加工钛合金工件小直径内螺纹丝锥的改进

郭 俊 王新

摘 要：由于钛合金的材料特点和攻小直径内螺纹的工艺过程特点，使得钛合金小直径内螺纹攻丝阶段困难重重，下文从钛合金小直径内螺纹切削的现状与钛合金小直径内螺纹切削不同过程的受力进行分析，提出对丝锥的改进措施，取得很好的效果。

关键词：钛合金;小直径内螺纹;分析

1 引言

钛合金密度小，比强度高（密度一般在4.5g/cm3左右，大约是钢的60%），具有良好的耐热强度，在低温和超低温环境中仍能保持较高的力学性能，属难切削材料，特别是小孔攻螺纹十分困难。如果使用未经改制的丝锥进行加工，往往会因为切削扭矩超过丝锥的强度极限而导致丝锥折断，报废率高，增加产品的加工成本，经过仔细研究，对丝锥进行了改进取得很好的效果。

2 钛合金攻小直径内螺纹切削过程受力分析

（1）丝锥受力不均匀。钛合金小直径内螺纹切削过程中，刀具的刃端切削部位都会参与其中，很容易就能看出，丝锥或者材料经过一圈的转动，参与切削的部位都会在螺距上前进一个单位，把材料多剥落一次，每齿的加工负荷较大。切削锥在孔洞中切近时，切削面积慢慢扩大，当丝锥完成入孔的过程后，切削那的总体面积最大化。工件的材质、切削部位在受到的摩擦力逐渐增强，切削层逐渐在高温中塑造变形时，会给钛合金带来稳定性影响。

攻螺纹丝中，丝锥刃端切削部位受到的力分别为横向力Fa、纵向力Fr与切入力Ft。切入力对攻丝时的扭矩大小有决定作用，而横向与纵向受力对切削整个过程有影响，在丝锥正常工作条件下，由于同时工作的丝锥各切削牙的切削面积不等，当切削锥不够长时，角度较大，不同刃端切削部位的宽度会区别更大，所以，作用在丝锥各刃瓣上的径向力Fr的合力不等于零。螺纹攻丝时切削锥会往纵向受力小的那边偏转，使锥体横轴偏转，从而往孔边靠近，使孔洞变大。

（2）扭矩不稳定。其他材料攻螺纹时也存在扭矩不稳定这一问题，但钛合金攻小直径内螺纹会加大凸起。切削扭矩，切削锥和接觸面摩擦扭矩，碎屑在储存槽内所产扭矩这几个部分有效组成了攻丝扭矩。正常情况下，最重要的为切削扭矩，丝锥承受的重量和其切削厚度Ac ，刀齿次数相关。切入孔底时，刀齿次数的增加会让切削扭矩、摩擦扭矩增多，全部进入孔中后，扭矩最大化，丝锥在另一侧孔中穿出时，扭矩开始减小。可见，在整个切削过程中，扭矩经历由小到大，再逐渐变小过程，扭矩不稳定。

3 钛合金攻小直径内螺纹改进措施

（1）控制丝锥前角γ0，改善切削性能。前角γ0对切削过程有很大的影响，前角增大可使丝锥刃口锋利，切削过程中的塑性变形和摩擦阻力减小，从而使切削过程轻快省力，但前角过大，会使刃口和刀头强度削弱，散热条件变差，丝锥容易磨损或崩刃。试验证明，针对钛合金材料的特点以及加工小直径内螺纹的工艺特殊性，将丝锥前角γ0加大到7o～10o，保证了丝锥的强度的同时在很大程度上能够改善切削性能，切屑易于卷曲和排除。

（2）增加校准部分后角a0'，减小切削过程中的摩擦，改善自定心能力。丝锥后角a0也是影响切削过程的另外一个物理量，较大的后角会缩减摩擦，方便冷却溶液流进切削区，但后角也不能过大，太大的后角会使丝锥切近自动定心能力减弱，对于钛合金材料的加工，经试验，在保留原标准丝锥校准齿顶刃部分的结构情况下，用刃磨直线形的方法加磨a0'=6°～12°的后角，既可以减小齿顶及后刀面与已加工螺纹表面的接触面积，又可增加自定心能力。

（3）改变丝锥切削角，促进切削扭矩的稳定。切削锥进行加工时，切削扭矩，切削锥和接触面摩擦扭矩，碎屑在储存槽内所产扭矩这几个部分组成了攻丝切削扭矩。正常情况下，最重要的为切削扭矩，丝锥承受的重量和其切削厚度Ac，刀齿次数相关。切削的厚度Ac和切削锥具体相关参数公式为Ac=P Kr/Z，Ac是每一齿的具体厚度，P代表螺间距，Z为盛屑槽数量，Kr是具体角度。以上可以发现，切削锥每一齿承负与切削锥具体相关参数有关，不仅由钛合金材料有关。标准的切削锥中，螺间距P为常数，切削锥具体构成影响盛屑槽数量Z（通常情况下Z=3～4），此时，具体角度Kr决定Ac，即切削的厚度。

切削锥的具体角度Kr比较小的时候，碎屑薄，这时切削的总体面积被缩减，扭矩随之减少。这并不是说切削锥的具体角度Kr小的更好，比如Kr小为牙状时，切削的厚度会Ac<0.02mm，这是小于刃口的大半径的（新的刀具标准值在0.015mm），这时候刃口的大半径会阻止刀具产生切削的作用（如上图1），这会使被加工工件出现挤压，导致产生较高温度，会加快刀具消耗，还会使螺孔的接触面质量下降，在高温的挤压下会在外部遇冷结成较脆的硬壳，而且在加工过程出现硬化冷凝的情况，硬度过高会使材料产生反作用，这不但会减弱钛合金材料的疲乏值抗性，还会使丝锥的消耗速度加剧，甚至出现扭曲、崩断的现象。

通过上图可以看出切削的厚度应该保证在0.03～0.06mm之间，这样方便确认切削出的角度是否在Kr=5°～10°之间，运用小直径的丝锥虽然强度大，但是会使切屑储存槽不够深，但是大直径丝锥会使切削层比较厚，会使切屑产生多，导致溢出。所以以上M8、M10切削锥运用6°30'进行了改造。

4 结语

由上述分析见，在钛合金小直径内螺纹的加工过程中，合理刃磨丝锥各个角度，既能够保证加工质量又可以提高丝锥的使用寿命。钛合金小直径内螺纹的加工过程中还应当注意：其中刀具需要有比较大的倒锥，使切削锥从前到后，次第减少钛合金材料反向力带来的摩擦。同时，钛合金攻小直径内螺纹的切屑很薄，丝锥和过渡处后方的刀面消耗较快，会出现较大磨损，影响丝锥工作，使加工处变得粗糙不细致，螺纹也有可能遭到毁坏，所以这就要求加工进行时注意这些地方的消耗情况，出现0.3--0.5mm耗损时应该不再使用该刀具，避免刀具出现断裂、崩刃等问题影响质量，避免出现多余损失，保证内螺纹加工的质量。

参考文献：

[1]周泽智.钛合金材料切削刀具的选择[J].机械制造2001（08）：17-19.

[2]郑文虎等.难切削材料加工技术问答[M].北京：北京出版社，2001.