加工鈦合金工件小直徑內螺紋絲錐的改進

郭 俊 王新

摘 要：由于鈦合金的材料特點和攻小直徑內螺紋的工藝過程特點，使得鈦合金小直徑內螺紋攻絲階段困難重重，下文從鈦合金小直徑內螺紋切削的現狀與鈦合金小直徑內螺紋切削不同過程的受力進行分析，提出對絲錐的改進措施，取得很好的效果。

關鍵詞：鈦合金;小直徑內螺紋;分析

1 引言

鈦合金密度小，比強度高（密度一般在4.5g/cm3左右，大約是鋼的60%），具有良好的耐熱強度，在低溫和超低溫環境中仍能保持較高的力學性能，屬難切削材料，特別是小孔攻螺紋十分困難。如果使用未經改制的絲錐進行加工，往往會因為切削扭矩超過絲錐的強度極限而導致絲錐折斷，報廢率高，增加產品的加工成本，經過仔細研究，對絲錐進行了改進取得很好的效果。

2 鈦合金攻小直徑內螺紋切削過程受力分析

（1）絲錐受力不均勻。鈦合金小直徑內螺紋切削過程中，刀具的刃端切削部位都會參與其中，很容易就能看出，絲錐或者材料經過一圈的轉動，參與切削的部位都會在螺距上前進一個單位，把材料多剝落一次，每齒的加工負荷較大。切削錐在孔洞中切近時，切削面積慢慢擴大，當絲錐完成入孔的過程后，切削那的總體面積最大化。工件的材質、切削部位在受到的摩擦力逐漸增強，切削層逐漸在高溫中塑造變形時，會給鈦合金帶來穩定性影響。

攻螺紋絲中，絲錐刃端切削部位受到的力分別為橫向力Fa、縱向力Fr與切入力Ft。切入力對攻絲時的扭矩大小有決定作用，而橫向與縱向受力對切削整個過程有影響，在絲錐正常工作條件下，由于同時工作的絲錐各切削牙的切削面積不等，當切削錐不夠長時，角度較大，不同刃端切削部位的寬度會區別更大，所以，作用在絲錐各刃瓣上的徑向力Fr的合力不等于零。螺紋攻絲時切削錐會往縱向受力小的那邊偏轉，使錐體橫軸偏轉，從而往孔邊靠近，使孔洞變大。

（2）扭矩不穩定。其他材料攻螺紋時也存在扭矩不穩定這一問題，但鈦合金攻小直徑內螺紋會加大凸起。切削扭矩，切削錐和接觸面摩擦扭矩，碎屑在儲存槽內所產扭矩這幾個部分有效組成了攻絲扭矩。正常情況下，最重要的為切削扭矩，絲錐承受的重量和其切削厚度Ac ，刀齒次數相關。切入孔底時，刀齒次數的增加會讓切削扭矩、摩擦扭矩增多，全部進入孔中后，扭矩最大化，絲錐在另一側孔中穿出時，扭矩開始減小。可見，在整個切削過程中，扭矩經歷由小到大，再逐漸變小過程，扭矩不穩定。

3 鈦合金攻小直徑內螺紋改進措施

（1）控制絲錐前角γ0，改善切削性能。前角γ0對切削過程有很大的影響，前角增大可使絲錐刃口鋒利，切削過程中的塑性變形和摩擦阻力減小，從而使切削過程輕快省力，但前角過大，會使刃口和刀頭強度削弱，散熱條件變差，絲錐容易磨損或崩刃。試驗證明，針對鈦合金材料的特點以及加工小直徑內螺紋的工藝特殊性，將絲錐前角γ0加大到7o～10o，保證了絲錐的強度的同時在很大程度上能夠改善切削性能，切屑易于卷曲和排除。

（2）增加校準部分后角a0'，減小切削過程中的摩擦，改善自定心能力。絲錐后角a0也是影響切削過程的另外一個物理量，較大的后角會縮減摩擦，方便冷卻溶液流進切削區，但后角也不能過大，太大的后角會使絲錐切近自動定心能力減弱，對于鈦合金材料的加工，經試驗，在保留原標準絲錐校準齒頂刃部分的結構情況下，用刃磨直線形的方法加磨a0'=6°～12°的后角，既可以減小齒頂及后刀面與已加工螺紋表面的接觸面積，又可增加自定心能力。

（3）改變絲錐切削角，促進切削扭矩的穩定。切削錐進行加工時，切削扭矩，切削錐和接觸面摩擦扭矩，碎屑在儲存槽內所產扭矩這幾個部分組成了攻絲切削扭矩。正常情況下，最重要的為切削扭矩，絲錐承受的重量和其切削厚度Ac，刀齒次數相關。切削的厚度Ac和切削錐具體相關參數公式為Ac=P Kr/Z，Ac是每一齒的具體厚度，P代表螺間距，Z為盛屑槽數量，Kr是具體角度。以上可以發現，切削錐每一齒承負與切削錐具體相關參數有關，不僅由鈦合金材料有關。標準的切削錐中，螺間距P為常數，切削錐具體構成影響盛屑槽數量Z（通常情況下Z=3～4），此時，具體角度Kr決定Ac，即切削的厚度。

切削錐的具體角度Kr比較小的時候，碎屑薄，這時切削的總體面積被縮減，扭矩隨之減少。這并不是說切削錐的具體角度Kr小的更好，比如Kr小為牙狀時，切削的厚度會Ac<0.02mm，這是小于刃口的大半徑的（新的刀具標準值在0.015mm），這時候刃口的大半徑會阻止刀具產生切削的作用（如上圖1），這會使被加工工件出現擠壓，導致產生較高溫度，會加快刀具消耗，還會使螺孔的接觸面質量下降，在高溫的擠壓下會在外部遇冷結成較脆的硬殼，而且在加工過程出現硬化冷凝的情況，硬度過高會使材料產生反作用，這不但會減弱鈦合金材料的疲乏值抗性，還會使絲錐的消耗速度加劇，甚至出現扭曲、崩斷的現象。

通過上圖可以看出切削的厚度應該保證在0.03～0.06mm之間，這樣方便確認切削出的角度是否在Kr=5°～10°之間，運用小直徑的絲錐雖然強度大，但是會使切屑儲存槽不夠深，但是大直徑絲錐會使切削層比較厚，會使切屑產生多，導致溢出。所以以上M8、M10切削錐運用6°30'進行了改造。

4 結語

由上述分析見，在鈦合金小直徑內螺紋的加工過程中，合理刃磨絲錐各個角度，既能夠保證加工質量又可以提高絲錐的使用壽命。鈦合金小直徑內螺紋的加工過程中還應當注意：其中刀具需要有比較大的倒錐，使切削錐從前到后，次第減少鈦合金材料反向力帶來的摩擦。同時，鈦合金攻小直徑內螺紋的切屑很薄，絲錐和過渡處后方的刀面消耗較快，會出現較大磨損，影響絲錐工作，使加工處變得粗糙不細致，螺紋也有可能遭到毀壞，所以這就要求加工進行時注意這些地方的消耗情況，出現0.3--0.5mm耗損時應該不再使用該刀具，避免刀具出現斷裂、崩刃等問題影響質量，避免出現多余損失，保證內螺紋加工的質量。

參考文獻：

[1]周澤智.鈦合金材料切削刀具的選擇[J].機械制造2001（08）：17-19.

[2]鄭文虎等.難切削材料加工技術問答[M].北京：北京出版社，2001.