鈦合金螺栓加工工藝改進(jìn)

夏春和

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司， 遼寧 沈陽 110850）

引言

鈦合金材料具有比重小、強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐熱等優(yōu)良特性，鈦合金螺栓是鈦合金材料在飛機(jī)上的典型應(yīng)用。受設(shè)備能力及工藝水平的限制，以往鈦合金螺栓加工采用兩次熱處理加工、六角車床絲錐攻絲內(nèi)螺紋、外形輪廓均用常規(guī)設(shè)備加工完成，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定，質(zhì)量一致性差。

1 鈦合金螺栓現(xiàn)行工藝路線及存在的問題

鈦合金螺栓材料為TC16，結(jié)構(gòu)是內(nèi)、外螺紋形式的六角頭螺栓。螺栓內(nèi)螺紋規(guī)格MJ5×0.8-6H，深度16 mm；螺栓外螺紋規(guī)格MJ10×1.5-6e，螺栓光桿為Φ10+0.026。鈦合金螺栓結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 鈦合金螺栓結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

1.1 鈦合金螺栓現(xiàn)行的加工工藝路線

下料—淬火熱處理—吹砂—粗車外形—車端面，保證總長(zhǎng)—銑六方面—鉗工去毛刺—滾制螺紋—六角車工制螺紋底孔—時(shí)效熱處理—六角車工制內(nèi)螺紋—六角車工校正內(nèi)螺紋（去除螺紋孔內(nèi)殘留物）—精車光桿—六角車工校正內(nèi)螺紋—清洗—檢驗(yàn)—入庫。

1.2 鈦合金螺栓加工中存在的問題及其原因

1.2.1 存在問題

1）內(nèi)螺紋加工困難，經(jīng)常折斷絲錐；

2）內(nèi)螺紋加工后碎屑?xì)埩粼诳椎缀脱啦蹆?nèi)，去除困難；

3）內(nèi)螺紋深度一致性差，螺紋有效長(zhǎng)度長(zhǎng)短不一、廢品率高；

4）加工設(shè)備多為普通常規(guī)設(shè)備，工序數(shù)量多，內(nèi)容簡(jiǎn)單、分散，加工效率低；

5）兩次熱處理，周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，加工周期不可控。

1.2.2 原因

1）鈦合金材料變形系數(shù)小，攻絲時(shí)扭矩大（約為普通材料的2 倍）[1]，容易引起絲錐折斷；攻絲時(shí)排屑不暢，退刀時(shí)阻力大，絲錐也易產(chǎn)生折斷。

2）螺栓內(nèi)螺紋規(guī)格MJ5×0.8-6H，深度 16 mm，長(zhǎng)徑比達(dá)到3 倍以上，屬于小規(guī)格細(xì)長(zhǎng)盲孔內(nèi)螺紋。加工中冷卻液很難進(jìn)入切削區(qū)，切屑很難排出，造成碎屑?xì)埩粼诳椎缀脱啦蹆?nèi)；攻絲時(shí)，切屑是碎屑、不連續(xù)，也是引起碎屑?xì)埩舻脑蛑弧?/p>

3）內(nèi)螺紋是在老式六角車床絲上使用絲錐攻絲加工，六角車床沒有進(jìn)給刻度，內(nèi)螺紋深度控制完全與工人的經(jīng)驗(yàn)、手法有關(guān)，容易造成內(nèi)螺紋深度一致性差，螺紋有效長(zhǎng)度長(zhǎng)短不一。

4）以往單位數(shù)控設(shè)備比較少，為了提高普通機(jī)床的加工效率，降低加工難度，每道工序加工內(nèi)容設(shè)置比較簡(jiǎn)單。隨著數(shù)控設(shè)備的增多，傳統(tǒng)的工序安排已經(jīng)不太適應(yīng)加工需求。

5）兩次熱處理為第1 次毛料淬火熱處理，第2 次半成品時(shí)效強(qiáng)化熱處理。熱處理工藝安排是沿用傳統(tǒng)工藝，可降低機(jī)加過程對(duì)刀具性能的要求。隨著數(shù)控設(shè)備以及機(jī)夾刀具的廣泛應(yīng)用，加工熱處理強(qiáng)化后的鈦合金材料已沒太大難度，熱處理工藝安排可相應(yīng)改變。

2 具體改進(jìn)措施

鈦合金螺栓加工問題主要集中在兩處：如何高質(zhì)、高效地加工小規(guī)格細(xì)長(zhǎng)內(nèi)螺紋；如何更快、更便捷地加工和周轉(zhuǎn)鈦合金螺栓，提升效率。

2.1 高質(zhì)、高效加工小規(guī)格細(xì)長(zhǎng)內(nèi)螺紋

2.1.1 絲錐加工內(nèi)螺紋

在不改變現(xiàn)有內(nèi)螺紋加工工藝方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)絲錐加工內(nèi)螺紋出現(xiàn)的問題，從螺紋工藝底孔、絲錐結(jié)構(gòu)、內(nèi)螺紋深度與碎屑控制三方面作出改進(jìn)。

