加工鈦合金工件小直徑內(nèi)螺紋絲錐的改進(jìn)

郭 俊 王新

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

關(guān)鍵詞：鈦合金;小直徑內(nèi)螺紋;分析

1 引言

鈦合金密度小，比強(qiáng)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(qiáng)度，在低溫和超低溫環(huán)境中仍能保持較高的力學(xué)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(jīng)改制的絲錐進(jìn)行加工，往往會因?yàn)榍邢髋ぞ爻^絲錐的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致絲錐折斷，報(bào)廢率高，增加產(chǎn)品的加工成本，經(jīng)過仔細(xì)研究，對絲錐進(jìn)行了改進(jìn)取得很好的效果。

2 鈦合金攻小直徑內(nèi)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(nèi)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(jīng)過一圈的轉(zhuǎn)動，參與切削的部位都會在螺距上前進(jìn)一個(gè)單位，把材料多剝落一次，每齒的加工負(fù)荷較大。切削錐在孔洞中切近時(shí)，切削面積慢慢擴(kuò)大，當(dāng)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(zhì)、切削部位在受到的摩擦力逐漸增強(qiáng)，切削層逐漸在高溫中塑造變形時(shí)，會給鈦合金帶來穩(wěn)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(shí)的扭矩大小有決定作用，而橫向與縱向受力對切削整個(gè)過程有影響，在絲錐正常工作條件下，由于同時(shí)工作的絲錐各切削牙的切削面積不等，當(dāng)切削錐不夠長時(shí)，角度較大，不同刃端切削部位的寬度會區(qū)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(shí)切削錐會往縱向受力小的那邊偏轉(zhuǎn)，使錐體橫軸偏轉(zhuǎn)，從而往孔邊靠近，使孔洞變大。

（2）扭矩不穩(wěn)定。其他材料攻螺紋時(shí)也存在扭矩不穩(wěn)定這一問題，但鈦合金攻小直徑內(nèi)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(nèi)所產(chǎn)扭矩這幾個(gè)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(shù)相關(guān)。切入孔底時(shí)，刀齒次數(shù)的增加會讓切削扭矩、摩擦扭矩增多，全部進(jìn)入孔中后，扭矩最大化，絲錐在另一側(cè)孔中穿出時(shí)，扭矩開始減小?？梢姡谡麄€(gè)切削過程中，扭矩經(jīng)歷由小到大，再逐漸變小過程，扭矩不穩(wěn)定。

3 鈦合金攻小直徑內(nèi)螺紋改進(jìn)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(qiáng)度削弱，散熱條件變差，絲錐容易磨損或崩刃。試驗(yàn)證明，針對鈦合金材料的特點(diǎn)以及加工小直徑內(nèi)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(qiáng)度的同時(shí)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(zhǔn)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(gè)物理量，較大的后角會縮減摩擦，方便冷卻溶液流進(jìn)切削區(qū)，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(jīng)試驗(yàn)，在保留原標(biāo)準(zhǔn)絲錐校準(zhǔn)齒頂刃部分的結(jié)構(gòu)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(jìn)切削扭矩的穩(wěn)定。切削錐進(jìn)行加工時(shí)，切削扭矩，切削錐和接觸面摩擦扭矩，碎屑在儲存槽內(nèi)所產(chǎn)扭矩這幾個(gè)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(shù)相關(guān)。切削的厚度Ac和切削錐具體相關(guān)參數(shù)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(shù)量，Kr是具體角度。以上可以發(fā)現(xiàn)，切削錐每一齒承負(fù)與切削錐具體相關(guān)參數(shù)有關(guān)，不僅由鈦合金材料有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)的切削錐中，螺間距P為常數(shù)，切削錐具體構(gòu)成影響盛屑槽數(shù)量Z（通常情況下Z=3～4），此時(shí)，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(shí)候，碎屑薄，這時(shí)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(shí)，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(biāo)準(zhǔn)值在0.015mm），這時(shí)候刃口的大半徑會阻止刀具產(chǎn)生切削的作用（如上圖1），這會使被加工工件出現(xiàn)擠壓，導(dǎo)致產(chǎn)生較高溫度，會加快刀具消耗，還會使螺孔的接觸面質(zhì)量下降，在高溫的擠壓下會在外部遇冷結(jié)成較脆的硬殼，而且在加工過程出現(xiàn)硬化冷凝的情況，硬度過高會使材料產(chǎn)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(xiàn)扭曲、崩斷的現(xiàn)象。

通過上圖可以看出切削的厚度應(yīng)該保證在0.03～0.06mm之間，這樣方便確認(rèn)切削出的角度是否在Kr=5°～10°之間，運(yùn)用小直徑的絲錐雖然強(qiáng)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(chǎn)生多，導(dǎo)致溢出。所以以上M8、M10切削錐運(yùn)用6°30'進(jìn)行了改造。

4 結(jié)語

由上述分析見，在鈦合金小直徑內(nèi)螺紋的加工過程中，合理刃磨絲錐各個(gè)角度，既能夠保證加工質(zhì)量又可以提高絲錐的使用壽命。鈦合金小直徑內(nèi)螺紋的加工過程中還應(yīng)當(dāng)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(shí)，鈦合金攻小直徑內(nèi)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(xiàn)較大磨損，影響絲錐工作，使加工處變得粗糙不細(xì)致，螺紋也有可能遭到毀壞，所以這就要求加工進(jìn)行時(shí)注意這些地方的消耗情況，出現(xiàn)0.3--0.5mm耗損時(shí)應(yīng)該不再使用該刀具，避免刀具出現(xiàn)斷裂、崩刃等問題影響質(zhì)量，避免出現(xiàn)多余損失，保證內(nèi)螺紋加工的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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