航空航天難加工材料精密攻絲用高效新型絲錐
隨著航空航天技術的不斷發展，對飛行器性能的要求越來越高。伴隨其性能的提高，必然研制并應用物理力學性能優異的新材料。這些新材料，如鈦合金、Ni基高溫合金、高強度鋼超高強度鋼以及復合材料均屬難加工材料和很難加工材料，它們的切削加工性很差，特別是小孔精密攻絲更困難。主要表現為攻絲扭矩大、切削溫度高、刀齒磨損快、易崩齒甚至折斷。絲錐的折斷往往造成零件報廢，大大降低了生產效率、增加了制造成本。攻絲試驗證明，振動攻絲是解決各種難加工材料高效精密攻絲最理想的工藝方法[1-2]。但它需要有專用的振動攻絲裝置，生產現場使用時受到一定限制，或者說振動攻絲時零件上的攻絲部位是有一定要求的，故推廣使用難度較大。最便捷的方法還是采用絲錐來攻絲。解決辦法有兩個：一是進口國外絲錐，二是靠經驗豐富的技術工人修磨現有絲錐。前者要花費大量外匯，因國外這些特殊絲錐價格昂貴；后者根本無法滿足批量生產的需求。因此研制并采用新型絲錐已刻不容緩，成了當務之急。
除此之外，適當加大底孔直徑對難加工材料攻絲也是非常重要的，因為很多難加工材料在切削寬度方向上會產生切削變形，即有“脹牙”現象，用正常的底孔往往會使絲錐底徑參加工作，造成扭矩過大使絲錐刀齒損壞或折斷。但對不同精度和尺寸的螺紋，底孔加大量不同：
進口絲錐剖析
在難加工材料上國外進口絲錐攻絲高效、好用有以下3點原因：
（1）絲錐結構參數實現了專用化，即針對不同工件材料的物理力學性能及切削加工特點作了專用化設計以適應不同材料攻絲的需要；
（2）選用了高性能的高速鋼并進行涂層；
（3）選用了適宜攻絲加工的高性能冷卻潤滑劑。
標準絲錐修磨
國內絲錐多為通用結構，在各種材料上攻絲均用同一參數的絲錐，對普通材料適用，而用于這些難加工材料上的結構參數（前角、后角、切削錐角等）顯得不盡合理。有經驗的技術工人可根據經驗對其進行改進修磨。如：攻鈦合金時，在絲錐校準部刀齒留刃帶ba=0.2~0.3mm后，再加大后角使其af =20°~30°；在保留原校準齒2~3扣后，加大倒錐至0.16~0.3mm/100mm[4]。
新型絲錐
新型絲錐主要有涂層絲錐、跳齒( 牙) 絲錐和修正齒絲錐。
1 涂層絲錐
涂層絲錐即用物理氣相沉積PVD（Physical Vapor Deposition）法在高速鋼絲錐表面上涂2~5μm 的硬質涂層（主要有金黃色的TiN 涂層、紫紅色的TiAlN 涂層、黑灰色的TiCN等；也有采用軟硬復合涂層的，即絲錐溝槽處涂MoS2 或WS2 軟涂層，切削刃部涂硬質層）。它們可減小與工件材料間的摩擦系數，防止粘結，減小攻絲扭矩，提高絲錐的耐磨性。目前使用較多的是TiN 涂層。
2 跳齒絲錐
跳齒絲錐也稱跳牙絲錐，它是通過改變切削層的厚度與寬度的比例關系，即減小切削層寬度、增大切削層厚度，從而利用切削力的尺寸效應減小單位面積切削力，在每齒切削面積不變的情況下使總切削力減小，使得切削扭矩得到了減小，從而提高了絲錐攻絲的可靠性。
跳齒方式可有不同的組合：即切削齒部分沿螺旋線相間保留去除一刀齒，校準齒不變；切削齒保留不變，只校準齒部分沿螺旋線相間保留去除一刀齒；切削齒與校準齒兩部分均沿螺旋線相間去除保留（見圖1）。
