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鉬合金零件螺紋車削的兩種工藝方法

2017-1-10 來(lái)源：江南工業(yè)集團(tuán)有限公司作者：王海云李文平彭紅姚春臣常海段良

摘要：為解決TZM鉬合金件螺紋車削加工中刀具磨損、零件崩裂、掉扣等問(wèn)題，本文分別采用不同機(jī)床和不同加工工藝進(jìn)行了TZM鉬合金件螺紋切削加工對(duì)比試驗(yàn)，以及在刀具材料、刀具角度、切削用量等方面的改進(jìn)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，優(yōu)選出兩種分別適用于普通車床和數(shù)控車床較佳的工藝方法。試驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)應(yīng)用的情況表明，鉬合金件螺紋的這兩種車削加工工藝方法，都可以使切屑成形好，便于排屑，減少刀具磨損，防止螺紋崩裂、擠傷，從而獲得較理想的螺紋加工質(zhì)量和加工效率。

關(guān)鍵詞：鉬合金；TZM；螺紋車削；低速車削；高速車削；工藝方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，鉬及其鉬合金在軍工和民用產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但是，這些材料在切削加工中經(jīng)常發(fā)生刀具磨損、零件崩裂等問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低，特別是鉬合金零件的螺紋，過(guò)去采用磨削的方法加工，其加工效率太低，難以滿足生產(chǎn)需求，

圖1 某筒體零件結(jié)構(gòu)外形圖

而改用車削加工，則很容易出現(xiàn)崩裂、擠傷等問(wèn)題，導(dǎo)致報(bào)廢。因此，鉬合金螺紋的加工問(wèn)題成為當(dāng)時(shí)本單位機(jī)械加工中的技術(shù)瓶頸。為了解決這一問(wèn)題，確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，本單位以TZM 鉬合金為主，對(duì)鉬合金零件的螺紋車削工藝及其刀具進(jìn)行了一些改進(jìn)試驗(yàn)。

鉬的密度為10.22g/cm3，熔點(diǎn)為2625℃，屬于稀有高熔點(diǎn)金屬[1]。TZM 合金是鉬基高溫合金中的一種，含有0.40 ～ 0.60%Ti，0.06 ～ 0.12%Zr，0.01 ～ 0.04%C，屬于鉬鈦鋯合金[2]。TZM 合金具有熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、彈性模量高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗腐蝕能力強(qiáng)和高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。

1.零件介紹及加工難點(diǎn)

某筒體零件結(jié)構(gòu)外形如圖1 所示，材料為TZM棒料，零件長(zhǎng)160mm，壁厚2mm，右端外螺紋M36×1.5-6g, 由于材料本身的特點(diǎn), 該零件在加工過(guò)程中主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

1）加工過(guò)程中切削刀具磨損嚴(yán)重, 刀具損耗大，成本高；

2）零件容易產(chǎn)生崩裂、掉屑、擠傷、甚至?xí)嗔眩?/font>

3）零件表面質(zhì)量差, 螺紋掉扣嚴(yán)重；

4）在以往加工過(guò)程中，由于沒(méi)找到好的刀具材料和最佳切削參數(shù)，故一天只能加工少量產(chǎn)品，生產(chǎn)效率低。

2.鉬合金螺紋切削試驗(yàn)

為了解決鉬合金零件螺紋車削加工難的問(wèn)題，本文針對(duì)TZM 鉬合金零件的M36×1.5-6g 外螺紋，分別在普通車床和數(shù)控車床上，采用高速和低速切削螺紋兩種不同的方法進(jìn)行了多次切削加工試驗(yàn)。其不同切削加工方法及效果的對(duì)比見表1。從表1 可見，在普通車床上車制這種鉬合金螺紋時(shí)，要低速切削，速度低，切削沖擊力小， Vc 控制在20r/min ～ 30r/min，刀具牙型角要小于標(biāo)準(zhǔn)的60 o，選58.5 o ～ 59 o，前角γ 取5 o ～ 10 o，后角α 取10 o ～ 15 o，刀具必須鋒利，進(jìn)給量ap 控制在0.02 ～ 0.04mm。在數(shù)控車床上車制這種鉬合金螺紋時(shí)，要高速切削，采用斜進(jìn)法（按G72 指令編程），Vc 控制在1500 ～ 1800r/min 之間, 刀具采用肯納的NT2RKK5010 刀片，進(jìn)給量控制在0.015 ～ 0.02mm 之間。通過(guò)上述多次試驗(yàn)以及后來(lái)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，使本單位掌握了分別適用于普通車床和數(shù)控車床的兩種不同的TZM 鉬合金切削加工工藝。

3.普通車床低速車削螺紋工藝

這種工藝適用于在普通車床上車削TZM 鉬合金

表1 TZM 鉬合金螺紋的不同切削加工方法及效果的對(duì)比

3.1 刀具材料和形狀

車鉬合金材料上的螺紋用 YG 類硬質(zhì)合金，一般選用YG8、YG6X 焊接螺紋車刀。車刀的形狀被直接復(fù)制到工件上，因此刀具的形狀制作是否準(zhǔn)確很重要，若采用粗車和精車分別加工,可得到較理想的表面粗糙度和精度。粗車刀的牙型角常取58.5 ～ 59° , 比精車刀的牙型角要小1 ～ 1.5° ,用粗車刀車至牙深, 然后用精車刀車光螺紋2 個(gè)側(cè)面,既保護(hù)刀尖又省時(shí)。刃磨粗車螺紋刀時(shí), 不需刻意磨小刀尖角, 只需在開始車刀前角時(shí)適當(dāng)加大前角, 這樣既能達(dá)到排屑順利的目的, 又可減小牙型角。但前角加大, 楔角減小后, 車刀的強(qiáng)度就會(huì)降低, 所以后角要適當(dāng)減小, 這樣可彌補(bǔ)車刀強(qiáng)度的不足。粗車刀前角可以取大些 ( 5 ～ 10 ° )，其刀刃鋒利，便于排屑和減少切削阻力，切削輕快。精車刀，則必須保證前刀面和水平面平行，即徑向前角為 0°，以保證牙形角正確。

