復(fù)雜異型零件小直徑螺紋優(yōu)質(zhì)高效加工工藝研究與應(yīng)用

陳寶來(lái)，王軍，王梓懿，張昌菊，王戰(zhàn)璽

（1.中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司工藝研究所，貴陽(yáng) 550009）

（2.中國(guó)人民解放軍93147部隊(duì)某代表室，貴陽(yáng) 550009）

（3.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

0 引言

復(fù)雜異型殼體類(lèi)零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制附件的關(guān)鍵零部件，它在控制附件中起支承和功能集成的作用，影響整個(gè)機(jī)器的裝配精度、使用性能、壽命以及工作精度。該類(lèi)零件通常形狀各異，表面分布有大量小直徑螺紋孔，導(dǎo)致加工量大，工藝較為復(fù)雜，且對(duì)加工質(zhì)量要求較高。而復(fù)雜異型殼體類(lèi)零件表面的螺紋孔加工工序一般處于整個(gè)產(chǎn)品加工工序的末端，如果螺紋孔加工出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格甚至報(bào)廢，因此小直徑螺紋孔的加工質(zhì)量對(duì)于整個(gè)零件的生產(chǎn)至關(guān)重要。

針對(duì)鈦合金這類(lèi)難加工材料殼體類(lèi)零件上小直徑螺紋孔的加工，由于該材料的切削性能差，螺紋孔分布在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的殼體類(lèi)零件上，加之螺紋孔加工精度、質(zhì)量和加工效率要求高等原因，難加工材料小直徑螺紋孔的加工還存在諸多難點(diǎn)。目前，殼體小直徑螺紋孔一般采用螺紋銑刀銑螺紋或絲錐手工加工。螺紋孔銑削是利用螺紋銑刀進(jìn)行螺旋插補(bǔ)銑削而形成螺紋，加工小直徑螺紋時(shí)一般采用剛性攻絲的方法，但是由于螺紋銑刀切削刃過(guò)長(zhǎng)，在同樣切削力作用下易發(fā)生讓刀，從而導(dǎo)致螺紋不合格，甚至發(fā)生刀具折斷；而絲錐攻絲無(wú)法加工出有一定深度的螺紋，對(duì)于小直徑螺紋攻絲刀具消耗量大且易折斷在基體內(nèi)。為解決這一問(wèn)題，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有螺紋銑刀進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化工藝流程。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)鋁合金、鈦合金、高溫合金等材料的螺紋孔切削工藝開(kāi)展了許多研究。張兆飛等針對(duì)小直徑螺紋孔的銑削過(guò)程中刀柄和銑齒部分的尺寸過(guò)小、銑刀剛性不足等問(wèn)題，研制錐形新型內(nèi)螺紋銑刀，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，但是錐形銑刀很難應(yīng)用于常見(jiàn)的豎直型螺紋孔加工；G.Fromentin等針對(duì)銑削螺紋孔時(shí)發(fā)生的超差現(xiàn)象，提出一種迭代修正方法消除過(guò)切現(xiàn)象，提高了銑削螺紋孔的精度；K.Shirase等證明了在均勻的螺距銑刀上使用可變螺距，可以將表面誤差降低多達(dá)20%；吳東針對(duì)鈦合金小直徑螺紋的加工，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析得到鈦合金攻絲后，其小徑和中徑都會(huì)收縮，加工余量越大則收縮量越大，因此在工藝改進(jìn)后可通過(guò)將螺紋底孔的直徑適當(dāng)擴(kuò)大來(lái)降低螺紋孔加工后的收縮量；A.C.Araujo等為了探究螺紋銑削工藝，對(duì)螺紋銑削參數(shù)進(jìn)行分析，以此來(lái)優(yōu)化銑削刀具，并通過(guò)測(cè)量切削力和扭矩，分析了銑削參數(shù)與銑削力之間的具體關(guān)系；張勇等通過(guò)優(yōu)化螺紋底孔尺寸、設(shè)計(jì)專(zhuān)用絲錐、優(yōu)化工藝步驟等手段，形成了獨(dú)有的鈦合金小直徑盲孔攻絲技術(shù)；A.C.Araujo等通過(guò)分析螺紋孔銑削加工仿真過(guò)程，建立了銑削螺紋孔的切削力模型，進(jìn)行試驗(yàn)后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，得到銑削螺紋孔過(guò)程中切削力和刀具幾何形狀之間的具體關(guān)系。上述研究雖然對(duì)難加工材料小直徑螺紋孔的加工改進(jìn)有促進(jìn)改善的作用，但是還存在加工過(guò)程耗時(shí)過(guò)大，無(wú)法在保證產(chǎn)品加工精度的同時(shí)提高產(chǎn)能。

