中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所 （四川 綿陽(yáng) 621900） 黨洪生 張建敏

解決高比重合金零件小螺紋攻螺紋技術(shù)難題

中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所 （四川 綿陽(yáng) 621900） 黨洪生 張建敏

鎢基高比重合金具有較高的材料密度、強(qiáng)度、較好的韌性、優(yōu)良的耐腐蝕性和焊接性能等一系列特點(diǎn)，在科研生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛地運(yùn)用。但該材料切削性能較差使得在加工過(guò)程中加工周期長(zhǎng)、加工成本高、加工質(zhì)量不能得到有效的保證，尤其在加工M3以下小螺紋時(shí)，難度更大。本文結(jié)合我所的科研生產(chǎn)實(shí)例，通過(guò)對(duì)鎢基高比重合金切削加工性進(jìn)行分析，經(jīng)多次試驗(yàn)，總結(jié)出高比重合金零件小螺紋攻螺紋的技術(shù)措施，并在生產(chǎn)中得到成功運(yùn)用，效果明顯。

1.加工鎢基高比重合金零件小螺紋時(shí)遇到的難題及其原因分析

在鉗工手工加工M2螺紋時(shí)（見(jiàn)圖1），遇到絲錐崩齒或折斷、絲錐后刀面磨損過(guò)快等現(xiàn)象，在絲錐攻入零件深度3mm以上時(shí)發(fā)生被卡死現(xiàn)象，絲錐無(wú)法繼續(xù)攻入，退出也非常困難。上述困難使得生產(chǎn)幾乎無(wú)法繼續(xù)。

圖1 零件結(jié)構(gòu)示意圖

鎢基高比重合金是以鎢為基體并添加有Ni、Fe、Co、Mo、Cr等元素組成的高密度合金，材料采用粉末冶金方法制得，通過(guò)燒結(jié)使合金質(zhì)地致密，強(qiáng)度可達(dá)1200MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)700～1000MPa，其切削性能很差且無(wú)法進(jìn)行熱處理軟化退火，屬于難加工材料。

造成絲錐崩齒、折斷、絲錐后刀面磨損過(guò)快主要原因是：

（1）切削阻力大。由于鎢基高比重合金中的高密度組織——鎢相幾乎不發(fā)生塑性剪切變形，造成切削阻力太大，刀具磨損嚴(yán)重。

（2）加工過(guò)程中產(chǎn)生冷作硬化，進(jìn)一步增加切削阻力和加劇刀具磨損。鎢基高比重合金在切削過(guò)程中，加工表面層產(chǎn)生變形使晶體間產(chǎn)生剪切滑移，晶格嚴(yán)重扭曲，引起已加工表面的強(qiáng)度和硬度明顯提高，加工螺紋底孔和攻螺紋時(shí)采用的切削速度越高，材料的變形速度越快，產(chǎn)生的切削溫度越高硬化程度越嚴(yán)重；鎢基高比重合金在加工過(guò)程中在切削熱的作用下已加工表面會(huì)與空氣中的氧、氫、氮結(jié)合，產(chǎn)生一層很硬的金屬化合物，這是鎢基高比重合金切削過(guò)程中產(chǎn)生冷作硬化的另一重要原因。

（3）鎢基高比重合金在攻螺紋時(shí)絲錐易被卡死，是由于鎢基高比重合金材料組織非常致密、彈性模量太小，需克服的切削抗力太大，已加工螺紋表面會(huì)在絲錐齒側(cè)后面以及齒頂后面產(chǎn)生很大的法向夾緊力，從而造成絲錐攻入零件一定深度后產(chǎn)生卡死現(xiàn)象。

針對(duì)如上所述的原因分析，應(yīng)從絲錐的刀具材料、相關(guān)工序優(yōu)化、絲錐幾何角度的修磨、加工參數(shù)和攻螺紋潤(rùn)滑等方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以解決鎢基高比重合金零件小螺紋攻螺紋加工難題，提高生產(chǎn)效率。

2.解決技術(shù)難題的主要措施

（1）優(yōu)化相關(guān)工序加工參數(shù)，減少加工硬化，降低攻螺紋阻力。經(jīng)過(guò)對(duì)零件生產(chǎn)工序過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)：螺紋底孔的鉆削加工和攻螺紋切削速度過(guò)高是造成已加工表面的加工硬化的主要原因，使得后續(xù)工序加工切削阻力明顯增大。

為盡量減少螺紋底孔的加工硬化給攻螺紋工序帶來(lái)的切削力大的問(wèn)題，建議由數(shù)控加工中心采用穩(wěn)定的低速度并保持充足的切削液來(lái)完成螺紋底孔加工；攻螺紋過(guò)程中，也要盡量保持平穩(wěn)的低速手工攻螺紋，適當(dāng)使用專(zhuān)用攻絲油，減少攻螺紋熱量引起的加工硬化。

