慣性導航產品中鈦合金深小內螺紋銑削加工

常樂，李金超，高煥明，蔡智淵，代啟超

（1.天津大學機械學院，天津300072；2.天津航海儀器研究所，天津300131）

慣性導航產品中，慣性導航平臺及陀螺電機等關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、導熱性差、化學活性大，鈦合金零件的精密加工一直是行業面臨的難點問題[1-2]。目前國內外企業對于鈦合金的精密切削性能進行了大量的實踐研究，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，但針對深小內螺紋的加工，一直是行業的瓶頸問題[3]。

針對尺寸規格＜M3，深度＞2.5D內螺紋的加工，行業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[4-6]。還有一種擠壓絲錐（如圖2所示），利用塑性原理加工內螺紋的擠壓攻絲，擠壓攻絲充分利用了金屬冷作硬化特點，加工出的內螺紋強度大表面光滑，無切削排出，內螺紋精度穩定，抗折損強度大，但是擠壓絲錐徑向受力大易斷錐，不適合大長徑比內螺紋加工[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上又出現了振動攻絲，主要是沿螺旋升角方向附加一定頻率振動，將攻絲過程由連續變成斷續，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”現象發生，但是需要附加激振附件，應用范圍有限[8-9]。螺紋銑削（如圖3所示）是一種新型的螺紋數控加工方式，利用數控加工中心的螺紋圓弧插補功能（G02和G03），即在 X軸和Y軸插補的同時加入Z軸的直線插補，形成螺旋插補功能，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）的選型要求嚴格[10-12]。

圖3 螺紋銑刀Fig.3 Tread cutter

目前針對大長徑比深小內螺紋(內徑 D＜M2，深度＞3D)基本選用一般絲錐手動加工，不但效率低，對操作者要求嚴格，而且零件易因為絲錐折斷無法取出報廢。為適應慣性導航產品的規模生產，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螺紋高效加工的技術難題。綜合以上分析，螺紋銑削加工成為了最終的解決方案。

1 慣導電機中鈦合金零件

1.1 鈦合金零件特點

選取慣導電機中鈦合金零件中較為典型的一種為例，具體結構如圖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，組織穩定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能。內螺紋規格為 M1.6（內徑 D＜M2），零件高度 14，加工時允許從上下兩端面分別進行螺紋加工，但應保證單側螺紋深度不得小于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

深小內螺紋加工時應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，切削內螺紋可以按零件要求隨意設定螺距，排屑性好，但刀具強度低，易折斷，適合于 M1～M1.8內螺紋的加工。這類紋銑刀價格較高，能有效防止不良品的產生，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，目前常用的材質是含鈷高速鋼（HSS-Co）、粉末高速鋼（CPM）以及硬質合金。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，經濟型較好。硬質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，基本選用整體硬質合金材質，表面涂層根據刀具公司的不同設計進行確定[14-15]。

本例中加工零件的螺紋規格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 方案實施

2.1 工藝方案

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

圖7 工藝流程Fig.7 Technological process

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

擴孔：鉆頭材質選用高級粉末高速鋼XPM，鉆頭規格?1.3（趨近于國標上線），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，保證螺紋的規格精度及尺寸的一致性。

2.2 加工設備選型

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

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，進給量 0.01～0.03mm/r。選取CNC加工設備時，應能保證刀具高速旋轉條件下，機床主軸的穩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′，還應保證機床自身定位精度高。根據上述分析，確定機床、剛性刀柄及冷卻液的具體規格如表2所示。

表2 設備選型參數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所示的加工環境下進行螺紋銑削。銑削試驗時，選用相同的切削參數，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，比較刀具的經濟性，最終得出刀具經濟性對比結果，見表3。

圖9 銑削現場圖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 刀具經濟性對比Tab.3 Economical comparison of cutting tools

2.4 效果檢驗

該鈦合金零件選用表 2設備及已確定的刀具型號進行加工，選取5件零件，對加工后的效果進行檢驗，檢驗結果見表4。

由表4可看出銑削后的螺紋完全符合要求，由于采用CNC數控加工，螺紋底孔與螺紋同工序加工，減少了周轉環節，不但降低了操作者的勞動強度，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Tab.4 Machining effect test

3 結 論

針對慣性導航產品中涉及到的鈦合金大長徑比細小深孔的螺紋加工難題，通過改變加工方案，選用高精度加工設備，優化工藝方法、對比刀具切削性能和摸索工藝參數，最終實現該螺紋（規格：M1.6深5）的數控銑削加工。主要結論如下：

1）鈦合金材料粘性和延展性強，為降低螺紋銑削力，應控制螺紋底孔尺寸為國標尺寸上線，同時采用擴孔的方式，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重，要不斷調整刀具補償值，并及時更換刀具。

3）大長徑比細小孔螺紋加工時，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備主軸跳動精度、刀具夾持精度和冷卻效果。

4）從加工質量和效率上對比，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于設計要求，所以該方案合理可行。

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