用圖1（b）所示方式的跳齒絲錐M6 在鈦合金TC4上攻絲時有較明顯效果，干攻時的攻絲扭矩只是標準絲錐的45%左右，切削溫度只是標準絲錐的68%[5]。在Ni 基高溫合金材料上攻絲時攻絲扭矩只是標準絲錐的60%左右[6] ；而對于高強度超高強度鋼，因抗拉強度太大，如用同一結構參數（切削錐角、倒錐、前后角等）的跳齒絲錐效果不盡如人意。
3 修正齒絲錐
修正齒絲錐，是指齒形角修正了的絲錐。為測量方便，生產中齒形角常修正為55°, 也就是采用齒形角a0 =55°的絲錐，在滿足倒錐度tanδ = tanκr(tan（α1/2）con（α0/2） ? 1) 的情況下，可攻制出齒形角a1 =60°的標準三角形螺紋。修正齒絲錐的切削圖形屬分層式中的漸成式，而標準絲錐的切削圖形屬分層式中的成形式或稱同廓式（圖2）。
由于標準絲錐采用的切削圖形是成形式，即絲錐刀齒的形狀與被攻螺紋的形狀是完全相同的，每個刀齒的齒頂和齒側均參加切削，齒側除了與正在被切的那層金屬接觸之外，還與已被切完了的螺紋側面相接觸，摩擦嚴重，對小尺寸的絲錐齒側又不鏟磨，即無側刃后角，摩擦就更嚴重了。如攻TC4這樣彈性回復嚴重的材料時，絲錐齒側就會被“抱住”，由于摩擦扭矩大使其攻絲無法進行。
修正齒絲錐采用的切削圖形為漸成式，絲錐刀齒的齒側只與正在被切的那層材料接觸，而與已切完的螺紋側面形成了κr′= 2°30′的副偏角，從而大大減小了摩擦接觸面積，加之它的倒錐度大，故大大減小了摩擦扭矩，特別適宜彈性回復較大材料TC4的攻絲。
攻絲試驗證明，攻M6螺紋時，用修正齒絲錐干攻時的攻絲扭矩和切削溫度只為標準絲錐的30%[5]。
4 絲錐參數化研究
由于各種難加工材料本身的物理力學性能差異很大，所用修正齒絲錐的結構參數（切削錐角κr、倒錐度δ、校準部長度）和幾何參數（前角、后角）也不應相同，即參數必須專用化，否則也不一定會取得好效果。
為此，我們對5種物理力學性能有很大差異的航空航天常用難加工材料進行了修正齒絲錐結構參數化的試驗研究，取得了滿意的效果。
4.1 鈦合金（TC4——Ti6Al4V）
鈦合金具有密度小（約為4.5g/cm2），強度高，能耐各種酸、堿、海水、大氣等介質的腐蝕等一系列優良的物理力學性能，因此在航空、航天、艦艇、化工、石油、冶金、醫療器械工業中得到了越來越廣泛的應用。如：飛機機身構件、起落架、支撐梁、發動機壓氣機盤、葉片與接頭、隔熱板、機尾罩、減速板、襟翼滑軌、骨架、蒙皮及緊固件等。
航天器上的承力構件、框架、氣瓶、壓力容器、渦輪泵殼、固體火箭發動機殼體及噴管等零部件。兵器工業中的火炮制退器、多用途導彈上的形狀復雜構件；艦艇上的重要結構件。
因其彈性回復大、導熱性差，攻絲非常困難，κr = 5°~7°30′的修正齒絲錐是其攻絲的有效工具。
用M8 標準絲錐和κr =7°30′，5°（3#, 1#）的修正齒絲錐進行了手動與機動干式攻絲試驗，扭矩記錄曲線如圖3所示。
不難看出：（1）標準絲錐攻絲時的總扭矩M 約為24N·m，而修正齒絲錐的M 只為5 N·m，約是標準絲錐的21% 左右；（2）標準絲錐攻絲時摩擦扭矩Mf 約占總扭矩M 的30%~40%，而用修正齒絲錐時，Mf 只是M 的16% 左右；修正齒絲錐較好地解決了回彈大材料摩擦扭矩問題。
另外，用標準絲錐時的切削溫度θ可達360℃（vc =1.3m/min），用修正齒絲錐時θ只有120℃，當vc = 8m/min時才達270℃ [7]。
4.2 鎳基高溫合金（GH4169）