本文為解決這一難點(diǎn)，設(shè)計(jì)加工刃部長(zhǎng)度為1～3個(gè)螺距的專(zhuān)用螺紋銑刀，同時(shí)為解決由刀具刃部縮短產(chǎn)生的加工編程問(wèn)題，提出采用宏程序編程來(lái)實(shí)現(xiàn)小直徑螺紋的數(shù)控加工，并在試切合格后，分別對(duì)兩批零件加工不同螺紋，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證該加工工藝改進(jìn)的有效性和可靠性，以期實(shí)現(xiàn)加工工藝的降本增效。

1 小直徑螺紋孔加工工藝及難點(diǎn)

殼體類(lèi)零件為起連接作用，表面設(shè)計(jì)了各種不同功能、不同規(guī)格的小直徑螺紋，包含：普通螺紋M2～M6，過(guò) 盈 螺 紋AG4～AG10，絲 套 螺 紋ST3～ST10，如圖1所示。目前小直徑螺紋孔加工工藝主要分為銑刀銑螺紋和絲錐攻螺紋。

圖1 殼體表面小直徑螺紋Fig.1 Small bore thread on shell surface

數(shù)控銑削加工螺紋孔時(shí)不受螺紋結(jié)構(gòu)和螺紋旋向的限制，通常，銑螺紋的銑刀其切削刃比螺紋的長(zhǎng)度要稍長(zhǎng)一些，銑削時(shí)銑刀在內(nèi)孔中走出一圈螺旋線即可。對(duì)于小直徑螺紋，由于螺紋銑刀長(zhǎng)徑比過(guò)大（大于5），螺紋切削刃過(guò)長(zhǎng)，在同樣切削力的作用下容易讓刀，造成加工的螺紋中徑呈正錐狀或公差做大導(dǎo)致螺紋不合格，甚至斷刀。

攻絲分為機(jī)器攻絲和手工攻絲，機(jī)器攻絲借助鉆床或銑床等設(shè)備，手工攻絲只需要一般夾具。絲錐切削時(shí)切屑易咬住絲錐，尤其在加工盲孔過(guò)程中排屑不暢的問(wèn)題等都可能造成螺紋撕裂，并且對(duì)于鈦合金、高溫合金等難加工材料，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)絲錐折斷或換刀頻繁的情況。加工小直徑螺紋時(shí)，絲錐過(guò)細(xì)，加工過(guò)程中磨損嚴(yán)重，甚至發(fā)生斷絲，使其折斷在零件基體內(nèi)，降低加工效率。實(shí)踐證明，采用機(jī)用絲錐加工螺紋盲孔底部時(shí)，機(jī)用絲錐停下來(lái)進(jìn)行反轉(zhuǎn)回退時(shí)，很容易出現(xiàn)絲錐折斷的現(xiàn)象。此外，在對(duì)難加工材料小直徑螺紋進(jìn)行加工時(shí)，由于刀具磨損較快，且加工過(guò)程中很難對(duì)刀具的磨損量進(jìn)行預(yù)測(cè)，僅通過(guò)銑削來(lái)加工難加工材料的螺紋很容易出現(xiàn)超差現(xiàn)象，加工出的螺紋孔非小即大。同時(shí)由于螺紋在重復(fù)加工時(shí)，非常容易出現(xiàn)“爛牙”現(xiàn)象，因此無(wú)法對(duì)其采用先粗銑再精銑加工的加工工藝。

基于上述原因，目前主要采用手工攻絲手段加工小直徑螺紋。鋁合金殼體小直徑螺紋孔加工流程：在數(shù)控加工中心鉆中心孔、鉆螺紋底孔和倒角，再由人工用絲錐完成攻絲攻螺紋。鈦合金、高溫合金殼體小直徑螺紋孔加工流程：鉆中心孔、鉆螺紋底孔、倒角、銑螺紋在數(shù)控加工中心由一道工序不同工步完成，銑螺紋留精加工余量0.01～0.02 mm，攻螺紋單獨(dú)設(shè)置工序采用手工攻絲完成。但是采用手工攻絲仍存在如下問(wèn)題：一是質(zhì)量不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在工件的表面一致性較差，在放大鏡觀察下即可看到攻絲后的孔存在毛刺；二是加工效率低，采用手攻攻絲平均3 min完成1個(gè)螺紋孔加工；三是工裝多，不同規(guī)格、不同功能的螺紋需要不同的專(zhuān)用絲錐、專(zhuān)用工裝（攻絲導(dǎo)板、攻絲底座、攻絲導(dǎo)套、夾持桿）等，通用性較差。

