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鑄造高溫合金小直徑螺紋孔加工工藝

2012-12-14 來源（yuán）：作者：中航工業沈陽黎明航空發動機集團楊金發

目（mù）前航空製造業小直徑螺紋孔的加工是一項難（nán）題。經常出現絲錐折斷在工件中，造（zào）成附（fù）加修複工序，影響產品質量與精度（dù），甚至造成貴重零件報廢。針對（duì）這種情（qíng）況，在加（jiā）工中選用性能良好的刀具材料和切削液，合理選擇刀具結構、幾（jǐ）何參數和切削用量，采用一（yī）些新（xīn）裝置並開發新的切削工藝，如螺紋銑技術、振動（dòng）加工技術等在現有高性能的數控機床硬件的支持下，使得鑄（zhù）造高（gāo）溫合金小直徑螺紋孔（kǒng）加工難題得以解決。

典型材料如K465 材料（liào）有很強的“記憶（yì）”功能（néng）———加（jiā）工後縮回原狀的傾（qīng）向。為克服這（zhè）個問（wèn）題，把底孔鑽得大（dà）一點: 技術要求規定底孔2. 2 + 0. 060 mm，實際鑽成2. 2 + 0. 11+ 0. 05mm，大了0. 05mm; 螺（luó）紋孔要求尺寸: MR2. 5—5H6H，其中孔深（shēn）: 7 + 0. 03－ 0. 02 mm。這樣既減少了螺紋的工作量（liàng），又有效地抵消了材料的（de）回縮量。在鑄造高溫合金（jīn）材料（liào）上加工螺（luó）紋的主要（yào）困難，是由於切（qiē）削時產生的熱（rè）量和工件材料的收縮包住了圖（tú）1刀具，易造成刀具扭斷。

零件整體結構（gòu）如圖1 所示。

一、手動攻螺紋

1. 絲錐材料

絲錐基體的強度很重要。由於工件的硬度和強度高，常（cháng）使絲錐牙頂很快（kuài）磨鈍。在（zài）這種情況（kuàng）下，采用（yòng）具有（yǒu）較高的韌性、紅硬性以及抗變（biàn）形和抗磨損性能高的絲錐比較好。

( 1) 鈷高速鋼材料硬材料工件的螺紋加工中，其抗彎強度、耐（nài）磨性、熱硬度等性能指標可比普通高速（sù）鋼提高2 ～ 3 倍。

( 2) 塗（tú）層刀具在加工螺紋過程中，會產生較高切削熱並傳遞（dì）給刀具（jù），從而使刀具硬度降低。螺紋刀具( 基體為（wéi）高速鋼) 經塗層（céng）後其表麵硬度明顯增高: TiN 塗層硬度可達2 300HV 以上，TiCN 塗層（céng）硬度可（kě）達3 000HV 以上。

2. 絲錐的選擇

根據（jù）槽型選擇絲錐，絲（sī）錐應具有較長的刀具壽命和（hé）良好的排屑結構、較高的（de）質量穩定性和切削刃重複精度。通過調研，現在的絲（sī）錐有直槽絲（sī）錐、螺旋槽絲錐、螺尖絲錐、擠壓絲錐等，其性能各有（yǒu）所長。特殊絲錐如跳牙絲錐，它間隔去掉一個牙，與工（gōng）件之間的壓力（lì）及摩擦力較小。跳（tiào）牙絲（sī）錐的（de）特點是（shì）:加工薄壁件內螺紋時不會造成薄壁件變形。用絲錐在塑性大和韌性高（gāo）的工件材料中攻螺紋時，作用於螺紋齒側麵上的法向力易使工（gōng）件產生很大（dà）的擠壓變形（xíng），因而摩擦加大，會使攻出（chū）的工件（jiàn）螺紋表（biǎo）麵（miàn）粗（cū）糙度值較大，且易使絲（sī）錐損（sǔn）壞和卡死。可采（cǎi）用刀齒作成交錯（cuò）排列的跳牙絲錐，也（yě）即將絲錐刃瓣（bàn）上的刀齒每（měi）隔一個去掉一齒，這（zhè）樣絲錐與工件之間（jiān）形成（chéng）單麵接觸，摩擦減少，轉矩下降，不但可（kě）提（tí）高螺孔的加工質量，而且可防（fáng）止絲（sī）錐損（sǔn）壞和卡死。跳牙（yá）絲錐（zhuī）用在低（dī）碳合金（jīn）鋼（gāng）、鑄造（zào）高溫合金等難加工材料上的螺紋加工，它不僅可使攻螺紋過程進行得更為平穩，提高（gāo）被切螺紋的精度，而且能使絲錐的壽命提高一倍（bèi）左右。

綜合以（yǐ）上絲錐（zhuī）的特點，針對試驗材料為K465 材料的性能特點，手動攻螺紋選擇含鈷高（gāo）速鋼材料的直槽絲錐和跳牙絲錐。根據現場實際，在零件實行大批量生產之後還可以用（yòng）TiN 塗層絲錐。冷卻措施采用液態（tài）氯化石蠟。

二、螺紋銑削

螺紋銑削是通（tōng）過主軸高速旋（xuán）轉並做圓弧插補的方式加工螺紋。隻要（yào）通過改（gǎi）變（biàn）程序就可以實現不同直徑（jìng）的螺紋、左右螺紋及內外螺紋的加工，其柔性（xìng）非（fēi）常理想。螺紋銑削（xuē）具有線速度高（gāo）、受力小、排屑好、加工精度高、表麵質量好等（děng）優點。

