钛合金螺栓加工工艺改进

引言

钛合金材料具有比重小、强度高、耐腐蚀和耐热等优良特性，钛合金螺栓是钛合金材料在飞机上的典型应用。受设备能力及工艺水平的限制，以往钛合金螺栓加工采用两次热处理加工、六角车床丝锥攻丝内螺纹、外形轮廓均用常规设备加工完成，生产周期长，生产效率低，质量不稳定，质量一致性差。

1、钛合金螺栓现行工艺路线及存在的问题

钛合金螺栓材料为 TC16，结构是内、外螺纹形式的六角头螺栓。螺栓内螺纹规格 MJ5×0.8- 6H，深度16 mm；螺栓外螺纹规格 MJ10×1.5- 6e，螺栓光杆为Φ10+0.026。钛合金螺栓结构示意图见图 1。

1.1钛合金螺栓现行的加工工艺路线

下料—淬火热处理—吹砂—粗车外形—车端面，保证总长—铣六方面—钳工去毛刺—滚制螺纹—六角车工制螺纹底孔—时效热处理—六角车工制内螺纹—六角车工校正内螺纹（去除螺纹孔内残留物）—精车光杆—六角车工校正内螺纹—清洗—检验—入库。

1.2钛合金螺栓加工中存在的问题及其原因

1.2.1存在问题

1）内螺纹加工困难，经常折断丝锥；

2）内螺纹加工后碎屑残留在孔底和牙槽内，去除困难；

3）内螺纹深度一致性差，螺纹有效长度长短不一、废品率高；

4）加工设备多为普通常规设备，工序数量多，内容简单、分散，加工效率低；

5）两次热处理，周转时间长，加工周期不可控。

1.2.2原因

1）钛合金材料变形系数小，攻丝时扭矩大（约为普通材料的 2 倍）[1]，容易引起丝锥折断；攻丝时排屑不畅，退刀时阻力大，丝锥也易产生折断。

2）螺栓内螺纹规格 MJ5×0.8- 6H，深度 16 mm，长径比达到 3 倍以上，属于小规格细长盲孔内螺纹。

加工中冷却液很难进入切削区，切屑很难排出，造成碎屑残留在孔底和牙槽内；攻丝时，切屑是碎屑、不连续，也是引起碎屑残留的原因之一。

3）内螺纹是在老式六角车床丝上使用丝锥攻丝加工，六角车床没有进给刻度，内螺纹深度控制完全与工人的经验、手法有关，容易造成内螺纹深度一致性差，螺纹有效长度长短不一。

4）以往单位数控设备比较少，为了提高普通机床的加工效率，降低加工难度，每道工序加工内容设置比较简单。随着数控设备的增多，传统的工序安排已经不太适应加工需求。

5）两次热处理为第 1 次毛料淬火热处理，第 2 次半成品时效强化热处理。热处理工艺安排是沿用传统工艺，可降低机加过程对刀具性能的要求。随着数控设备以及机夹刀具的广泛应用，加工热处理强化后的钛合金材料已没太大难度，热处理工艺安排可相应改变。

2、具体改进措施

钛合金螺栓加工问题主要集中在两处：如何高质、高效地加工小规格细长内螺纹；如何更快、更便捷地加工和周转钛合金螺栓，提升效率。

2.1高质、高效加工小规格细长内螺纹

2.1.1丝锥加工内螺纹

在不改变现有内螺纹加工工艺方法的基础上，针对丝锥加工内螺纹出现的问题，从螺纹工艺底孔、丝锥结构、内螺纹深度与碎屑控制三方面作出改进。

1）螺纹工艺底孔。合适的螺纹工艺底孔对于内螺纹加工十分重要，一个尺寸稍大的螺纹工艺底孔能有效降低攻丝过程中产生的切削热和切削力。通过钛合金材料实验发现，用钻头钻螺纹底孔时，其孔径和钻头直径几乎相等。因此，在实际生产过程中尽量选用钻头尺寸在螺纹工艺底孔中差至上差范围内。钛合金螺栓内螺纹为加强螺纹，规格为 MJ5×0.8- 6H。根据航空标准，其螺纹工艺底孔在 Φ4.32～Φ4.46 mm 之间，实际生产中螺纹工艺底孔尽量选择在 Φ4.40～Φ4.46 mm 之间。考虑到采购钻头的通用性、经济型，选用 Φ4.40 mm 尺寸的通用钻头比较合适；如果可以采购特制专用钻头，可选用 Φ4.43 mm 尺寸的钻头。

2）丝锥结构。钛合金材料内螺纹加工过程中，丝锥折断的主要原因是切削扭矩大、排屑不畅阻力增大引起的扭矩增大，可通过改变丝锥结构来解决。内螺纹加工大多数采用直槽丝锥，攻丝加工中丝锥刃瓣（切削刃和校准部分）与金属材料接触，通过缩窄丝锥校准部分刃瓣宽度[2]，减小丝锥与金属材料接触面积来降低切削扭矩；同时缩窄丝锥校准部分刃瓣宽度，也可以增大容屑空间，减少排屑不畅带来的阻力扭矩。

丝锥结构改进如下：将丝锥刃瓣磨削去除 4/5 左右，保留切削刃和极少校准部分。为了不降低丝锥强度，刃瓣去除可以采用倒角形式。经过试验验证，MJ5×0.8- 6H 丝锥刃瓣宽度保留 0.4 mm 左右，刃瓣倒角按 35°角度去除的结构改进效果较佳。标准直槽丝锥槽型结构见图 2。改进后直槽丝锥槽型结构见图 3。

