鈦合金螺栓加工工藝改進

夏春和

（沈陽飛機工業（集團）有限公司， 遼寧 沈陽 110850）

引言

鈦合金材料具有比重小、強度高、耐腐蝕和耐熱等優良特性，鈦合金螺栓是鈦合金材料在飛機上的典型應用。受設備能力及工藝水平的限制，以往鈦合金螺栓加工采用兩次熱處理加工、六角車床絲錐攻絲內螺紋、外形輪廓均用常規設備加工完成，生產周期長，生產效率低，質量不穩定，質量一致性差。

1 鈦合金螺栓現行工藝路線及存在的問題

鈦合金螺栓材料為TC16，結構是內、外螺紋形式的六角頭螺栓。螺栓內螺紋規格MJ5×0.8-6H，深度16 mm；螺栓外螺紋規格MJ10×1.5-6e，螺栓光桿為Φ10+0.026。鈦合金螺栓結構示意圖見圖1。

圖1 鈦合金螺栓結構示意圖（單位：mm）

1.1 鈦合金螺栓現行的加工工藝路線

下料—淬火熱處理—吹砂—粗車外形—車端面，保證總長—銑六方面—鉗工去毛刺—滾制螺紋—六角車工制螺紋底孔—時效熱處理—六角車工制內螺紋—六角車工校正內螺紋（去除螺紋孔內殘留物）—精車光桿—六角車工校正內螺紋—清洗—檢驗—入庫。

1.2 鈦合金螺栓加工中存在的問題及其原因

1.2.1 存在問題

1）內螺紋加工困難，經常折斷絲錐；

2）內螺紋加工后碎屑殘留在孔底和牙槽內，去除困難；

3）內螺紋深度一致性差，螺紋有效長度長短不一、廢品率高；

4）加工設備多為普通常規設備，工序數量多，內容簡單、分散，加工效率低；

5）兩次熱處理，周轉時間長，加工周期不可控。

1.2.2 原因

1）鈦合金材料變形系數小，攻絲時扭矩大（約為普通材料的2 倍）[1]，容易引起絲錐折斷；攻絲時排屑不暢，退刀時阻力大，絲錐也易產生折斷。

2）螺栓內螺紋規格MJ5×0.8-6H，深度 16 mm，長徑比達到3 倍以上，屬于小規格細長盲孔內螺紋。加工中冷卻液很難進入切削區，切屑很難排出，造成碎屑殘留在孔底和牙槽內；攻絲時，切屑是碎屑、不連續，也是引起碎屑殘留的原因之一。

3）內螺紋是在老式六角車床絲上使用絲錐攻絲加工，六角車床沒有進給刻度，內螺紋深度控制完全與工人的經驗、手法有關，容易造成內螺紋深度一致性差，螺紋有效長度長短不一。

4）以往單位數控設備比較少，為了提高普通機床的加工效率，降低加工難度，每道工序加工內容設置比較簡單。隨著數控設備的增多，傳統的工序安排已經不太適應加工需求。

5）兩次熱處理為第1 次毛料淬火熱處理，第2 次半成品時效強化熱處理。熱處理工藝安排是沿用傳統工藝，可降低機加過程對刀具性能的要求。隨著數控設備以及機夾刀具的廣泛應用，加工熱處理強化后的鈦合金材料已沒太大難度，熱處理工藝安排可相應改變。

