钛合金小螺纹攻丝探索

王光书

摘要： 陕西华燕航空仪表有限公司是集研发、制造和装配高精度航空陀螺仪表专业厂家。随着市场发展的需求，航空陀螺仪表向高精度、高可靠性、体积小的特点发展。航空陀螺仪表的关键零（组）件均由难切削材料钛合金（TC4-R）和钨基高比重合金（W152-1）组成，其中M2-7H（含）以下螺纹的加工制约着生产效率。为此，针对该厂钛合金零件小螺纹攻丝特点开展工艺探索。

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.

关键词： 难切削材料；钛合金小螺纹攻丝；工艺探索

Key words： hard cutting materials；titanium alloy small thread tapping process；process exploration

中图分类号：TH161 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）36-0085-02

0 引言

钛合金材料属难加工材料一种，这主要是由钛合金材料的特性所决定。该材料在民用产品中运用较少，普遍应用于国防工业的产品中。因该材料早期使用量较少，在加工中未对其研究，随着近年来应用于国防产品零件的比重越来越大，材料的加工工艺性和效率的提升被业内人员得以研究。尤其是小螺纹攻丝效率提升、成本降低显得尤为重要。本文对加工环节中的刀具、切削液、工艺方法等技术方法进行探索，给同行业者一定的参考和借鉴。

1 难切削材料的类别

1.1 难切削材料特性 难切削材料就是切削加工性能差的材料，即硬度HB>250，强度δb>1000MPa，伸长率>80%，冲击值αk>0.98MJ/m2，导电系数k<41.8W/（M0k）的材料。但在实际生产中，切削加工的材料品种繁多，性能各异。该公司钛合金和钨基高比重合金属占加工材料零件的比重达30%，但在发动机专业厂中难加工材料所占比例较大。

1.2 难切削材料分类 材料种类较多，从金属到非金属材料范围也很广。

①微观高硬度材料：陶瓷，铸铁，可加工陶瓷等，这些材料的耐磨性很好，切削时起磨料作用，故刀具主要承受磨料磨损。②宏观高硬度材料：硬质合金，陶瓷，钨基高比重合金等，这些材料主要特点硬度高（HRC55～66），切削这些材料时切削力大，温度高，刀具主要是磨料磨损和崩刃。③加工时硬度倾向严重的材料：不锈钢，耐热钢，高温合金等，这些材料的塑性高、韧性好、强度高、强化系数高，切削加工时的切削表面和已加工表面硬化现象严重。由于这种材料的强度高，导热系数低，切削温度高，切削力大，刀具主要承受磨料磨损、粘接磨损和热裂磨损。④切削温度高的材料：酚醛塑料，高温合金，钛合金等，这些材料导热系数很低，切削加工时刀具易产生磨料磨损、粘接磨损和氧化磨损。⑤高强度材料：是指强度δb>1000MPa的材料，奥氏体不锈钢，高锰钢，高温合金和部分合金钢，由于它们的强度大，切削力大，温度高，刀具易磨损且切削不易处理。⑥化学活性大的材料：如钛、镍、钴及其他的合金。这类材料化学活性大、亲和性强，切削加工时易粘接在刀具上，与刀具材料产生化学、物理反应，相互扩散。

1.3 钛合金的性能 钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的典化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。

①TC的钛合金为α+β钛合金，它是双相合金，综合性能好，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。②TC钛合金成分Ti-6Al-4V，硬度HB320～360，弹性模量E=11.1×104MPa，导热系数σ=39.24%，伸长率σ=25%，密度ρ=4.5g/cm3。③TC钛合金性能：1）比强度高；2）热强度高；3）抗腐蚀性好；4）低温性能好；5）化学活性大；6）导热系数小、弹性模量小：由钛的导热系数可知，约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变性，切削加工时表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

2 钛合金小螺纹攻丝存在的问题

2.1 加工零件描述 零件名称：电机转子，材料：钛合金TC4-R ，在中心节圆￠12±0.05上加工12×M1.6-7H（EQS）的螺纹，深7.7■■mm，螺纹底孔深8.7■■mm（底孔不得钻鼓）。该电机转子为某陀螺核心零件，属加工工艺性的难点。

2.2 钛合金小螺纹加工存在的问题

①生产效率低，组织难度大。为保证生产节拍化，零件每批次数量为30件，单人加工单一零件的攻丝所需时间为1.2小时左右，一批零件的加工时间为36小时以上。②成本消耗大。加工单一零件攻丝所需丝锥4付（3只头攻，5只二攻），1付丝锥价格40元左右，4付×40元=160元。③钛合金攻丝对切削液要求高，如选择不当易断丝锥。每批零件中有5件左右，需对丝锥电穿后重新攻丝，拖延生产周期，影响节拍化生产进度。④人员技能要求高。对钛合金零件小螺纹攻丝对操作人员的技能要求较高，主要是丝锥刃磨和攻丝技巧决定攻丝效率和丝锥断裂的次数。承担攻丝任务的必须是高技能以上人员。

2.3 钛合金的切削特性 从TC钛合金性能可知，钛合金的切削特性：①变形系数小；②切削温度高；③单位面积上的切削力大；④冷硬现象严重；⑤刀具易磨损。

2.4 切削钛合金时刀具几何参数选择 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刃倾角λs=-3°～-5°；⑤刀具圆弧半径rε=0.5mm～1.5mm。