鎳基高溫合金是多組元的復雜合金，具有優良的熱強性能、熱穩定性能及熱疲勞性能，可在650℃以上的高溫氧化氣氛及燃氣腐蝕條件下工作，是各種渦輪發動機（飛機發動機、艦艇發動機、電站發動機、宇航飛行器及火箭發動機）耐熱零部件（燃燒室、渦輪、加力燃燒器、尾噴口、火焰筒、渦輪葉片、導向葉片及渦輪盤）的首選典型應用材料。
因其強度高、加工硬化嚴重，攻絲很困難。κr =2°30′的修正齒絲錐可解決其攻絲難題。
用標準絲錐手動攻絲和機動攻絲是根本不可能的。用κr =2°30′（4#）修正齒絲錐干式攻絲的扭矩記錄曲線如圖4所示。
可看出：與TC4相比，用4#修正齒絲錐時M 約大160%，Mf 則很小僅占8%，但不能采用機動攻絲（夾頭打滑）。
4.3 高強度超高強度鋼
高強度超高強度鋼（F175，D406A）是具有一定合金元素含量的經調質處理得到的高強度（σb≥1GPa）超高強度（σb≥1.5GPa）的結構鋼。
主要用來制造機器中各種關鍵承載零件。如：飛機起落架、固體火箭發動機機架、火炮炮管及炮彈彈體、高負荷砂輪軸、高壓葉片、重要齒輪與螺栓、發動機曲軸與連桿、花鍵軸等。因其強度太高、扭矩太大，攻絲十分困難。κr =3°30′（5#）修正齒絲錐可勝任其攻絲。
用κr =3°30′（5#）修正齒絲錐進行干式攻絲時，扭矩記錄曲線如圖5與圖6所示。
由圖5不難看出：用修正齒絲錐（5#）攻絲時的M 比TC4 攻絲時的大60%~90%，Mf 只占M 的3%~4% 以下。
由圖6可看出：用5#修正齒絲錐攻絲時的M 比攻絲TC4時大100%，Mf 只占M 的2%以下。
4.4 奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti
它是各類不銹鋼中耐蝕性好、強度較高、應用最廣泛的一種，常用作抗磁儀表、醫療器械、耐酸容器及設備的襯里、汽輪機、輸送管道等設備和零件的材料。
因其伸長率大（達60%）、沖擊韌性大、切屑粘不易折斷，攻絲困難。κr =7°30′、γf =10°的2#修正齒絲錐可解決其攻絲難題。
在此，用標準絲錐進行了手動干式攻絲，但機動未做，因為切屑堵塞使M較大，絲錐在夾頭中打滑。用κr =7°30′（2#）修正齒絲錐進行的手動與機動干式攻絲試驗。扭矩記錄曲線如圖7所示。
可以看出：（1）與TC4 相比，用標準絲錐攻絲時M 約為TC4 攻絲的50% 左右，摩擦扭矩Mf 不足10% ；（2）與TC4 相比，用修正齒絲錐攻絲時M 約比TC4 大80% 左右；（3）用修正齒絲錐攻絲時M 只為標準絲錐的70% 左右，Mf 不足2%。
另外，2#修正齒絲錐在vc=1.3m/min攻絲時切削溫度達180 ℃，vc=8m/min 時達260℃，與TC4 相當。
選用性能好的切削液
選用性能好的切削液也是解決難加工材料高效攻絲的有效措施。使用4901（含氯極壓切削液）在TC4上手動攻絲時的效果較好。不難看出：使用4901作切削液用標準絲錐時的攻絲扭矩M 只是干式攻絲的60%，用修正齒絲錐時的攻絲扭矩M 只是干式攻絲的75%。即用4901時攻絲扭矩比干切可減小25%~35%。可見用含氯的極壓切削液在低速( 手動攻絲) 下有很好的潤滑作用，大大減小的是摩擦扭矩。
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