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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：作者：中航（háng）工（gōng）業沈陽黎明航空發動機集團楊金發

目前（qián）航空製造業小直徑螺紋孔的加工是一項（xiàng）難題。經常出（chū）現絲錐折斷（duàn）在工件中，造成附加修（xiū）複（fù）工序，影響產品質（zhì）量與精度，甚至造成貴（guì）重（chóng）零件報廢。針對這種情況，在加工（gōng）中選用性能良好的刀具材料和切削（xuē）液，合理選擇刀具（jù）結構（gòu）、幾（jǐ）何（hé）參數和切削用量，采用（yòng）一些新裝置並開發新的切削工藝，如螺紋銑技術、振動加工技術等在（zài）現有高性能（néng）的數控機床硬（yìng）件的支持下（xià），使得鑄造高溫（wēn）合金小（xiǎo）直（zhí）徑螺紋孔加工難題得以解決。

典型材料如K465 材料有很強的“記憶”功能（néng）———加工（gōng）後縮回原狀的傾向。為克服這個問題（tí），把底孔鑽得大一（yī）點: 技術要求規（guī）定底孔2. 2 + 0. 060 mm，實際鑽成2. 2 + 0. 11+ 0. 05mm，大了0. 05mm; 螺紋（wén）孔要求尺（chǐ）寸: MR2. 5—5H6H，其中孔深: 7 + 0. 03－ 0. 02 mm。這樣既減（jiǎn）少了螺紋的工作量，又有效地抵消了材料的回縮量（liàng）。在鑄造高溫合金材料上加工螺紋的主要困難，是由於切削時產生的熱量和工件材料的收縮包住了圖1刀具，易造成（chéng）刀具扭斷。

零件整（zhěng）體結構如（rú）圖1 所示。

一、手動攻螺紋

1. 絲錐材（cái）料

絲錐基體的強度很重要。由（yóu）於工件的硬度和強度高，常使絲錐牙頂很快（kuài）磨鈍（dùn）。在這種情（qíng）況下，采用具有較高的韌性、紅硬性以及（jí）抗變形和抗（kàng）磨損性能高的絲錐比較好。

( 1) 鈷高速鋼（gāng）材料硬材料工件的螺紋加工中，其（qí）抗彎強度、耐磨性、熱硬度等性能指標可（kě）比普通高速鋼提高2 ～ 3 倍。

( 2) 塗層刀具在加工螺紋過程中，會產生較（jiào）高切削熱並傳遞給（gěi）刀具，從而使（shǐ）刀具硬（yìng）度降低。螺紋刀（dāo）具( 基體為高速鋼) 經塗層後其表麵硬度明顯增高: TiN 塗層（céng）硬（yìng）度可達2 300HV 以上，TiCN 塗層硬度可達3 000HV 以上（shàng）。

2. 絲（sī）錐的選擇

根據槽型選擇絲錐，絲錐應具有較長的刀具壽命和良好的排屑結構、較高的質量穩定性和切削刃重複精度。通過調研，現在的絲錐（zhuī）有直槽絲錐、螺旋槽絲（sī）錐、螺（luó）尖絲錐、擠壓絲錐等（děng），其性能各有所長。特殊絲錐如跳牙絲錐，它間（jiān）隔去掉一個牙，與工件之間的壓力及摩擦（cā）力較小。跳牙（yá）絲錐的特點是:加工薄壁件內（nèi）螺紋（wén）時不會造（zào）成（chéng）薄壁件變形。用絲錐在塑性大（dà）和韌性高的工（gōng）件材料中攻螺紋時，作用於螺紋齒（chǐ）側麵上（shàng）的法向力易使工件產（chǎn）生很大的擠壓變形，因而摩擦加大，會使攻出的工件（jiàn）螺紋表麵粗糙度值較大，且易使絲錐損壞和卡死。可采用刀齒作成交錯排列的跳牙絲錐，也即將絲錐（zhuī）刃瓣上的刀齒每隔一個（gè）去掉一齒，這樣絲錐與工件之間形成單麵接觸，摩擦減少，轉矩下降，不但可（kě）提高螺孔的（de）加工質量，而且可防止絲錐損壞和卡死（sǐ）。跳（tiào）牙絲錐用（yòng）在低碳合金鋼、鑄造高溫合金等難加工材料上的螺紋加工，它（tā）不僅可使攻螺紋過程（chéng）進行得更為平穩，提高被切螺紋的精度，而且能使絲錐的壽命提高一倍左右。

綜合以上絲錐的特點，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速鋼材料的（de）直槽絲錐和跳牙絲錐。根（gēn）據現場實際，在零件（jiàn）實行（háng）大批量生產之後還可以用TiN 塗層絲錐。冷卻措施采用液態氯化石蠟。

二、螺紋銑（xǐ）削

螺紋（wén）銑削（xuē）是通過主軸高速旋轉並做圓弧插（chā）補的方式加工螺紋。隻要（yào）通過（guò）改變程序（xù）就可以實現不同直徑的螺紋、左（zuǒ）右螺紋及內外螺紋的加工，其柔性非常理想（xiǎng）。螺紋銑削具有線速度高、受力小、排屑好、加工精度高、表麵質量好等優點。

