高硬度材料小直径螺纹铣削技术

阿明哥哥资料区 2019-06-12

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作者：屈旭琪　李晓波　王联融　才冬涛

单位：山西航天清华装备有限责任公司

来源：《金属加工（冷加工）》2019年第5期

很多航天产品零件为了保证性能要求，大多选用高硬高强度材料。在加工某产品滑阀阀套（见图1）时，因该产品要与体积小、精度高的阀芯在随控阀装置中实现精密配合与特殊使用，因此，该零件选用20Cr作为原材料，并经过调质处理，处理后硬度为220～250HBW，再进行表面渗碳，渗碳深度为1.0～1.3mm，最后要求淬火表面硬度不小于400HV，冷处理-60℃保持2h后再进行M4盲孔螺纹孔的加工，面对高硬度材料的螺纹孔加工，传统加工方法已无法满足要求，因此，改进螺纹孔的加工方法势在必行。

1.高硬度材料螺纹加工现状及难点

在机械加工中，一般直径为M2～M8的螺纹孔用机用或手动丝锥进行机械加工或手工加工。目前，我公司针对M4的盲孔小螺纹加工依然是采用传统加工方法加工螺纹，先用钻头预钻出相应底孔，再用机用丝锥通过连续切削加工出内螺纹。螺纹加工属于比较困难的加工工序，因为攻螺纹是在孔的内部进行切削，丝锥处于半封闭状态，其每齿的加工负荷都比其他刀具大，而针对此高硬度难加工材料，分别采用硬质合金涂层丝锥和高速钢丝锥，在数控机床上加工该高硬材料M4螺纹。在用硬质合金涂层丝锥加工时，由于丝锥材料硬度高、脆性大，导致丝锥在刚切入工件时就崩碎；而在采用高速钢丝锥进行加工时，因其硬度较低，切入工件后切削刃急剧磨损，切削力过大导致断裂。在若干零件试件的试切加工中均未成功，产品合格率为零。而且在丝锥断裂后还需进行电火花清除断裂丝锥，电火花加工不当还会对螺纹的底孔侧壁、口部及螺纹造成不同程度的损伤，严重时甚至出现报废，不仅严重制约了生产进度，而且提高了加工成本。因此，探索高速、高效的高硬材料螺纹加工方法才能保证产品质量，提高生产效率，并降低加工成本。

2.螺纹铣削工艺分析

通过查阅资料，决定试验用螺纹铣削的方法来加工该零件高硬材料螺纹。

铣削的特征是：①铣刀各刀齿周期性地参与间断切削。②每个刀齿在切削过程中的切削厚度是变化的。③每齿进给量α_f（mm/齿），表示铣刀每转过一个刀齿的时间内工件的相对位移量。

螺纹铣削原理：螺纹铣削时圆周运动产生螺纹直径，同时垂直方向的移动，产生螺距。螺纹铣削是利用数控机床三轴联动功能，实现螺旋插补铣削，铣削是使用旋转的多刃刀具切削工件，是高效率的加工方法。工作时刀具旋转（作主运动），工件移动（作进给运动），工件也可以固定，但此时旋转的刀具还必须移动（同时完成主运动和进给运动）。该产品M4的盲孔螺纹加工深度为6mm，针对高硬度难加工材料攻螺纹断裂、无法一次性直接加工完成深度要求、丝锥在完成攻螺纹后需进行转轴停转反转退刀，导致生产时间较长的加工瓶颈，根据大直径螺纹铣削的经验，决定采用螺纹铣削进行加工可以更好的解决这一难题，因此，通过多次调查与研究，选用微型螺纹铣刀进行铣削，螺纹铣刀结构如图2所示，图3是其切削部分的放大图。

该刀具为整体硬质合金螺纹铣刀，有3个刀刃，为15°螺旋角，使用该刀具加工时只需要普通刀柄进行夹持便可直接进行铣削。在螺纹铣削时选用顺铣的铣削方式，切削平稳，表面质量较好，可减少刀具磨损。该螺纹铣削时可以通过宏程序的编制来简化程序的长度，确保程序的正确性，缩短检查程序的时间，并在程序中编写不同刀补号来进行螺纹孔的多次铣削加工，实现螺纹的少进给、高速度加工。

加工程序为：

TI M6;

G0 G40 G80 G90 ;

G0 G55 X0 Y0 ;

M13 S6300;

Z50;

Z5;

#1=-1.5;

N1 X0 Y0 ;

G0Z#1;

GI G42 D1 X2 F80;

G2 I-2 Z[#1-0.7] F200;

G0 G40 X0 Y0;

#1=#1-0.7;

IF[#1GE-6.3]GOTO1;

G0Z300;

M30;

3.工艺改进后的效果

因该产品硬度较高，在预钻底孔时采用硬质合金涂层进行钻削，涂层钻头在钻头表层有0.03～0.05mm的涂层，所以其切削性能很好，不易磨损，使用该刀具加工时不需要打中心孔，加工效率远高于普通钻头的3倍，底孔质量及孔壁表面质量更是得到了保证。经过现场试验，在使用图中螺纹铣刀加工时转速高达6 300r/min ，切削速度为180m/min，高速铣削螺纹仅需要30s就可一次性完成螺纹孔加工，且一把螺纹铣刀可铣削产品数量高达170件左右，表1、表2是关于微型螺纹铣刀在铣削时一些切削参数（仅供参考）。