3）内螺纹深度与碎屑的控制。在六角车床上使用丝锥攻丝，若要很好地控制内螺纹的深度，可以在丝锥上人工标记，当丝锥达到标记的位置，及时停车后退。标记可以是带颜色的细线、铜丝，或是豁口。

由于六角车床切削液压力很低，无法高压冲洗碎屑，只能采用反复多次攻丝带出碎屑的方法解决。

2.1.2铣削加工内螺纹

改进丝锥结构形式，可以提高丝锥的寿命，但加工后碎屑排出需要反复攻丝去除，比较烦琐。所以尝试应用新的加工工艺方法———螺纹铣削来改进加工。

螺纹铣削是一种用螺纹铣刀切出零件螺纹的加工方法，加工中铣刀每螺旋铣削一周，同时在螺纹轴向方向上运动一个螺距。螺纹铣削具有加工效率高、螺纹质量高、刀具通用性好、加工安全性好等优点。

1）机床参数。螺纹铣削可以在数控铣床（三轴）或数控车床（带动力头）上操作。为了方便螺栓连续加工，采用带动力头的数控车床———ETC3650h。内螺纹铣削使用螺纹切削命令———CYCLE97，加工顺序为从外至内，逆铣加工。根据钛合金材料加工特性与所选刀具推荐的加工参数，结合内螺纹的结构特点，机床选用参数如下：数控车床主轴转速 25 r/min，铣刀转速3 000 r/min，螺距 0.8 mm，切削深度 0.34 mm。

2）螺纹铣刀选择。TC16 钛合金材料热处理强化后强度 бь≈1 150 MPa，螺纹铣刀制造材料选择硬质合金材料。螺纹铣刀按结构分为多齿螺纹铣刀、整体螺纹铣刀两种。由于加工零件的内螺纹 （MJ5×0.8- 6H，螺纹深度 16 mm，底孔深度 20 mm，盲孔），孔径比在 3 倍以上，属于小规格细长型内螺纹。整体螺纹铣刀在加工中受力较大，刀具会出现让刀现象，最后几扣螺纹质量难以保证，所以内螺纹加工选用刃部为三齿的螺纹铣刀。刀具长度在满足装夹和切削的情况下，刀具悬伸部分应尽量短，刀具直径应尽量大一些，比螺纹底孔略小即可，以增加刀具的刚性，减小加工过程中的振动。加工 MJ5×0.8- 6H 钛合金螺栓内螺纹螺纹铣刀几何尺寸：螺纹尺寸 M5×0.8，刃径 4.0mm，有效长度 20 mm，柄径 4 mm，全长 50 mm。三齿螺纹铣刀见图 4。

3）排屑方法。螺纹铣削是断屑切削，切屑短小。另外，铣刀直径比螺纹工艺底孔尺寸小，排屑也比较通畅。螺纹铣削完毕，螺纹铣刀退出零件，使用高压切削液冲洗即可将螺纹底部碎屑去除干净。

4）内螺纹深度控制。在数控车床上使用螺纹铣刀加工，内螺纹深度依靠数控程序控制。内螺纹加工后碎屑去除比较干净，消除了测量中的不良影响。内螺纹铣削加工，螺纹深度公差可以控制在 0.10 mm 以内，质量一致性良好。

2.2更快、更便捷加工和周转钛合金螺栓

现在零件的生产加工，已经开始广泛使用数控设备，可以充分利用数控机床的多功能，将工序内容集成、合并一起加工来提升加工效率、产品质量。同时随着数控设备以及机夹刀具的大量应用，热处理强化后的钛合金材料机械加工也已经没有太大难度，热处理工艺安排也可以相应改变以缩短周转时间。根据钛合金螺栓的结构形式，并结合生产单位的设备能力，对钛合金螺栓的加工工艺路线作出了优化。

钛合金螺栓优化改进后的加工工艺路线如下：下料—淬火、时效热处理—吹砂—精车外形—滚制螺纹—车端面、铣六方面、制螺纹底孔、铣螺纹（内螺纹采用丝锥攻丝加工时，需要单独 1 道攻丝工序）—钳工去毛刺—清洗—检验—入库。

工艺路线改进后，工序数量由原来的 17 道工序缩减为现在的 10 道工序（或 11 道工序），将原来工艺流程中零散的 6 道机加工序（端面加工、六方面加工、螺纹底孔加工、螺纹加工、2 次校正加工）集成在 1~2道工序内完成加工；减少 1 道热处理加工工序；减少1 道精车光杆工序。

3、技术改进效果

针对钛合金螺栓加工“如何高质、高效地加工小规格细长内螺纹”，“如何更快、更便捷的加工、周转，提升效率”两个主要问题，从螺纹工艺底孔、丝锥结构、螺纹加工方式、热处理工艺调整、流程内容优化等多个方面进行了改进，生产效率、合格率、生产周期等方面均取得了十分明显的效果，实施效果对比如表1所示。

4、结语

钛合金螺栓加工从加大固化螺纹工艺底孔尺寸、优化改进丝锥结构、调整内螺纹加工方式、调整热处理传统工艺、流程内容优化等多个方面进行了改进，有效地解决了钛合金螺栓加工过程中折丝锥、排屑困难、内螺纹深度一致性差、工序内容分散、生产周期长等问题，提高了产品质量稳定性和生产效率，缩短了加工周期，具有良好的经济性。

参考文献

[ 1]陈体康.加工钛合金内螺纹的丝锥优化设计[J].工具技术,2007，41（8）：67.

[ 2]张勇.小直径钛合金螺纹盲孔的攻丝方法[J].工具技术，2012（11）：70- 72.

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