實(shí)踐證明，有效減小關(guān)聯(lián)工序的加工硬化，對(duì)降低阻力，減小絲錐磨損作用明顯。

（2）絲錐材料和類(lèi)型選用。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用普通的高速鋼無(wú)法在鎢基高比重合金上攻制較小的螺紋，必須采用強(qiáng)度高、耐磨性好的含釩類(lèi)優(yōu)質(zhì)高速鋼，如W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5CrV2Al。采用上述材料的絲錐經(jīng)熱處理后的硬度為50HRC左右，保證絲錐齒尖要有足夠的強(qiáng)度、韌性。

通過(guò)試驗(yàn)最終選用分量絲錐完成加工，在加工過(guò)程中采用三支一組的絲錐。分量絲錐分頭錐、二錐、三錐共3只絲錐，頭錐和二錐絲錐均有切削預(yù)留量，三錐最終完成螺紋整形加工。3只絲錐均承擔(dān)一定余量的切削加工，切削余量依次減少，確保3只絲錐承受的切削力均勻、適當(dāng)，不致操作者因切削力過(guò)大而不敢攻入或用力過(guò)大導(dǎo)致絲錐折斷（如圖2所示）。

圖2 分量絲錐工作示意圖

（3）絲錐幾何尺寸的刃磨優(yōu)化改進(jìn)。第一，修磨頭錐大徑、校準(zhǔn)部分及幾何角度。由于頭錐去除內(nèi)螺紋絕大部分材料，頭錐攻螺紋時(shí)遇到絲錐折斷、卡死等現(xiàn)象最為明顯，因此需修磨頭錐尺寸及角度。將頭錐的大徑減小，使絲錐齒高減小到原高度的1/2～2/3；同時(shí)，將大徑每個(gè)齒的后角α由0°加大到8°～10°，將切削錐角由6°修磨為15°～20°，將絲錐校準(zhǔn)部分的倒錐由100∶0.1修磨為100∶0.5。通過(guò)采取上述措施減少了絲錐后面與已加工表面接觸面積，可使攻螺紋轉(zhuǎn)矩減小45%，保證頭錐順利攻入，去除大部分切削余量（見(jiàn)圖3）。

第二，將二錐切削部分的后角加大，由2°～4°修磨為8°～15°，由此可以減小主切削力和摩擦力，攻螺紋時(shí)切削轉(zhuǎn)矩大幅下降。

最后，用三錐完成螺紋的整形加工，保證螺紋尺寸精度。

（4）切削用量與攻螺紋油的選擇。手工完成高比重合金材料小螺紋攻螺紋的切削用量選擇主要是控制切削速度，一般要求手攻速度低于1m/min，且保持平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，防止速度過(guò)快切削溫度過(guò)高，造成絲錐磨損過(guò)快或運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定造成絲錐折斷。

攻螺紋時(shí)應(yīng)使用合適的攻絲油。由于絲錐與切削材料成楔形接觸，絲錐三面被切削材料所包圍，切削力矩大且排屑較困難，熱量不能及時(shí)由切削帶走，絲錐極易磨損，尤其是加工高比重合金材料時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)崩刃或折斷。因此，要求攻絲油要同時(shí)具備較低的摩擦因數(shù)和較高的極壓性，一般應(yīng)選擇同時(shí)含有油性劑和極壓劑的復(fù)合攻絲油。目前，國(guó)際、國(guó)內(nèi)廠商均有相應(yīng)產(chǎn)品可供選擇。

圖3 頭錐修磨位置示意圖

3.采取技術(shù)措施收到的效果

攻關(guān)小組根據(jù)一年來(lái)總結(jié)的技術(shù)措施，固化了切削用量和絲錐的修磨角度等技術(shù)參數(shù)。實(shí)踐證明，在正確修磨絲錐的前提下，每副絲錐可以完成2～4個(gè)螺紋孔的加工，生產(chǎn)效率提高2倍以上，按生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)順利完成了該零件的手工攻螺紋任務(wù)。

4.結(jié)語(yǔ)

鎢基高比重合金是被運(yùn)用在科研生產(chǎn)中的一種高密度專(zhuān)用材料，但是由于其切削性能差，在小螺紋攻螺紋加工時(shí)（M3以下）時(shí)廢品率較高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本較高。通過(guò)對(duì)鎢基高比重合金材料性能的研究，通過(guò)采取優(yōu)化加工工藝、合理選用絲錐材料、改進(jìn)絲錐幾何尺寸和切削角度等技術(shù)措施，較好地解決了高比重合金材料小螺紋攻螺紋加工技術(shù)難題，產(chǎn)品的加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率明顯提高。另外，對(duì)類(lèi)似難加工材料小螺紋攻螺紋技術(shù)問(wèn)題的解決具有較好的借鑒作用。

20130509）