2 面向數(shù)控加工的工藝改進(jìn)方案

2.1 技術(shù)方案

為了盡可能消除攻絲缺陷，同時(shí)考慮鈦合金、高溫合金難加工屬性，優(yōu)化工藝流程，加工方案還需從銑螺紋著手，在加工小直徑螺紋時(shí)，必須減小加工時(shí)的徑向力對(duì)加工刀具的影響。相應(yīng)工藝流程調(diào)整為：鉆中心孔、鉆螺紋底孔、倒角、銑螺紋安排在一道工序，可保證第一個(gè)螺紋一定不會(huì)很大。由于整體螺紋銑刀在加工時(shí)受力較大，會(huì)造成零件尺寸出現(xiàn)正錐現(xiàn)象，故現(xiàn)有整體螺紋銑刀需進(jìn)行改進(jìn)。為了減小加工時(shí)產(chǎn)生的徑向力，需設(shè)計(jì)加工刃部為1～3個(gè)螺距的專(zhuān)用螺紋銑刀，其外徑一般比大徑小1～4 mm左右，視加工螺紋孔的直徑而定。為了保證刃具的加工強(qiáng)度，刀具材料最好選擇整體硬質(zhì)合金。對(duì)于不同螺距的零件需定制不同的刃具，但相同螺距的各類(lèi)零件，均可用同一把刀具進(jìn)行加工。該款螺紋銑刀設(shè)計(jì)與制造難度不大，可以直接采購(gòu)，但該刀具刃部的縮短給加工編程帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了解決編程問(wèn)題，通過(guò)加工中心，利用數(shù)控機(jī)床的三軸聯(lián)動(dòng)功能，采用宏程序編程來(lái)實(shí)現(xiàn)小直徑螺紋的數(shù)控加工。

2.2 加工設(shè)備及工藝參數(shù)

（1）要求機(jī)床在三個(gè)軸向（x-y-z）上進(jìn)行螺旋插補(bǔ)銑的能力，其中x軸和y軸決定螺紋直徑，z軸控制螺距。根據(jù)要求選擇成都普瑞斯三軸立式加工 中 心：PL1000，F(xiàn)ANUC系 統(tǒng)，主 軸 轉(zhuǎn) 速40～8 000 rpm，主軸孔錐度BT40，切削進(jìn)給速度（x、y、z）：2～20 000 mm/min，刀庫(kù)容量24把，x、y、z定位精度0.008 mm，重復(fù)定位精度0.004 mm。

（2）螺紋銑刀的耐用度是普通絲錐的十多倍甚至數(shù)十倍，特點(diǎn)是不受螺紋結(jié)構(gòu)和旋向的限制。由于整體螺紋銑刀在加工時(shí)受力較大，需選擇加工刃部?jī)H為1～3個(gè)螺距的螺紋銑刀以減小加工徑向力，同時(shí)為保證加工強(qiáng)度，刀具材料選取整體硬質(zhì)合金。選擇的刀具如圖2所示。

圖2 刀具Fig.2 Tool

2.3 銑削用量的選擇

螺紋銑刀的切削用量包括進(jìn)給率V、銑削速度V和背吃刀量a。其中，螺紋銑刀與傳統(tǒng)立銑刀的銑削速度和背吃刀量相同。但是其必須降低螺紋銑刀的進(jìn)給率V。在內(nèi)圓切削應(yīng)用中，刀具外圍移動(dòng)速度V會(huì)比刀具中心線的移動(dòng)速度快，如圖3所示。

圖3 銑削螺紋示意圖Fig.3 Schematic diagram of thread milling

在大多數(shù)數(shù)控銑床或加工中心上，進(jìn)給率指刀具中心點(diǎn)向前切削的速度，因此進(jìn)給率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致刀具振動(dòng)、崩刀、降低使用壽命。

（1）進(jìn)給率（V）選擇如式（1）所示。式中：D為螺紋直徑；D為銑刀直徑。

（2）主軸轉(zhuǎn)速n如式（2）所示。

首先根據(jù)螺紋直徑、螺距及零件材料查切削手冊(cè)參數(shù)推薦表，選擇每齒進(jìn)給量f；再根據(jù)螺紋直徑、螺距及每齒進(jìn)給量f查切削手冊(cè)參數(shù)推薦表，選擇切削速度V；最后根據(jù)零件材料實(shí)際狀態(tài)修正選用的切削速度，通過(guò)式（1）～式（2）可得主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度。本文加工參數(shù)推薦如表1所示。

