怎样对钛合金攻丝

1/26钛合金攻丝钛合金攻丝是钛合金切削加工中最困难的工序，特别是攻制小螺纹。这种困难主要表现在攻丝时的总扭矩大，约为45号钢的2倍；丝锥刀齿过快地磨损、崩刃，甚至被“咬死”在螺纹孔内而折断。这是由于钛合金的弹性模量太小，螺纹表面产生很大的回弹，使丝锥与工件接触的面积增大，造成很大的摩擦扭矩，磨损加剧；另外，切屑细小不易拳曲，有粘刀现象，造成排屑困难。因此，解决钛合金攻丝问题的关键是减小攻丝时丝锥与工件的接触面积。（1）普通丝锥：必须经过技术处理后方能攻制钛合金螺纹。对普通丝锥进行处理的措施为：增大容屑空间，减少齿数；在校准齿上留出0.2～0.3mm的刀带后，将后角加大到20°～30°，并沿丝锥全长磨去齿背中段；保留2～3扣校准齿后将后部的倒锥由0.05～0.2mm/100mm增大至0.16～0.32mm/100mm。当其他条件完全相同时，若将齿背宽度减小（磨去）1/2～2/3，攻丝扭矩下降1/4～1/3。（2）修正齿丝锥：修正齿丝锥是把标准丝锥的成形法加工螺纹改为渐成法，工作原理如图7-6所示。由图可知，修正齿丝锥的齿形角α0小于螺纹齿形角α1，使丝锥齿侧与被切螺纹侧表面形成一侧隙角φ=（α1-α0）/2，并将丝锥螺纹做出较大的倒锥，使得摩擦扭矩大大减小，同时也利于切削液的冷却润滑。标准丝锥的倒锥是从校准齿开始的，倒锥量为（0.05～0.2）mm/100mm；修正齿丝锥的倒锥则是从第一个切削齿开始，并且倒锥数值远大于标准丝锥，如κr=7°30′的修正齿丝锥可达1.437mm/100mm。由于倒锥量加大，修正齿丝锥的校准部分便起不了导向作用，在切削锥前端时必须做出圆柱导向部，以避免丝锥刚攻入时产生歪斜，圆柱导向部的公称尺寸及公差取决于攻丝前的底孔尺寸。图7-7是修正齿丝锥的结构和几何参数示例。修正齿丝锥攻制的螺纹表面粗糙度不如成形式丝锥。（3）跳牙丝锥：跳牙丝锥是在切削齿和校准齿上相间地去掉螺扣，其最大的特点是有效地减小了丝锥与工件的接触面积，使攻丝扭矩显著下降。由于间齿攻丝，相邻螺扣侧刃之间有较宽绰的空间，改善了容屑和切削液进入切削区的条件，提高了丝锥的耐用度；同时在制造丝锥时，砂轮外缘顶部也不需过分尖锐，改善了磨削条件。跳牙丝锥示意图见图7-8。在相同的切削条件下经试验比较，跳牙丝锥的攻丝扭矩约为标准丝锥的30％～50％，修正齿丝锥的35％～60％，耐用度比修正齿丝锥高1～3倍，用跳牙丝锥对钛合金攻丝效果最好。2/26（4）螺纹底孔：对钛合金攻丝一般按牙高率（螺孔实际牙型高度与理论高度的比率）不超过70％为依据来选取底孔直径大小，即螺纹底孔直径d1=d0-0.7578p（d0为螺纹公称尺寸，p为螺矩）。小直径或粗牙螺纹牙高率可取大一些，被加工材料强度低或螺纹深度小于螺纹基本直径时，可适当增大牙高率，但过大会增大攻丝扭矩，甚至折断丝锥。为保证攻丝精度和表面质量，螺纹底孔应为铰后的孔。钛合金的攻丝速度要根据材料的类型和硬度来确定。α钛合金的攻丝速度一般取Vc=7.5～12m/min，α+β钛合金取Vc=4.5～6m/min，β钛合金取Vc=2～3.5m/min；钛合金的硬度≤HB350时选用较高的切削速度，反之选用较低的切削速度。对钛合金攻丝时，一般用含Cl、P的极压切削液效果较好，但含Cl的极压切削液攻丝后必须清洗干净，防止零件晶间腐蚀；也可用蓖麻油60％、煤油40％的混合油作切削液。钻孔为半封闭式切削，对钛合金钻孔过程中切削温度很高，钻孔后回弹大，钻屑长而薄，易粘结而不易排出，经常造成钻头被咬住、扭断等恶性事故。因此要求钻头具有高的强度和好的刚性，钻头与钛合金的化学亲和性要小，最好采用硬质合金钻头，但目前最常用的仍是麻花钻，经过采取一些措施改进后，也能取得较好的效果。(1)改进钻头：为满足对钛合金钻孔的需要，应对麻花钻采取以下改进措施：加大钻头顶角，2Ф=135°～140°；增大钻头外缘处后角，取12°～15°；增大螺旋角，p=35°～40°；增大钻心厚度，取(0.22～0.4)do(do为钻头直径)。