钛合金的攻丝扭矩以及丝锥的研究

李鑫

摘 要：钛合金是一种具有比重小、强度高、耐腐蚀和耐热等特性的金属材料。本文主要针对钛合金攻丝过程中的扭矩和丝锥进行分析，对实际的加工具有很强的参考价值。

关键词：钛合金；攻丝；扭矩；丝锥

1 概要

钛合金是高强度耐热合金，它的切削加工性很差，螺孔攻丝就更为困难。它的工艺特点是被加工出的新生表面有很高的化学活性，很容易和氧、碳、氮生成一层坚硬的化合物，这是一层深度大的冷作硬化层；它又很容易和丝锥表面结合成牢固的金属化合物，使丝锥产生粘接磨损。攻丝时，冷却、润滑和排屑条件比其它切削加工更差一些。如果用一般碳钢丝锥加工，切屑厚度薄，切削在强度和硬度都高的冷作硬化层内进行，有时丝锥只攻4-5个螺孔，切削刃后面就被磨钝或产生崩刃和折断。而且切屑和孔壁、丝锥之间发生强烈的摩擦，有尖锐的吱叫声，加工粗糙度差，所以钛合金攻丝是一道困难的加工工序。

2 钛合金的攻丝

2.1 钛合金切削特点

钛合金是一种难切削材料，切削过程中切削层变形小。由于钛合金的塑性低并且钛的化学活泼性高，在高切削温度下化学亲和性很强，容易与大气中的氧、氮等元素化合，从而使脆性提高，切削变形小。此外，钛合金在切削过程中切削温度高。钛合金导热性很差，导热系数只相当于45号钢的1/5-1/7。切削热不容易散出，主要集中在切削区和切削刃附近的较小范围内。切削过程中产生的塑性变形，在高的切削温度下，使得钛很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮，而产生冷硬现象。

丝锥攻丝过程属于半封闭式多刃薄切削过程，与车削螺纹相比较，切削条件恶劣。在工件底孔内切出的螺纹，是由丝锥切削刃瓣上的各切削牙逐层切削而成的。丝锥或工件旋转一周后，每个切削牙都前进一个螺距，并分别从工件上切除一层金属。对于钛合金来说，因切削层巨大的摩擦力和塑性变形给运动中的丝锥受力带来了波动。

2.2 钛合金攻丝扭矩

进行钛合金攻丝时，作用在丝锥各切削刃上的切削力可分解为轴向力Fa1.、Fa2…，径向力Fr1、Fr2…和切向力Ft1、Ft2…。切向力直接决定攻丝扭矩的大小，其它两个分力则影响攻丝的切削过程。开始攻丝时，丝锥依靠在工件上切出的螺纹侧而被引导前进，但因引导面太小，加之钛合金塑性变形，承受不了丝锥对工件的轴向力而产生接触变形，使丝锥的轴向前进量不足，各刃瓣滞后并在螺纹表面一侧切出台阶而造成“陷切”现象。但随着丝锥与工件相接触的螺纹引导表面的增大，“陷切”量将逐渐减小；攻丝的“陷切”现象直接影响螺纹侧面的正确成形，并使其光洁度下降；严重时会啃住丝锥使之处于抱死状态。

攻丝过程中的摆动容易使丝锥单向嵌入工件基体中。在丝锥正常工作的条件下，由于同时工作的丝锥各切削牙切削宽度不等，使前面切削牙的切削面积大于后面切削牙的切削面积。从而作用在丝锥各刃瓣上的径向力不等，也使径向力的合力不等于零。显然，在攻丝时，丝锥将偏向径向力小的一边，丝锥的轴线相对于孔的轴线将发生偏移，导致被加工螺孔扩大的同时也使丝锥紧贴在一边。当丝锥的切削锥长度较短时（导角较大时），各刃瓣上切削牙的切削宽度差别就大，中径扩大的可能性也大，故丝锥的切削锥长度不易太短。

3 攻丝扭矩及丝锥改善

3.1 攻丝扭矩改善

增大絲锥前角使攻丝扭矩减小，例如前角为80°时，假设扭矩为100%，那么当前角变为12°时，则扭矩就减小到70%，前角为25°时扭矩仅达到原来的53%，但是增大前角会使丝锥强度降低，也不利于散热，这一点应注意。在选择丝锥时应尽可能选择少的丝锥刃瓣数即槽数。丝锥槽数的增加，一方面使切削厚度变薄，难以切削，另一方面增加了丝锥与工件摩擦面积，使丝锥扭矩变大，一般是4槽比3槽扭矩增加约8%的扭矩。选择合适的冷却润滑液可以减小摩擦，如浓度较大的硫化油，添加15%-20%的四氯化碳，可提高表面光洁度和减小丝锥咬死的可能性。此外，丝锥前面导向部分的导角既不能过大也不能太小，导角过大，切削层厚度大，受力后容易崩牙咬死，切屑也不易卷曲；但导角过小，切屑过薄，在硬化层上摩擦，加剧丝锥磨损。

3.2 丝锥的改进

由于钛合金材料在加工过程中容易产生表面加工硬化，特别是加工小直径螺纹孔，成了难题。攻丝时由于缩孔，攻上几扣，就抱住丝锥，切削力特别大，普通丝锥很容易折断，使工件无法继续加工。

通过将丝锥的大径、中径、小径磨小并分为4个等级，每个丝锥相差0.1mm，以减少切削力带来的影响，但是由于切削量小，工件又容易产生加工硬化，加工起来比较费劲，效率很低，攻上几个螺纹孔就不能继续使用了。在通过将丝锥直槽变为螺旋槽，即在原切削牙上按螺旋角磨去1-2扣，可以减小丝锥切削时的接触面积。减小前角的角度，使切屑与前刀面的接触长度增大，切削热和切削力不至于过分集中于切削刃附近，改善了散热条件，也可加强切削刃，减少崩损的可能性。增大后角可以减小摩擦力，这是因为己加工表面金属弹性恢复大，加工硬化程度高，丝锥后面的切削牙是在前面切削牙所产生的加工硬化层上进行的，后角过小极易磨损，同时切屑不易切离、卷曲、折断，导致被加工螺纹表面缩小，紧紧抱住丝锥的刃瓣后刀面。增大切削槽角度，使刃瓣的有效宽度变小，以减小摩擦面积。

[参考文献]

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