高溫合金螺母時效后螺紋變形研究

周曉巍 王曉云 劉鵬

摘 要：外加螺母是外部管路連接導管和進油管的零件，這類零件在裝配過程中需經常的拆卸，更換比較頻繁。該類零件材料主要為GH696，而高溫合金螺母時效后產生螺紋變形的問題日益突出，零件合格率低，嚴重制約了生產。隨著數控設備的普及和數控技術的成熟，應用數控加工的方法，合理地設計零件的加工工藝路線，合理地選擇數控加工的切削參數和刀具參數，最終加工出合格的零件，為解決此類螺母的時效變形問題奠定了基礎。

關鍵詞：外加螺母；高溫合金；時效變形；刀具磨損

中圖分類號：TG376 文獻標識碼：A

一、研究目標

目標是為了消除螺母螺紋變形問題，提高零件的合格率，并且滿足現場高效加工，降低工人勞動強度。針對制約現場加工、影響生產進度這一頑癥進行攻關。

二、方案設計

該類零件是典型的普通外加螺母類零件，以我廠現有設備和人員配制完全可以滿足加工，零件內螺紋與孔、退刀槽端面分別有0.1mm和0.05mm的跳動要求，采用一次裝夾，一次加工完成保證技術條件。零件中間檢驗過程中螺紋尺寸檢查100%合格，熱處理時效后出現了螺紋尺寸不合格的現象，經分析，不合格是由于時效處理造成，主要由于材料GH696時效后變形嚴重，變形量難控制。針對這一分析，制定了3種試驗方案。

A方案：選用高硬度涂層刀片時效后加工。通過根據刀具樣本和零件材料的對應，我們選了肯納的K5025涂層刀片和伊斯卡的IC908涂層刀片進行加工，在加工過程尺寸不穩定，機床振動也比較厲害，刀具磨損過快，經過刀具定額統計，每個刀片只能加工3～5個合格零件，這樣成本過高，以高額的刀具消耗來滿足生產需求。刀具計劃滿足不了現場生產任務，這種方法只能應急時使用，不是解決根本的方法。

B方案：對變形量摸索，以扣嚴公差方法保證。在A方案否定后，通過試驗摸索下GH696材料在時效前后的螺紋尺寸變化量，發現螺紋的變形量大于材料的收縮量，根據收集的數據決定將螺紋尺寸的下偏差提升0.05mm，我們通過派制了專用量具來控制螺紋加工尺寸，由于螺紋加工是在數控車床上完成，即使扣嚴0.05mm公差也能很容易加工。確定新方案后立即派制加急專用量具，量具到位后按照新方案加工一批零件，通過現場跟蹤與測量，記錄熱處理前后數據，熱處理前用新派制的專用塞規測量，熱處理后再用標準量規測量，測量后螺紋有時會出現塞規能擰入2～3個螺距，就無法繼續，這說明是不規則的變形，螺紋的無規律變形處于失控狀態，測量結果只有50%零件合格，這樣的合格率是不能滿足生產需求的，通過對零件的分析，不合格的原因在與螺紋牙尖處和牙底R處材料分布不均，造成材料的變形也不均勻，不同規格大小變化不一，而內螺紋涉及的參數太多，變形量不好衡量，這時造成了檢驗合格率低的主要原因。

C方案：粗加工后時效再精加工完成的方式。經過深入研究和探討，時效前內型面所有表面只留取0.1mm～0.2mm的加工余量，均未達到最終尺寸，取消原工藝路線中的中間檢驗既減少周轉時間，又降低鑒定成本。

方案確定之后，選定了某零件號，批次為09-07-1，采用新方案加工，內型面所有加工表面預留加工余量0.1mm，新工藝路線為：毛料-固溶處理-車外形-車內外型面-銑六方-鉆鎖絲孔-時效處理-精車內型面-最終檢驗-吹砂-鍍銀。

雖然車內型面余量只有0.1mm，但是零件經過時效后硬度提高，精車內型面時刀具磨損非常快，為優化刀具壽命，我們先從螺紋刀具切削用量的選擇方面入手，選擇切削用量就是根據切削條件和加工要求，確定合理的吃刀深度aP、進給量f和切削速度vC。所謂合理的切削用量，就是指在保證加工質量的前提下，能獲得較高生產效率和較低生產成本的切削用量。為優化刀具壽命，工件直徑應不超過螺紋的最大直徑0.12mm，也不能小于0.06mm，我們選擇連續遞減進刀，可獲得不變的切削面積的進給進行精加工。最后一次走刀可以是不進刀的空走刀，這是用于消除切削過程中的反彈。轉數最好為120r/min～ 180r/min，刀片應選擇為TiN、TiCN復合提高抗高溫氧化能力的帶-2°傾斜后角刀片，這樣的刀片消耗定額為0.08～0.12，精車時要嚴格按照刀具的消耗定額才能保證內型面的尺寸和光度，而且鍍銀時內型面均為加工表面，結合力好，鍍銀效果佳，最后該批零件全部合格交付，C方案試加工成功。

隨后，投產了同類外加螺母零件，批次09-11-1，與C方案試驗材料、形狀均相同，只有螺紋大小不一樣，攻關小組采用了C方案進行加工，零件合格率達到100%。解決時效變形的方法和加工參數得到實際驗證，并進行固化。

三、結果討論與分析

通過三個方案的試加工，分析總結如下：

A方案：采用特殊涂層的外購刀片加工時效后的零件，刀具磨損過于嚴重，加工的尺寸不穩定，刀具消耗定額過高，該方案的結論很不理想；

B方案：依據熱處理車間攻關的結論，確定螺紋尺寸的變化量，將螺紋尺寸的下偏差提升0.05mm，重新派制相應的量具，實際加工中仍存在50%的零件螺紋塞規無法完全通過，螺紋產生了不規則的變形，單純地調整螺紋的尺寸無法徹底解決變形問題；

C方案：先將內型面的加工表面預留0.1mm的余量，半成品時效后進行數控精車內型面，達到最終尺寸要求，不但零件質量提高，合格率直接提升至100%，鍍層結合力好，而且刀具消耗也在合理范圍內，加工參數也得到了優化。通過比較，C方案是解決問題的最佳方案。

結語

高溫合金螺母時效變形問題的徹底解決，消除了近幾年該類螺母的生產瓶頸，保證了批產任務的順利進行，將本由熱處理產生的不規則變形問題，通過機加工藝路線的合理調整，余量和加工參數的優化，在機加工藝中把問題解決。同時，正確、合理地選擇機夾刀具的涂層材料、進刀方式、切削用量等參數，將大大提高刀具耐用度，減少加工輔助時間，降低切削加工成本，提高設備利用率，提高企業經濟效益。

參考文獻

[1]李洪.機械加工工藝手冊（第1版）[M].北京：北京出版社，1990.

[2]何世禹.機械工程材料[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1995.

[3]劉杰華，任昭榮.金屬切削與刀具實用技術[M]：北京：國防工業出版社，2007.

[4]戴曙.金屬切削機床技術[M].北京：機械工業出版社，1993.