1. 螺紋銑削的優勢

通（tōng）過各個方麵的對比，可以發現螺紋銑削存在很多優勢。

螺紋銑削加工與分層銑削柱麵工藝基本相似，不受螺紋（wén）尺（chǐ）寸、結（jié）構及螺紋旋向的限製，同一把刀（dāo）具可以加工（gōng）出牙形相同（tóng）的（de）各種內外螺紋。加工過程中，可以簡單地通（tōng）過修改刀具半徑（jìng）補償值，很容易解（jiě）決螺紋中徑過大或過小的質量問題; 另外，一把（bǎ）螺紋銑刀可以加工（gōng）直徑不同、牙形相同的螺紋。可減少刀具數量，節省換刀時間，提（tí）高效率（lǜ），方便刀具管（guǎn）理，提高加工精度。切削（xuē）速（sù）度高，加工出來的螺紋表麵（miàn）質量好。

采用螺紋銑削，排屑方（fāng）便，不易打刀。銑螺紋屬於斷屑切削（xuē），切屑短小，另外加工刀具直徑比加工（gōng）螺紋孔小，所以排（pái）屑通暢（chàng），不易形成粘屑的現象，改善了（le）加工性。刀具（jù）即使斷裂也容易處理，因為加工孔徑比刀具大，折（shé）斷部分很（hěn）容易取出，可加工硬度較高的材質。

2. 螺紋（wén）銑削的劣勢

加工普通螺紋（wén）時，單純從單件成本考慮，采用螺紋銑（xǐ）削並不劃算。長（zhǎng）徑比不能太大，否則，刀具容易折斷（duàn）。針對試驗材料的結構，長徑比較大，又要采用螺旋銑削的方式加工就得進行一（yī）定的技術創新，提（tí）高加工效率。

3. 改進（jìn）措施和效果

采用螺紋（wén）銑削的方（fāng）法是可行的，但是在現場實踐中，在數控銑床上對刀比較困難，我們可采用找正對刀的方法解（jiě）決。最終，根據（jù）現場加工（gōng）效果來（lái）看，與手動攻螺紋相比，采用螺紋銑削（xuē）可使加工效率提高（gāo）5 倍以上，加工質量很好，而且隻用一把刀具，真正實現（xiàn）了高效率（lǜ）、高質量、低成本（běn）加工。

三、振動攻（gōng）螺紋方法（fǎ）

由於振動攻螺紋特殊的（de）切削機理，它可以將有限的能量集中為脈衝（chōng）形式釋放出來，從而改善材（cái）料的切削性能; 絲錐（zhuī）的往複運（yùn）動可以（yǐ）對已加（jiā）工表麵進行重複切削; 同時（shí），由於刀（dāo）齒從切削區周期分離從而改善了潤滑狀況。因此，該項技（jì）術具有很（hěn）多獨有的優點，如降低了攻螺紋轉矩，提高了內螺紋質（zhì）量，延長了絲錐的壽（shòu）命等。因此，該項技（jì）術必將在難加工材料上的螺紋孔、深（shēn）螺紋孔、小直徑螺（luó）紋孔的加工方麵發（fā）揮不可替代的作用（yòng）。

1. 加工工藝的改進

在鑽削中，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（jiàn）之間需（xū）長時間接觸。同時，在加工過程中會產（chǎn）生更多的（de）切削熱和更大的切削力。為解決這個（gè）問題，可以采用兩種方案（àn）:

( 1) 增大螺紋底（dǐ）孔的直徑合適的（de）螺紋底孔（kǒng）對於螺紋加工是十（shí）分（fèn）重要的。一個尺寸稍大的螺紋底孔能有效降低攻螺紋過程中產（chǎn）生的切削熱和切削力（lì）。

( 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（de）工況（kuàng）是要清根的。在盲孔攻螺紋中，為滿足圖樣規定的要求，必須準備好空間讓絲錐攻到（dào）足夠的深度，這就要把孔鑽得深一些，避免（miǎn）中心逐漸偏移的現象。

( 3) 切削速度鑄造高溫合金K465 具有大的彈性和變形率，因此需要采用相對較小的切削速度。圓周切削速度為0. 25 ～ 0. 35m/min。切削速度太（tài）小的話會導致工件的冷作硬化。

2. 絲錐幾何參數的改進

前角（jiǎo）和（hé）後角: 小前角可（kě）提高切削刃強度，從而增加刀具壽命（mìng）; 而大前角有利於切削長切屑的金屬。因此加工時，需綜合考慮這（zhè）兩個方麵的因素，選用合適的前角。大後角可（kě）以減小刀具和切屑之間的摩擦。針對（duì）K465 材料的性能，絲錐後角增大以減小摩擦（cā）和便於切削（xuē）液到達切削（xuē）刃，但過大的後角又會減（jiǎn）小絲（sī）錐切入工件時的自（zì）定心能力。

較大（dà）的倒錐: 對於強韌的加工材料，對於有彈性記憶的（de）材料要選用螺紋長度較短的螺旋槽絲錐，以減小切削時的轉矩。要求刀具帶有較大的倒錐，從絲錐前部到柄部，逐步減小由於材料“反彈”造（zào）成的摩擦。因為絲（sī）錐與工（gōng）件孔壁接觸麵積非常大，所以冷卻至關重要（yào）。如果高速鋼絲錐過熱，則絲錐（zhuī）會折斷、燒（shāo）損。改進後的絲錐結構（gòu）如圖3 所示（shì）。絲錐（zhuī）材料選Y330 和6Wo5Cr4V22Al ( M2Al) 切削（xuē）部分鏟背後角6° ～ 8°。