表1 加工參數(shù)推薦表Table 1 Recommended processing parameters

2.4 編程要求

在銑削螺紋孔編程前，需考慮刀具的切削直徑，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刀具上都會(huì)標(biāo)記有“RPRG”-刀具圓角半徑編程值，由此獲得最佳螺紋質(zhì)量所需要的圓角半徑修正值。通常在編程時(shí)，將“RPRG”值作為偏移量即可使加工的螺紋在合理的誤差范圍內(nèi)，在后序加工時(shí)根據(jù)標(biāo)記的要求值可輕松調(diào)整程序。本文使用定制銑刀，其上沒(méi)有標(biāo)記“RPRG”值，因此在編程時(shí)無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)程序模塊，本文提出通過(guò)數(shù)控宏指令來(lái)解決這一問(wèn)題。

該螺紋孔加工的編程是比較復(fù)雜的，但是可以提取螺紋尺寸要素使其變得簡(jiǎn)單些，主要包括以下數(shù)據(jù)：螺距、螺紋公稱(chēng)直徑、螺紋銑刀的刀具半徑、螺紋長(zhǎng)度等。編程的原理：通過(guò)數(shù)控宏程序中的圓弧指令和在軸向增量編程的方法，將螺紋線分解為兩種運(yùn)動(dòng)方式——圓弧運(yùn)動(dòng)和垂直于圓弧所構(gòu)成的平面方向的直線運(yùn)動(dòng)，在xy平面刀具旋轉(zhuǎn)一周360°，z值同時(shí)移動(dòng)螺距的距離，如此循環(huán)，直至加工出要求的螺紋深度，使刀具軌跡形成一個(gè)螺旋線。

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，得到小直徑螺紋宏程序編制方法，走刀路線是從底部向上走刀進(jìn)行加工，如圖4所示，避免切削過(guò)程切屑對(duì)刀具的影響。

圖4 走刀路線示意圖Fig.4 Schematic diagram of cutting route

（1）程序運(yùn)行方式

以加工中心FANUC系統(tǒng)為例，程序運(yùn)行方式使用G65/G66調(diào)用方式，主程序調(diào)用宏程序加工內(nèi)孔，調(diào)用指令為：G65P8307X-Y-Z-R-E-K-JD-F-V。

循環(huán)過(guò)程為：主軸先以G0快速移動(dòng)到指定的x值、y值 位 置；再 以G0快 速 移動(dòng) 到 安 全高 度R值處；刀具以3倍F值速度移動(dòng)至螺紋深度位置；刀具按螺距K值以一個(gè)或多個(gè)（J值）螺旋運(yùn)動(dòng)向上銑削螺紋孔；完成J值圈數(shù)后，刀具以直線退出方式至圓心位置；刀具快速退刀至循環(huán)前主軸z值，循環(huán)結(jié)束。

（2）螺紋孔銑削宏程序模塊

螺紋孔銑削宏程序模塊如圖5所示。

圖5 螺紋孔銑削宏程序模塊Fig.5 Macro program module of milling threaded holes

（3）銑螺紋程序

以加工M3×0.5為例，程序如圖6所示。

圖6 螺紋孔銑削程序模塊Fig.6 Program module of milling threaded holes

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 加工質(zhì)量

加工獲得很好的表面光潔度和螺紋精度相當(dāng)困難，其中一批次為航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件殼體上的M4螺紋孔，零件號(hào)為XXX-630-02，另一批次為航空發(fā)動(dòng)機(jī)某附件零件上的M3螺紋孔，零件號(hào)為XXX-0000-602。標(biāo)準(zhǔn)為GJB 119.1，其加工要求如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)加工要求Fig.7 Requirements for experimental processing

經(jīng)過(guò)樣件試切合格后，開(kāi)展產(chǎn)品實(shí)物分批次驗(yàn)證工作，如圖8所示。

圖8 螺紋孔銑削加工案例Fig.8 Milling threaded holes cases

加工結(jié)果如表2所示。

表2 加工結(jié)果Table 2 Processing results

螺紋表面質(zhì)量對(duì)比如圖9所示。

圖9 螺紋表面質(zhì)量對(duì)比Fig.9 Quality comparison of thread surface

工藝改進(jìn)前絲錐攻絲時(shí)的切削速度低，切屑易折斷，因此螺紋孔的表面光潔度和精度較低，從圖9的2、3號(hào)螺紋孔可以看出：工藝改進(jìn)前螺紋上有斷裂、坑點(diǎn)、裂縫，整體的光潔度很差。在工藝改進(jìn)后，由于加工時(shí)的切削速度高、切削力小，故切削表面具有較高的光潔度。同時(shí)加工中產(chǎn)生的切屑非常細(xì)小，在被冷卻液沖出工件時(shí)不會(huì)劃傷工件表面，如圖9的1號(hào)螺紋孔所示，工藝改進(jìn)后的螺紋光潔度非常好。