2 具體改進措施

鈦合金螺栓加工問題主要集中在兩處：如何高質、高效地加工小規格細長內螺紋；如何更快、更便捷地加工和周轉鈦合金螺栓，提升效率。

2.1 高質、高效加工小規格細長內螺紋

2.1.1 絲錐加工內螺紋

在不改變現有內螺紋加工工藝方法的基礎上，針對絲錐加工內螺紋出現的問題，從螺紋工藝底孔、絲錐結構、內螺紋深度與碎屑控制三方面作出改進。

1）螺紋工藝底孔。合適的螺紋工藝底孔對于內螺紋加工十分重要，一個尺寸稍大的螺紋工藝底孔能有效降低攻絲過程中產生的切削熱和切削力。通過鈦合金材料實驗發現，用鉆頭鉆螺紋底孔時，其孔徑和鉆頭直徑幾乎相等。因此，在實際生產過程中盡量選用鉆頭尺寸在螺紋工藝底孔中差至上差范圍內。鈦合金螺栓內螺紋為加強螺紋，規格為MJ5×0.8-6H。根據航空標準，其螺紋工藝底孔在Φ4.32～Φ4.46 mm 之間，實際生產中螺紋工藝底孔盡量選擇在Φ4.40～Φ4.46 mm 之間。考慮到采購鉆頭的通用性、經濟型，選用Φ4.40 mm 尺寸的通用鉆頭比較合適；如果可以采購特制專用鉆頭，可選用Φ4.43 mm 尺寸的鉆頭。

2）絲錐結構。鈦合金材料內螺紋加工過程中，絲錐折斷的主要原因是切削扭矩大、排屑不暢阻力增大引起的扭矩增大，可通過改變絲錐結構來解決。內螺紋加工大多數采用直槽絲錐，攻絲加工中絲錐刃瓣（切削刃和校準部分）與金屬材料接觸，通過縮窄絲錐校準部分刃瓣寬度[2]，減小絲錐與金屬材料接觸面積來降低切削扭矩；同時縮窄絲錐校準部分刃瓣寬度，也可以增大容屑空間，減少排屑不暢帶來的阻力扭矩。

絲錐結構改進如下：將絲錐刃瓣磨削去除4/5 左右，保留切削刃和極少校準部分。為了不降低絲錐強度，刃瓣去除可以采用倒角形式。經過試驗驗證，MJ5×0.8-6H 絲錐刃瓣寬度保留0.4 mm 左右，刃瓣倒角按35°角度去除的結構改進效果較佳。標準直槽絲錐槽型結構見圖2。改進后直槽絲錐槽型結構見圖3。

圖2 標準直槽絲錐槽型結構（單位:mm）

圖3 改進后直槽絲錐槽型結構（單位:mm）

3）內螺紋深度與碎屑的控制。在六角車床上使用絲錐攻絲，若要很好地控制內螺紋的深度，可以在絲錐上人工標記，當絲錐達到標記的位置，及時停車后退。標記可以是帶顏色的細線、銅絲，或是豁口。

由于六角車床切削液壓力很低，無法高壓沖洗碎屑，只能采用反復多次攻絲帶出碎屑的方法解決。

2.1.2 銑削加工內螺紋

改進絲錐結構形式，可以提高絲錐的壽命，但加工后碎屑排出需要反復攻絲去除，比較煩瑣。所以嘗試應用新的加工工藝方法——螺紋銑削來改進加工。螺紋銑削是一種用螺紋銑刀切出零件螺紋的加工方法，加工中銑刀每螺旋銑削一周，同時在螺紋軸向方向上運動一個螺距。螺紋銑削具有加工效率高、螺紋質量高、刀具通用性好、加工安全性好等優點。

1）機床參數。螺紋銑削可以在數控銑床（三軸）或數控車床（帶動力頭）上操作。為了方便螺栓連續加工，采用帶動力頭的數控車床——ETC3650h。內螺紋銑削使用螺紋切削命令——CYCLE97，加工順序為從外至內，逆銑加工。根據鈦合金材料加工特性與所選刀具推薦的加工參數，結合內螺紋的結構特點，機床選用參數如下：數控車床主軸轉速25 r/min，銑刀轉速3 000 r/min，螺距0.8 mm，切削深度0.34 mm。

