鈦合金的攻絲扭矩以及絲錐的研究

李鑫

摘 要：鈦合金是一種具有比重小、強度高、耐腐蝕和耐熱等特性的金屬材料。本文主要針對鈦合金攻絲過程中的扭矩和絲錐進行分析，對實際的加工具有很強的參考價值。

關鍵詞：鈦合金；攻絲；扭矩；絲錐

1 概要

鈦合金是高強度耐熱合金，它的切削加工性很差，螺孔攻絲就更為困難。它的工藝特點是被加工出的新生表面有很高的化學活性，很容易和氧、碳、氮生成一層堅硬的化合物，這是一層深度大的冷作硬化層；它又很容易和絲錐表面結合成牢固的金屬化合物，使絲錐產生粘接磨損。攻絲時，冷卻、潤滑和排屑條件比其它切削加工更差一些。如果用一般碳鋼絲錐加工，切屑厚度薄，切削在強度和硬度都高的冷作硬化層內進行，有時絲錐只攻4-5個螺孔，切削刃后面就被磨鈍或產生崩刃和折斷。而且切屑和孔壁、絲錐之間發生強烈的摩擦，有尖銳的吱叫聲，加工粗糙度差，所以鈦合金攻絲是一道困難的加工工序。

2 鈦合金的攻絲

2.1 鈦合金切削特點

鈦合金是一種難切削材料，切削過程中切削層變形小。由于鈦合金的塑性低并且鈦的化學活潑性高，在高切削溫度下化學親和性很強，容易與大氣中的氧、氮等元素化合，從而使脆性提高，切削變形小。此外，鈦合金在切削過程中切削溫度高。鈦合金導熱性很差，導熱系數只相當于45號鋼的1/5-1/7。切削熱不容易散出，主要集中在切削區和切削刃附近的較小范圍內。切削過程中產生的塑性變形，在高的切削溫度下，使得鈦很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮，而產生冷硬現象。

絲錐攻絲過程屬于半封閉式多刃薄切削過程，與車削螺紋相比較，切削條件惡劣。在工件底孔內切出的螺紋，是由絲錐切削刃瓣上的各切削牙逐層切削而成的。絲錐或工件旋轉一周后，每個切削牙都前進一個螺距，并分別從工件上切除一層金屬。對于鈦合金來說，因切削層巨大的摩擦力和塑性變形給運動中的絲錐受力帶來了波動。

2.2 鈦合金攻絲扭矩

進行鈦合金攻絲時，作用在絲錐各切削刃上的切削力可分解為軸向力Fa1.、Fa2…，徑向力Fr1、Fr2…和切向力Ft1、Ft2…。切向力直接決定攻絲扭矩的大小，其它兩個分力則影響攻絲的切削過程。開始攻絲時，絲錐依靠在工件上切出的螺紋側而被引導前進，但因引導面太小，加之鈦合金塑性變形，承受不了絲錐對工件的軸向力而產生接觸變形，使絲錐的軸向前進量不足，各刃瓣滯后并在螺紋表面一側切出臺階而造成“陷切”現象。但隨著絲錐與工件相接觸的螺紋引導表面的增大，“陷切”量將逐漸減小；攻絲的“陷切”現象直接影響螺紋側面的正確成形，并使其光潔度下降；嚴重時會啃住絲錐使之處于抱死狀態。

攻絲過程中的擺動容易使絲錐單向嵌入工件基體中。在絲錐正常工作的條件下，由于同時工作的絲錐各切削牙切削寬度不等，使前面切削牙的切削面積大于后面切削牙的切削面積。從而作用在絲錐各刃瓣上的徑向力不等，也使徑向力的合力不等于零。顯然，在攻絲時，絲錐將偏向徑向力小的一邊，絲錐的軸線相對于孔的軸線將發生偏移，導致被加工螺孔擴大的同時也使絲錐緊貼在一邊。當絲錐的切削錐長度較短時（導角較大時），各刃瓣上切削牙的切削寬度差別就大，中徑擴大的可能性也大，故絲錐的切削錐長度不易太短。

3 攻絲扭矩及絲錐改善

3.1 攻絲扭矩改善

增大絲錐前角使攻絲扭矩減小，例如前角為80°時，假設扭矩為100%，那么當前角變為12°時，則扭矩就減小到70%，前角為25°時扭矩僅達到原來的53%，但是增大前角會使絲錐強度降低，也不利于散熱，這一點應注意。在選擇絲錐時應盡可能選擇少的絲錐刃瓣數即槽數。絲錐槽數的增加，一方面使切削厚度變薄，難以切削，另一方面增加了絲錐與工件摩擦面積，使絲錐扭矩變大，一般是4槽比3槽扭矩增加約8%的扭矩。選擇合適的冷卻潤滑液可以減小摩擦，如濃度較大的硫化油，添加15%-20%的四氯化碳，可提高表面光潔度和減小絲錐咬死的可能性。此外，絲錐前面導向部分的導角既不能過大也不能太小，導角過大，切削層厚度大，受力后容易崩牙咬死，切屑也不易卷曲；但導角過小，切屑過薄，在硬化層上摩擦，加劇絲錐磨損。

3.2 絲錐的改進

由于鈦合金材料在加工過程中容易產生表面加工硬化，特別是加工小直徑螺紋孔，成了難題。攻絲時由于縮孔，攻上幾扣，就抱住絲錐，切削力特別大，普通絲錐很容易折斷，使工件無法繼續加工。

通過將絲錐的大徑、中徑、小徑磨小并分為4個等級，每個絲錐相差0.1mm，以減少切削力帶來的影響，但是由于切削量小，工件又容易產生加工硬化，加工起來比較費勁，效率很低，攻上幾個螺紋孔就不能繼續使用了。在通過將絲錐直槽變為螺旋槽，即在原切削牙上按螺旋角磨去1-2扣，可以減小絲錐切削時的接觸面積。減小前角的角度，使切屑與前刀面的接觸長度增大，切削熱和切削力不至于過分集中于切削刃附近，改善了散熱條件，也可加強切削刃，減少崩損的可能性。增大后角可以減小摩擦力，這是因為己加工表面金屬彈性恢復大，加工硬化程度高，絲錐后面的切削牙是在前面切削牙所產生的加工硬化層上進行的，后角過小極易磨損，同時切屑不易切離、卷曲、折斷，導致被加工螺紋表面縮小，緊緊抱住絲錐的刃瓣后刀面。增大切削槽角度，使刃瓣的有效寬度變小，以減小摩擦面積。

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