1. 螺紋銑削的優勢

通過各個方麵的對比（bǐ），可以發現螺紋銑削存在很多優（yōu）勢。

螺紋銑削加工與（yǔ）分層銑削柱麵工藝基本相似，不受（shòu）螺紋尺寸、結構及（jí）螺紋旋向的限製，同一把（bǎ）刀具可以加工出牙形相同的各種內外螺紋。加工過程中，可以簡單地通過（guò）修改刀具半徑補償值，很容易解決螺紋（wén）中（zhōng）徑過大或過小的質量問題; 另外，一把螺紋銑刀可以加（jiā）工直徑不同、牙形相同的螺（luó）紋。可減少刀具數量，節省換刀時間，提高效（xiào）率，方便刀具管理，提高加工精度。切削速度高，加工出來的螺紋表麵質量好。

采用（yòng）螺紋銑削，排屑方便，不易打刀。銑螺紋屬於斷屑切削，切屑短小，另外加工刀具直徑（jìng）比加工（gōng）螺紋孔（kǒng）小（xiǎo），所以排（pái）屑通暢，不易形成粘屑的（de）現象，改善了加工性。刀具即使斷裂也容（róng）易處理，因為加工孔徑比刀具（jù）大，折斷（duàn）部（bù）分很容易取出，可加工（gōng）硬度較高的材質。

2. 螺紋銑削的劣勢

加工（gōng）普通螺紋時，單（dān）純從單件成本考慮，采用螺紋銑削並不劃算。長徑比不（bú）能太大，否則，刀具容易折斷。針對試驗材料的結（jié）構，長徑比較（jiào）大，又要采（cǎi）用螺旋銑削的（de）方式加工就得進行一定的技術創新，提高加工效率。

3. 改進措施和效果

采用螺紋銑削（xuē）的方法是可（kě）行的，但是在現場實踐（jiàn）中，在數控銑床上對刀比較困難，我（wǒ）們可采（cǎi）用（yòng）找正對刀的（de）方法解決。最終（zhōng），根據現場加（jiā）工效果來看，與手動攻螺紋相比，采用螺紋銑削可使加工效（xiào）率提（tí）高（gāo）5 倍以（yǐ）上，加工質量很好，而且隻用一把刀具，真正實現了高效率、高質量、低成本加工。

三、振動攻螺紋方法

由於振動攻螺紋特殊的切削（xuē）機理，它可（kě）以（yǐ）將有限的能量集中為脈（mò）衝形（xíng）式釋放出來，從而改善材料（liào）的切削性（xìng）能; 絲錐的往複運動可以對已（yǐ）加工表麵進行重複切削; 同時，由於刀齒從切削區（qū）周期分離從而改善（shàn）了（le）潤滑狀況。因此，該項技術具有很多（duō）獨有的優（yōu）點，如降低了攻（gōng）螺紋轉（zhuǎn）矩，提高了內螺紋質（zhì）量，延長了絲錐的壽（shòu）命等。因此，該項技術必將在難加工材料上的螺紋孔、深螺紋孔、小直徑螺紋孔的加（jiā）工（gōng）方麵發揮不可替代的作用（yòng）。

1. 加工工藝的改進

在鑽削中（zhōng），那些孔深大於3 倍孔徑的孔稱為深孔。加工一個深孔螺紋，意味著刀具與工件之間需長時間接觸。同時，在加工過程中會產生（shēng）更多的切削（xuē）熱和更（gèng）大的切削力。為解決這個問題（tí），可以采用兩種方案:

( 1) 增大螺紋底孔的直徑合適的螺紋底孔對於螺紋加工是十分重要的。一個尺寸稍大的（de）螺紋底孔能有效降低攻（gōng）螺紋過程中（zhōng）產生的切削熱和切削力。

( 2) 孔鑽得深一些盡管圖樣上不一定要求螺絲清根，但實際的工況是要清根的。在盲（máng）孔攻螺紋中，為滿足圖樣規定的要求，必（bì）須準備好空間讓絲（sī）錐攻到足夠的深度，這就要把孔鑽得（dé）深（shēn）一些，避（bì）免中心（xīn）逐漸偏移的現象。

( 3) 切削速度鑄造高溫合金K465 具（jù）有大的彈性和變形（xíng）率，因此需要采用相對（duì）較小的切削速度。圓周切削速度為0. 25 ～ 0. 35m/min。切削速度太小的話會導致工件的（de）冷作硬（yìng）化。

2. 絲錐幾何參數的改進

前角和後角: 小（xiǎo）前角可提高切削刃強（qiáng）度，從而增（zēng）加刀具壽命; 而大前角有利於切削長切屑的金屬。因此（cǐ）加工時，需綜合考慮這兩個方麵的因素（sù），選用合適的前角。大後角可以減小刀具和切屑之（zhī）間的（de）摩擦。針對K465 材料的性能，絲錐後角增（zēng）大以減小摩擦和便於切削（xuē）液到達切削刃，但過大的後角又會減小絲錐切入工件時的自定心能力。

較大的倒錐: 對於強韌的加（jiā）工材料，對於有彈性記憶的材料（liào）要選用螺紋長度較短的螺旋槽絲錐，以減小（xiǎo）切削（xuē）時的轉矩。要求刀具帶有較大的倒（dǎo）錐，從絲錐前部到（dào）柄部，逐步減小由於材料“反彈”造成的摩擦。因為絲錐與工件孔壁接觸麵積非常大，所以冷卻至關重要。如果高速鋼絲錐過熱，則絲錐會折（shé）斷、燒損。改進後的絲錐結構（gòu）如圖3 所示。絲錐材料選Y330 和6Wo5Cr4V22Al ( M2Al) 切削部分鏟背後角6° ～ 8°。