2）螺紋銑刀選擇。TC16 鈦合金材料熱處理強化后強度бь≈1 150 MPa，螺紋銑刀制造材料選擇硬質合金材料。螺紋銑刀按結構分為多齒螺紋銑刀、整體螺紋銑刀兩種。由于加工零件的內螺紋（MJ5×0.8-6H，螺紋深度16 mm，底孔深度20 mm，盲孔），孔徑比在3 倍以上，屬于小規格細長型內螺紋。整體螺紋銑刀在加工中受力較大，刀具會出現讓刀現象，最后幾扣螺紋質量難以保證，所以內螺紋加工選用刃部為三齒的螺紋銑刀。刀具長度在滿足裝夾和切削的情況下，刀具懸伸部分應盡量短，刀具直徑應盡量大一些，比螺紋底孔略小即可，以增加刀具的剛性，減小加工過程中的振動。加工MJ5×0.8-6H 鈦合金螺栓內螺紋螺紋銑刀幾何尺寸：螺紋尺寸M5×0.8，刃徑4.0 mm，有效長度20 mm，柄徑4 mm，全長50 mm。三齒螺紋銑刀見圖4。

圖4 三齒螺紋銑刀

3）排屑方法。螺紋銑削是斷屑切削，切屑短小。另外，銑刀直徑比螺紋工藝底孔尺寸小，排屑也比較通暢。螺紋銑削完畢，螺紋銑刀退出零件，使用高壓切削液沖洗即可將螺紋底部碎屑去除干凈。

4）內螺紋深度控制。在數控車床上使用螺紋銑刀加工，內螺紋深度依靠數控程序控制。內螺紋加工后碎屑去除比較干凈，消除了測量中的不良影響。內螺紋銑削加工，螺紋深度公差可以控制在0.10 mm 以內，質量一致性良好。

2.2 更快、更便捷加工和周轉鈦合金螺栓

現在零件的生產加工，已經開始廣泛使用數控設備，可以充分利用數控機床的多功能，將工序內容集成、合并一起加工來提升加工效率、產品質量。同時隨著數控設備以及機夾刀具的大量應用，熱處理強化后的鈦合金材料機械加工也已經沒有太大難度，熱處理工藝安排也可以相應改變以縮短周轉時間。根據鈦合金螺栓的結構形式，并結合生產單位的設備能力，對鈦合金螺栓的加工工藝路線作出了優化。

鈦合金螺栓優化改進后的加工工藝路線如下：下料—淬火、時效熱處理—吹砂—精車外形—滾制螺紋—車端面、銑六方面、制螺紋底孔、銑螺紋（內螺紋采用絲錐攻絲加工時，需要單獨1 道攻絲工序）—鉗工去毛刺—清洗—檢驗—入庫。

工藝路線改進后，工序數量由原來的17 道工序縮減為現在的10 道工序（或11 道工序），將原來工藝流程中零散的6 道機加工序（端面加工、六方面加工、螺紋底孔加工、螺紋加工、2 次校正加工）集成在1～2道工序內完成加工；減少1 道熱處理加工工序；減少1 道精車光桿工序。

3 技術改進效果

針對鈦合金螺栓加工“如何高質、高效地加工小規格細長內螺紋”，“如何更快、更便捷的加工、周轉，提升效率”兩個主要問題，從螺紋工藝底孔、絲錐結構、螺紋加工方式、熱處理工藝調整、流程內容優化等多個方面進行了改進，生產效率、合格率、生產周期等方面均取得了十分明顯的效果，實施效果對比如表1所示。

表1 實施效果對比

4 結語

鈦合金螺栓加工從加大固化螺紋工藝底孔尺寸、優化改進絲錐結構、調整內螺紋加工方式、調整熱處理傳統工藝、流程內容優化等多個方面進行了改進，有效地解決了鈦合金螺栓加工過程中折絲錐、排屑困難、內螺紋深度一致性差、工序內容分散、生產周期長等問題，提高了產品質量穩定性和生產效率，縮短了加工周期，具有良好的經濟性。