采用“S”形或“X”形修磨钻头横刃，横刃长度b=(0.08～0.1)do，同时保证横刃的对称度≤0.06mm。两种形式的横刃均可形成第二切削刃，起到分屑作用和减小钻孔时的轴向力。最常用的是在麻花钻上磨出适于对钛合金钻孔的切削刃形，即钛合金群钻，其切削部分的形状见图7-1。图中外内刃顶角2φ和2φ′在钻头直径do3～10mm时均为130°～140°，do10～30mm时为125°～140°；外刃后角α在do3～10mm时为12°～18°，do10～30mm时为10°～15°；横刃斜角ψ=45°；内刃前角γτ=-10°～-15°；内刃斜角τ=10°～15°；圆弧刃后角aR=18°～20°。钛合金群钻的有关参数和钻削用量见表7-8和表7-9。3/26钛合金钻削和攻丝的工艺分析及研究摘要：主要叙述了钛合金的性能特点，同时分析了影响钛合金钻削和攻丝加工的主要因素，并提出改进钛合金钻削和攻丝加工的工艺参数和相应措施。关键词：钛合金；钛合金钻削；钛合金攻丝0引言钛合金材料重量轻，密度是4.4kg/m3,比强度高，是航空航天等领域的重要金属材料。但其加工性能较差，特别是钻孔和攻丝的效率很低，在很大程度上制约着产品中钛合金零件的加工质量和生产效率。这里分析了钛合金材料及其切削特性在钻孔和攻丝中表现出来的具体特点，特别对刀具材料、刀具结构和刀具几何参数等进行了反复研究和试验，并采取了相应措施，较好地解决了钛合金钻削和攻丝加工过程中存在的难题。1钛合金性能特点和加工特性分析1.1钛合金性能特点钛合金即在工业纯钛中加入合金元素，以提高钛的强度。钛合金可分为三种：α钛合金，β钛合金和α+β钛合金。α+β钛合金,如TC4(Ti-6Al-4V)，此种钛合金由α和β双相组成，这类合金组织稳定，高温变形性能、韧性、塑性较好，能进行淬火和时效处理使合金强化，是航空业重要的原材料。钛合金的性能特点，主要表现在：a)比强度高。钛合金密度小(4.4kg/m3)，重量轻，其比强度却大于超高强度钢。b)热强性高。钛合金热稳定性好，在300℃～500℃条件下，其强度约比铝合金高10倍。c)化学活性大。钛的化学活性大，与空气中的O、N、CO、水蒸气等产生强烈的化学反应，在钛合金表面易形成TiC及TiN硬化层。d)导热性差。钛合金导热性差，钛合金TC4在20℃时的热导率λ=16.8W/m·℃，导热系数是0.036cal/(cm·s·℃)。1.2钛合金加工特性分析由于钛合金导热系数低，仅是钢的1/4、铝的1/13、铜的1/25，因而散热慢，不利于热平衡，特别是在钻孔和攻丝加工过程中，散热和冷却效果很差，在切削区形成高温，加工后回弹4/26大，造成钻头和丝锥扭矩增大，刃口磨损快，耐用度降低。同时，由于钛合金变形系数小于或接近于1，这是钛合金加工时的一个显著特点。因此，切屑在前刀面上滑动摩擦的路程加大，加速刀具磨损。此外，钛合金化学活性高，在高温高压下加工，与刀具材料起反应，形成溶敷，扩散而成合金，造成粘刀具，切屑不易排除，往往产生钻头被咬住、扭断钻头等现象。2钛合金的钻削加工通过对钛合金加工特性的分析，了解了影响钛合金钻削加工的因素，即在加工过程中及易出现烧刀、断钻、刀具磨损快等问题。因此，着重对钻头材料、钻头几何参数、钻削用量以及冷却液等进行了研究，并较好地解决了这一问题。2.1钻头材料钻头材料应满足以下要求：a)足够的硬度。钻头和丝锥的硬度必须大于钛合金的硬度。b)足够的强度和韧性。由于钻头和丝锥在加工钛合金时承受很大的扭转力和切削力。因此，必须有足够的强度和韧性。c)足够的耐磨性。由于钛合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抵抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。d)刀具材料与钛合金亲合能力要差。由于钛合金化学活性高，因此要求刀具材料和钛合金亲合能力要差，以免形成溶敷，扩散而成合金，造成粘刀、断钻等现象。