1）螺紋工藝底孔。合適的螺紋工藝底孔對(duì)于內(nèi)螺紋加工十分重要，一個(gè)尺寸稍大的螺紋工藝底孔能有效降低攻絲過程中產(chǎn)生的切削熱和切削力。通過鈦合金材料實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用鉆頭鉆螺紋底孔時(shí)，其孔徑和鉆頭直徑幾乎相等。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中盡量選用鉆頭尺寸在螺紋工藝底孔中差至上差范圍內(nèi)。鈦合金螺栓內(nèi)螺紋為加強(qiáng)螺紋，規(guī)格為MJ5×0.8-6H。根據(jù)航空標(biāo)準(zhǔn)，其螺紋工藝底孔在Φ4.32～Φ4.46 mm 之間，實(shí)際生產(chǎn)中螺紋工藝底孔盡量選擇在Φ4.40～Φ4.46 mm 之間。考慮到采購(gòu)鉆頭的通用性、經(jīng)濟(jì)型，選用Φ4.40 mm 尺寸的通用鉆頭比較合適；如果可以采購(gòu)特制專用鉆頭，可選用Φ4.43 mm 尺寸的鉆頭。

2）絲錐結(jié)構(gòu)。鈦合金材料內(nèi)螺紋加工過程中，絲錐折斷的主要原因是切削扭矩大、排屑不暢阻力增大引起的扭矩增大，可通過改變絲錐結(jié)構(gòu)來解決。內(nèi)螺紋加工大多數(shù)采用直槽絲錐，攻絲加工中絲錐刃瓣（切削刃和校準(zhǔn)部分）與金屬材料接觸，通過縮窄絲錐校準(zhǔn)部分刃瓣寬度[2]，減小絲錐與金屬材料接觸面積來降低切削扭矩；同時(shí)縮窄絲錐校準(zhǔn)部分刃瓣寬度，也可以增大容屑空間，減少排屑不暢帶來的阻力扭矩。

絲錐結(jié)構(gòu)改進(jìn)如下：將絲錐刃瓣磨削去除4/5 左右，保留切削刃和極少校準(zhǔn)部分。為了不降低絲錐強(qiáng)度，刃瓣去除可以采用倒角形式。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，MJ5×0.8-6H 絲錐刃瓣寬度保留0.4 mm 左右，刃瓣倒角按35°角度去除的結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果較佳。標(biāo)準(zhǔn)直槽絲錐槽型結(jié)構(gòu)見圖2。改進(jìn)后直槽絲錐槽型結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)直槽絲錐槽型結(jié)構(gòu)（單位:mm）

圖3 改進(jìn)后直槽絲錐槽型結(jié)構(gòu)（單位:mm）

3）內(nèi)螺紋深度與碎屑的控制。在六角車床上使用絲錐攻絲，若要很好地控制內(nèi)螺紋的深度，可以在絲錐上人工標(biāo)記，當(dāng)絲錐達(dá)到標(biāo)記的位置，及時(shí)停車后退。標(biāo)記可以是帶顏色的細(xì)線、銅絲，或是豁口。

由于六角車床切削液壓力很低，無法高壓沖洗碎屑，只能采用反復(fù)多次攻絲帶出碎屑的方法解決。

2.1.2 銑削加工內(nèi)螺紋

改進(jìn)絲錐結(jié)構(gòu)形式，可以提高絲錐的壽命，但加工后碎屑排出需要反復(fù)攻絲去除，比較煩瑣。所以嘗試應(yīng)用新的加工工藝方法——螺紋銑削來改進(jìn)加工。螺紋銑削是一種用螺紋銑刀切出零件螺紋的加工方法，加工中銑刀每螺旋銑削一周，同時(shí)在螺紋軸向方向上運(yùn)動(dòng)一個(gè)螺距。螺紋銑削具有加工效率高、螺紋質(zhì)量高、刀具通用性好、加工安全性好等優(yōu)點(diǎn)。

1）機(jī)床參數(shù)。螺紋銑削可以在數(shù)控銑床（三軸）或數(shù)控車床（帶動(dòng)力頭）上操作。為了方便螺栓連續(xù)加工，采用帶動(dòng)力頭的數(shù)控車床——ETC3650h。內(nèi)螺紋銑削使用螺紋切削命令——CYCLE97，加工順序?yàn)閺耐庵羶?nèi)，逆銑加工。根據(jù)鈦合金材料加工特性與所選刀具推薦的加工參數(shù)，結(jié)合內(nèi)螺紋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，機(jī)床選用參數(shù)如下：數(shù)控車床主軸轉(zhuǎn)速25 r/min，銑刀轉(zhuǎn)速3 000 r/min，螺距0.8 mm，切削深度0.34 mm。