由于特制刀具的刃部長(zhǎng)度較短，其在加工過(guò)程中只有一排齒在進(jìn)行切削，使其讓刀量非常小，螺紋的圓柱度得到很好的保證，消除了傳統(tǒng)銑螺紋在銑削螺紋孔時(shí)出現(xiàn)的正錐現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 傳統(tǒng)刀具與改進(jìn)刀具加工對(duì)比圖Fig.10 Machining comparison of traditional tools and improved tools

3.2 加工效益

數(shù)控銑削螺紋孔加工時(shí)間計(jì)算公式：

式中：T為加工時(shí)間；L為加工長(zhǎng)度；V為進(jìn)給速度；d為移動(dòng)直徑；n為螺紋圈數(shù)。

將式（4）～式（5）代入式（3）分別計(jì)算兩批次零件的銑削螺紋孔加工時(shí)間：

（1）XXX-630-02三個(gè)螺紋單螺距銑刀切削時(shí)間計(jì)算如下。

則三個(gè)螺紋切削時(shí)間：T+2×T=4 min，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際加工時(shí)間吻合。

（2）XXX-0000-602一個(gè)螺紋單螺距銑刀切削時(shí)間計(jì)算如下。

M3深5：

手工攻絲實(shí)作時(shí)間與單螺距銑刀銑削螺紋孔時(shí)間對(duì)比如表3所示。

表3 加工時(shí)間對(duì)比表Table 3 Comparison table of processing time

經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)物加工驗(yàn)證，用帶有宏程序的螺紋銑所加工的零件，銑削的螺紋牙型起始端距離可由程序精確控制，表面一致性好，無(wú)任何廢品，首件通止檢測(cè)后，后面的零件加工質(zhì)量穩(wěn)定，合格率可達(dá)到100%。單個(gè)螺紋孔加工時(shí)間由原來(lái)的3分鐘/個(gè)降為0.75分鐘/個(gè)，螺紋與底孔在同一工序加工減少了手工攻絲的工序，準(zhǔn)備時(shí)間可大幅縮短，而且數(shù)控銑削螺紋孔比手工快，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證帶有宏程序的螺紋銑的加工效率提高50%以上。由于一把刀可以實(shí)現(xiàn)相同螺距不同規(guī)格的各種螺紋孔加工，所需刀具數(shù)量減少2/3，每年可以節(jié)省大量的刀具費(fèi)用。手工攻絲需要大量專(zhuān)用絲錐的同時(shí)，還需要大量的專(zhuān)用夾具（如攻絲導(dǎo)板、攻絲底座、攻絲導(dǎo)套、夾持桿等），而螺紋孔銑削不需要上述專(zhuān)用夾具，刀具費(fèi)用對(duì)比如表4所示，可以看出：原有工藝所需費(fèi)用合計(jì)為4 258元，改進(jìn)工藝所需費(fèi)用共計(jì)1 200元。

表4 刀具費(fèi)用對(duì)比Table 4 Comparison table of tool cost

其中，導(dǎo)板、導(dǎo)套、底座以及加持桿為一次性費(fèi)用，絲錐和螺紋銑刀需要根據(jù)磨損量進(jìn)行更換。綜合計(jì)算工藝改進(jìn)后，加工過(guò)程的成本可節(jié)約50%以上。

此外，通過(guò)改變螺紋孔加工方式改變了傳統(tǒng)的殼體加工工藝，工序設(shè)計(jì)時(shí)該類(lèi)螺紋不用單獨(dú)設(shè)置工序，減少了整個(gè)零件加工過(guò)程中的工序數(shù)；同時(shí)，減少加工工序可大幅減少多余工序的準(zhǔn)備工時(shí)。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用三軸數(shù)控加工殼體小直徑螺紋的方法后，小直徑螺紋孔的加工質(zhì)量及效率得到明顯提升，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（2）設(shè)計(jì)的專(zhuān)用螺紋銑刀減小了加工時(shí)徑向力對(duì)刀具的影響，同時(shí)消除了加工零件時(shí)出現(xiàn)的正錐現(xiàn)象。

（3）成功開(kāi)發(fā)出小直徑螺紋的數(shù)控加工宏程序，解決了專(zhuān)用螺紋銑刀刃部縮短給加工編程帶來(lái)的挑戰(zhàn)，為難加工材料小直徑螺紋孔找到了有效的加工方案。