成法加工，范成法加工的特点是刀具在加工过程中与工件的接触面积大，产生大量的切削热，在攻钛合金时，由于钛合金的抗拉强度大，金属材料不易剥离，产生的切削热更大；再加上由于钛合金的导热系数低，使切削产生的热量无法通过工件传导出去，在切削区域形成局部高温区。
金属都有热胀冷缩现象，受热后其金相组织膨胀， 如果材料导热性好，会形成线性膨胀，使内孔加大，但对于钛合金而言，由于切削所产生的热量传导不出去，使局部的金相组织膨胀，无法向外扩张，所以会产生孔径收缩现象，造成刀具与工件之间产生过盈，形成“夹刀”现象（见图 1），最终使刀具折断。
另一方面，由于钛合金的弹性模量小，螺纹表面产生很大的应力回弹，使丝锥与工件接触面积增大，从而摩擦力大幅增加，同时产生大量的切削热，进一步导致刀具磨损加剧。另外，钛合金切屑细小且不易折断，有粘刀现象，造成排屑困难。
因此解决钛合金攻丝问题的关键是减小攻丝时丝锥与工件的接触面积，同时减少切削热的产生，从而避免“夹刀”现象及刀具的异常磨损，提高刀具耐用度及切削效率。
3.2 详细分析标准丝锥加工时切削热问题
在攻丝过程中，切削热的主要来源是丝锥的切削锥部分。标准丝锥（如图 2）的齿型前角（r）一般为 8°~10°；切削锥部分齿顶后角是经铲磨得到的，一般后角为 4°。
对于一般精度的丝锥或小直径丝锥，其切削锥与校准部分螺纹齿型不铲磨，故其第一主切削刃及副切削刃均无后角（见图 3）。
机用丝锥的螺纹齿型会铲磨出微量后角，用以减小摩擦，提高加工精度与刀具耐用度，但铲磨量不能太大，以免沿前刀面重磨后丝锥直径减小过多，一般径向铲磨量为 0.02-0.07mm（丝锥直径愈大，铲磨量也应大些）。
标准丝锥的切削锥部分的前角小于齿型前角，原因分析如下：标准丝锥在磨制切削锥时，会把切削锥部分齿型高点磨去一部分，由于标准丝锥容屑槽是圆弧形的，为切线前角，所以在磨除切削锥高点时，切削锥前角急剧变小，大约是齿型前角的 1/3。因此，在切削钛合金时，切削锥前角相对不够锋利，攻丝时刀具对材料挤压过大，使切削区温度升高；又由于钛合金导热性差，导致切削热不能及时散出，造成外冷内热，底孔收缩，从而丝锥被“咬死”折断，若利用标准丝锥攻丝就必须对其进行必要的技术处理。
通过以上分析，针对丝锥而言，攻制钛合金螺纹最有效减少切削热的方法是：增大切削锥前角；通过削背处理，减小丝锥与工件的接触面积。
对此进行了详细的实验，选用 M10 高速钢标准丝锥，实验过程及结果如下。
4.1 丝锥改进过程
①改进丝锥校准部分，以减少接触面积：沿丝锥校准部分全长以 β=18°~22°磨去齿背，留 0.5~0.8mm 韧带，从而增大了容屑空间，减少接触齿面积，对冷却、润滑条件有利，使切屑顺利排出。
②将切削锥前角由切线前角变为线性前角，改进过程如下：a. 切削锥前角增大至 5°，在攻制深孔时，切削热较大，并出现轻微“抱死”现象。
b. 切削锥前角增大至 10°，切削轻快，产生切削热量低，但耐用度不高，细小丝锥强度差，易折断。
c. 切削锥前角增大至 8°，丝锥切削较轻快，耐用度大大提高。
4.2 验证试验过程及结果
①试验基础条件
试验设备：普通车床（JIMT360）
被加工材料：Tc10
试验件外径：Φ25
螺纹尺寸：M10 深 25mm
螺纹底孔尺寸：Φ8.54 深 30mm。
②验证实际试验过 程及结果
对切削锥前角为 8° 进一步进行试验验证，如图 4，用刀 磨把 M10 标 准丝锥切削锥前角磨成 8°，并磨出 1°刃倾角， 然后用改制后丝锥进行验证加工：
机床转速选择 76r/min（机床最低转速），选用善能珩磨油冷却。经试验，一根丝锥可加工 70 件左右，机磨丝锥精度等级为 H2，攻出的螺纹精度等级可达 6H， 螺纹光度可达 Ra1.6 以上；如果精度要求不高的连接螺纹，可按 d1=d0-0.7578P 适当加大螺纹底孔 , M10 螺纹底孔可加工到 Φ8.86。
丝锥的修磨可采用手工或机床刃磨，只要按照以上要求对丝锥改进性修磨，均可以达到很好的加工效果；同时建议对细小丝锥（M5 以下）可选择螺旋槽丝锥进行修磨，以增加丝锥强度。经后续实际推广应用， 以上方法从 M3~M12 都能适用，一般会提高丝锥耐用度 5~10 倍，实际改进效果非常明显。
在金属加工过程中，决定切削热大小的因素是切削三要素，影响切削热最大的切削要素是切削速度，因此切削速度对刀具耐用度影响很大，攻丝是范成法加工，切深及走刀量取决于刀具，无法改变，因此最好能使刀具在最小的切削速度下工作。
为了能有效降低切削区的温度，在加工过程中就要有充分的冷却与润滑，之所以选用珩磨油作为润滑剂，是因为单纯的油脂没有热稳定性，遇热后迅速分解，起不到对切削区域的冷却与润滑，珩磨油是一种复合型冷却介质，它是润滑油与二硫化钼的混合物，其中二硫化钼属于固体润滑剂，有很好的热稳定性，在高温区域不会分解，能起到很好的润滑作用，润滑油又有很好的降温和携带效果，从而达到很好的降温和冷却效果。
通过对钛合金材料性能特点的分析，同时对标准丝锥的改进试验，有效的改变了钛合金内螺纹的加工环境，提高了刀具寿命，使钛合金攻螺纹变得简单，减少生产准备等待时间，节约了成本，可以在航空航天等钛合金零件加工中的广泛推广。