2）螺紋銑刀選擇。TC16 鈦合金材料熱處理強(qiáng)化后強(qiáng)度бь≈1 150 MPa，螺紋銑刀制造材料選擇硬質(zhì)合金材料。螺紋銑刀按結(jié)構(gòu)分為多齒螺紋銑刀、整體螺紋銑刀兩種。由于加工零件的內(nèi)螺紋（MJ5×0.8-6H，螺紋深度16 mm，底孔深度20 mm，盲孔），孔徑比在3 倍以上，屬于小規(guī)格細(xì)長(zhǎng)型內(nèi)螺紋。整體螺紋銑刀在加工中受力較大，刀具會(huì)出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，最后幾扣螺紋質(zhì)量難以保證，所以內(nèi)螺紋加工選用刃部為三齒的螺紋銑刀。刀具長(zhǎng)度在滿足裝夾和切削的情況下，刀具懸伸部分應(yīng)盡量短，刀具直徑應(yīng)盡量大一些，比螺紋底孔略小即可，以增加刀具的剛性，減小加工過程中的振動(dòng)。加工MJ5×0.8-6H 鈦合金螺栓內(nèi)螺紋螺紋銑刀幾何尺寸：螺紋尺寸M5×0.8，刃徑4.0 mm，有效長(zhǎng)度20 mm，柄徑4 mm，全長(zhǎng)50 mm。三齒螺紋銑刀見圖4。

圖4 三齒螺紋銑刀

3）排屑方法。螺紋銑削是斷屑切削，切屑短小。另外，銑刀直徑比螺紋工藝底孔尺寸小，排屑也比較通暢。螺紋銑削完畢，螺紋銑刀退出零件，使用高壓切削液沖洗即可將螺紋底部碎屑去除干凈。

4）內(nèi)螺紋深度控制。在數(shù)控車床上使用螺紋銑刀加工，內(nèi)螺紋深度依靠數(shù)控程序控制。內(nèi)螺紋加工后碎屑去除比較干凈，消除了測(cè)量中的不良影響。內(nèi)螺紋銑削加工，螺紋深度公差可以控制在0.10 mm 以內(nèi)，質(zhì)量一致性良好。

2.2 更快、更便捷加工和周轉(zhuǎn)鈦合金螺栓

現(xiàn)在零件的生產(chǎn)加工，已經(jīng)開始廣泛使用數(shù)控設(shè)備，可以充分利用數(shù)控機(jī)床的多功能，將工序內(nèi)容集成、合并一起加工來提升加工效率、產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)隨著數(shù)控設(shè)備以及機(jī)夾刀具的大量應(yīng)用，熱處理強(qiáng)化后的鈦合金材料機(jī)械加工也已經(jīng)沒有太大難度，熱處理工藝安排也可以相應(yīng)改變以縮短周轉(zhuǎn)時(shí)間。根據(jù)鈦合金螺栓的結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合生產(chǎn)單位的設(shè)備能力，對(duì)鈦合金螺栓的加工工藝路線作出了優(yōu)化。

鈦合金螺栓優(yōu)化改進(jìn)后的加工工藝路線如下：下料—淬火、時(shí)效熱處理—吹砂—精車外形—滾制螺紋—車端面、銑六方面、制螺紋底孔、銑螺紋（內(nèi)螺紋采用絲錐攻絲加工時(shí)，需要單獨(dú)1 道攻絲工序）—鉗工去毛刺—清洗—檢驗(yàn)—入庫。

工藝路線改進(jìn)后，工序數(shù)量由原來的17 道工序縮減為現(xiàn)在的10 道工序（或11 道工序），將原來工藝流程中零散的6 道機(jī)加工序（端面加工、六方面加工、螺紋底孔加工、螺紋加工、2 次校正加工）集成在1～2道工序內(nèi)完成加工；減少1 道熱處理加工工序；減少1 道精車光桿工序。

3 技術(shù)改進(jìn)效果

針對(duì)鈦合金螺栓加工“如何高質(zhì)、高效地加工小規(guī)格細(xì)長(zhǎng)內(nèi)螺紋”，“如何更快、更便捷的加工、周轉(zhuǎn)，提升效率”兩個(gè)主要問題，從螺紋工藝底孔、絲錐結(jié)構(gòu)、螺紋加工方式、熱處理工藝調(diào)整、流程內(nèi)容優(yōu)化等多個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)，生產(chǎn)效率、合格率、生產(chǎn)周期等方面均取得了十分明顯的效果，實(shí)施效果對(duì)比如表1所示。

表1 實(shí)施效果對(duì)比

4 結(jié)語

鈦合金螺栓加工從加大固化螺紋工藝底孔尺寸、優(yōu)化改進(jìn)絲錐結(jié)構(gòu)、調(diào)整內(nèi)螺紋加工方式、調(diào)整熱處理傳統(tǒng)工藝、流程內(nèi)容優(yōu)化等多個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)，有效地解決了鈦合金螺栓加工過程中折絲錐、排屑困難、內(nèi)螺紋深度一致性差、工序內(nèi)容分散、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問題，提高了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，縮短了加工周期，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。