综上所述，经过对常用的刃具材料W18Cr4V、硬质合金(YG8)、W6Mo5Cr4V3Al、W12Cr4V4Mo和W2Mo9Cr4VCo8等制造的钻头和丝锥进行试验分析，结果表明由材料W2Mo9Cr4VCo8制造的钻头和丝锥加工钛合金时刃口锋利、磨损小，效率有了显著的提高，是比较理想的刃具材料。W2Mo9Cr4VCo8(M42)属于高速钢的一种，用该材料制造的钻头和丝锥之所以适合加工钛合金，与该材料的化学成分有关(材料化学成分见表1)。该材料含有7.5%～8.5%的金属元素钴。钴的主要作用是能加强二次硬化的效果，提高红硬性和热处理后的硬度，同时，具有良好的散热性。因此，含钴高速钢具有高的切削加工性能。2.2改变钻头几何参数钛合金的加工特性决定标准麻花钻头钻削加工钛合金时存在许多问题，主要表现：a)钻头顶角2Ψ小，切削刃长，切下的切屑宽，因而钻头扭矩大，轴向抗力也大。同时，切屑卷曲成螺旋状程度大，切屑所占的空间也大，排屑不顺畅，影响冷却。5/26b)钻头钻心厚度K小。由于钻削加工钛合金时钻头承受很大扭矩和轴向抗力。钻心厚度小，则钻头强度低，钻头易折断。c)钻头螺旋角β小。螺旋角直接影响主切削刃的前角。螺旋角大，则刃口锋利，切削轻快，否则会造成加工硬化。d)钻头外缘处后角αf小,影响钻心处切削刃的前角。钻头的各基本参数见图1。2.2.1增大钻头顶角2Ψa)钻头顶角决定切屑宽度和钻头前角的大小。当钻头直径和进给量一定时，增大顶角2，则切削宽度变窄，单位切削刃上的负荷减轻。同时，钻头外圆处的刀尖角减小，减小了刀尖角的磨损速度，同时有利于散热，耐用度也得到提高(见图2)。b)顶角对前角有很大影响。当顶角等于90°时，主截面为轴向截面，其前角就是某点所处的螺旋角。因此,增大顶角2Ψ有利于改善钻心处的切削条件。c)顶角影响切屑流出的方向。顶角大，切屑卷曲成螺旋的程度减小，且比较平直，容易排除，即提高了排屑性能。通过分析试验，在加工钛合金时,采取增大钻头顶角2Ψ,2Ψ范围是135°～140°，结果表明钻削效果良好。2.2.2选择合适的钻头螺旋角βa)钻头螺旋角β直接影响主切削刃前角的增加和减小。β角增加,前角也增加,切削轻快,易于排屑,扭矩和轴向力也小。见图3。6/26式中，D为钻头直径；P为螺旋槽导程。b)由上式看出，切削刃上各点β角是变化的。靠近外圆处β角最大，前角也最大，切削刃锋利，切削性能好。而靠近钻心处β角最小,切削性能较差,将通过此处磨成圆弧状，以改善切削条件。随β角增加，切削刃强度减弱，磨损快，甚至会发生切削刃烧毁等现象。因此合理选择β角，以适合钛合金钻削加工。通过分析试验，增大后钻头的螺旋角β见表2。2.2.3增大钻心厚度由于在钻削加工钛合金时钻头承受很大扭矩和径向抗力，特别是小直径钻头，容易折断，因此增大钻心厚度,以提高钻头强度。钻心厚度一般为：式中，D为钻头直径。2.2.4增大钻头外缘处后角钻头切削刃各点上的后角是不等的,愈接近中心,其后角愈大，因此,钻头后角的标注和要求,都以钻头外缘处为准，见图4(计算略)。7/26由于切削表面为螺旋面，切削刃上任一点的切削速度的方向为螺旋线，由展开图5可以看出，实际后角减小了一个ψ角。其大小由下式计算：式中，f为钻头走刀量；D为钻头在该点的直径。由上式看出，走刀量增加，切削刃上的点愈接近中心，ψ角愈大,钻头实际后角愈小。这就要求有不等的后角ψ，由此向钻心逐渐增加。为了适合钛合金加工，总结出的后角αf见表3。增大钻头外缘处后角,可以使横刃锋利,改善切削性能。特别是对钻心处的钻削加工有明显改善。2.2.5钻头加工成倒锥K钻头加工成倒锥,减小棱带同孔壁摩擦，使钻头切削时扭矩减小.倒锥角度见表4。8/26经过分析试验,按照上述几何参数加工的钻头钻削加工钛合金时效果良好，效率可提高40%左右。2.3钻削用量钛合金的性能特点要求钻削加工钛合金时转速要低，进给量要适中。表5是钻削加工钛合金的钻削用量。效果：我单位在钛合金上钻削Φ4.2,Φ5,Φ8,Φ12,Φ23孔,一次钻出效率比标准麻花钻头有显著提高。例如