3 问题分析

3.1 钛合金加工切削液的选择 钛合金加工时，为了降低零件切削温度，应当向加工部位浇注大量的冷却作用为主的切削液。一般来说，水比油的导热系数大3～5倍，比热大1倍，汽化热大10倍左右。对于钻孔、绞孔、攻丝工序应采用润滑作用较大的极压可溶性油作切削液，如蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油等。

3.2 切削钛合金时注意事项 ①由于钛合金弹性模量小，工件在加工中的夹紧变形和受力变形较大，会降低工件的精度；②如果使用含氯的切削液，切削过程中在高温下将分解释放出氢气，被钛吸收引起氢脆，也可能引起钛合金高温应力腐蚀开裂；③切削液中的氯化氢使用时还可能分解或发挥有毒气体，使用时宜采取安全措施；切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清醒零件，清除含氯残留物；④禁止使用铅或锌基合金制作的工、夹具与钛合金接触，铜、锡、铬及其合金也同样禁止使用；⑤与钛合金接触的工、夹具或其他装置都必须清洁，经清洗过的钛合金零件，要防止油脂或指印污染，否则以后可能造成盐（氯化钠）的应力腐蚀。

3.3 对钛合金小螺纹的攻丝 钛合金攻丝是钛合金切削加工中最困难的工序，特别是攻制小螺纹（M2-7H以下（含））。主要表现在攻丝时总扭矩大，约为45#钢的2倍，丝锥刀齿过快的磨损、崩刃，甚至被“咬死”在螺纹孔内而折断。这是由于钛合金的弹性模量太小，裂纹表面产生很大的回弹，使丝锥与工件接触面积增大，造成很大的摩擦扭矩，磨损加剧；另外，切削细小不易弯曲，有粘刀现象造成排削困难。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。

3.4 螺纹检测标准 根据军用零件的检测标准，螺纹加工必须满足底孔与螺纹双重检测，一是用光面塞规检测螺纹底孔精度不低于（含）IT11级，二是用同一精度的螺纹塞规检测螺纹，应满足图样设计精度等级。

4 改进思路

4.1 丝锥的改进思路 ①普通丝锥修磨：增大容屑空间，减少齿数。在校准齿上留出0.2～0.3mm的刀带后，将后角加大到20°～30°，并沿丝锥全长磨去齿背中段，保留2扣～3扣校准齿。②修正齿丝锥：是把标准丝锥的形成法加工螺纹改为渐成法。③跳牙丝锥：跳牙丝锥是在切削齿和校准齿上相间的去掉螺扣，这样有效地减少了丝锥与工件的接触面积，使丝锥扭矩显著下降。跳牙丝锥的攻丝扭矩约为标准丝锥的30%～50%，修正齿丝锥的35%～60%，耐用度比修正齿丝锥高1倍～3倍。

4.2 零件的工艺改进 对钛合金攻丝一般按牙高率（螺纹实际牙高率与理论高度的比率）不超过70%为依据来选取底孔直径大小，即螺纹底孔直径d1=d0-0.7578p（d0为螺纹公称尺寸，p为螺距）。小直径或粗牙螺纹牙高率可取大一些，被加工材料强度低或螺纹深度小于基本直径时，可适当增大牙高率，但过大会增大攻丝扭矩，甚至折断丝锥。

4.3 切削液的改进 经与切削液经销商咨询，对以下几种切削液进行对比试验：1）切削液+CCL4+P；2）猪油50%+蓖麻油40%+调和剂10%；3）英国比尔牌·塔牙油（Korniche）；4）油酸（Oleic acid，别名：十八碳烯酸）。

对钛合金攻丝时，一般用含CI、P的极压切削液效果较好，但含CI的极压切削液攻丝后必须及时清洗干净，防止零件晶间腐蚀。

5 实施效果

5.1 实施效果 通过对生产中两批零件的实验，因M2（含）以下螺纹丝锥强度较弱，故采用修磨丝锥后角、修正齿丝锥、跳牙丝锥更加降低丝锥强度，在试验过程中均出现断丝锥，无论选用哪种极压切削液攻丝，同样造成断丝锥无法正常加工。在改进螺纹底孔直径（牙高率）方面，经核算，将螺纹底孔孔径改为和配置适当的切削液效果较为明显。①成本降低。改进后单个零件的攻丝所需丝锥3付（3只头攻，3只二攻），1付丝锥价格40元，3付×40元=120元。成本在原来基础上降低25%左右。②提升生产效率。改进前单个零件的攻丝时间为1.2h，改进后单人加工一个零件的攻丝时间为45分钟，效率提升达40%左右。

5.2 在其它材料零件中的推广 因钨基高比重合金（W142、W152）同样属于难加工材料，尤其是在小螺纹的攻丝方面也是瓶颈工序，故在钛合金攻丝取得的成果应用于钨基高比重合金材料零件小螺纹的加工。技术主管部门下发《关于钛合金和钨基高比重合金零组件内螺纹加工和检测规定》、《钛合金材料内螺纹加工小径D1max极限尺寸计算对比表》两份技术规范给予指导生产。

6 结论

通过本文对钛合金零件小螺纹（M2）以下攻丝效率提升和加工成本降低的探索，切削刀具因其强度受限外，只能从切削液和工艺方法上进行改进。改进螺纹底孔直径（牙高率）和配置适当的切削液是降低成本和效率提升的关键，给基层生产管理解决部分难题，但该研究领域还得继续持续改进中。

参考文献：

[1]常用标准手册[M].科学出版社.

[2]机械加工工艺师手册[M].机械工业出版社.

[3]机械工程材料手册[M].机械工业出版社.

[4]难加工材料高效加工技术[M].西北工业大学出版社.