3.2 切削用量

螺紋加工要求主軸轉(zhuǎn)速和刀具進(jìn)給速度之間保持嚴(yán)格的速比關(guān)系。即主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具應(yīng)均勻地移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程的距離。刀具切削部分在螺紋加工時(shí)的工作條件非常惡劣，不僅切削力大，而且摩擦劇烈，發(fā)熱嚴(yán)重，刀具材料本身對(duì)切削線速度也有一定的限制。螺紋加工主軸轉(zhuǎn)速 Vc 控制在 20 ～ 40r/min 即可，進(jìn)刀量控制在0.02-0.04mm，可以分粗車、精車多次切削完成同一螺紋的加工。

4.數(shù)控車床高速車削螺紋工藝

這種工藝適用于在數(shù)控車床上車削TZM 鉬合金螺紋。

4.1 螺紋數(shù)控車削加工分析

由于數(shù)控機(jī)床本身有速度控制、位置控制和精度控制等方面的特點(diǎn)，故數(shù)控機(jī)床螺紋加工方式與傳統(tǒng)螺紋加工方式相比，在加工精度、加工效率等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1）直進(jìn)法：螺紋車刀X 向間歇進(jìn)給至牙深處。采用此種方法加工鉬合金螺紋時(shí)，螺紋車刀的三面都參與切削，導(dǎo)致加工排屑困難，切削力和切削熱增加，刀尖磨損嚴(yán)重，當(dāng)進(jìn)刀量過(guò)大時(shí)，還可能產(chǎn)生扎刀和爆刀現(xiàn)象。這種方法在數(shù)控車床上采用指令G92 來(lái)實(shí)現(xiàn)。很顯然，這種方法不可取。

2）斜進(jìn)法：螺紋車刀沿牙型角方向斜向間歇進(jìn)給至牙深處。

采用此種方法加工螺紋時(shí)，螺紋車刀始終只有一

圖2 斜進(jìn)法的螺紋循環(huán)加工吃刀深度分布情況

個(gè)側(cè)刃參加切削，從而使排屑比較順利，刀尖的受力和受熱情況有所改善，在車削時(shí)不易引起扎刀現(xiàn)象。這種方法在數(shù)控車床上采用指令G76 來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀方式。G76 通過(guò)多次螺紋粗車、精車完成規(guī)定牙高（總切深）的螺紋加工，如果定義的螺紋角度不為零，螺紋粗車的切入點(diǎn)由螺紋牙頂，逐步移至螺紋牙底，使得相鄰兩牙螺紋夾角為規(guī)定的螺紋角度，可實(shí)現(xiàn)單側(cè)刀刃螺紋切削，吃刀量逐漸減小，有利于保護(hù)刀具，提高螺紋精度。

4.2 G76 指令車削螺紋編程技巧

在G76 螺紋切削循環(huán)中，螺紋刀以斜進(jìn)的方式進(jìn)行螺紋切削，總的螺紋深度（牙高）一般以遞減方式分配。第一次切削時(shí)，背吃刀量為△ d，約為牙高的12%，第二次切削深度△ f，選擇較小的進(jìn)給量(0.015 ～ 0.025mm)，第n 次的切削深度為△ d+（n-1）△ f，每次循環(huán)的背吃刀量為△ f，最后精車0.01 mm左右, 分兩次光整。螺紋單刃切削如圖2 所示。

G76 指令編程如下:

T44 ；

M3 ；

GO X50 Z0 ；

G76 P02 0060 Q25 R10 ；

G76 X30.5 Z27 R0 P750 Q100 F1.5 ；

G0 Z30

5.工件和刀具裝夾

5.1 工件的裝夾　

TZM 合金材質(zhì)很脆，夾持零件時(shí)，力度要適中，受力均勻，用力過(guò)大或稍不注意，則導(dǎo)致其加工過(guò)程中出現(xiàn)裂紋。車削時(shí)，應(yīng)采用軟爪卡盤， TZM 合金零件可選用扇形爪，可增大與工件接觸面積而使工件受力均勻，車削軟爪的直徑最好與被裝夾工件直徑一致，或大或小，都不能保證裝夾精度，一般卡爪車削直徑比工件直徑大0.1 ～ 0.15mm。

除了工件安裝要牢固、平穩(wěn)，還要考慮工件本身的剛性。剛性不足，則不能承受車削時(shí)的切削力，產(chǎn)生過(guò)大的撓度，改變了車刀與工件的中心高度，工件被抬高了，形成切削深度突增，會(huì)出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)把工件裝夾牢固，可使用尾座頂尖等，以增加工件剛性。

5.2 刀具安裝

在安裝螺紋車刀時(shí)，要盡量減少伸出長(zhǎng)度，防止刀桿剛性不足而產(chǎn)生振動(dòng)。刀桿要垂直于主軸方向，保證牙型準(zhǔn)確對(duì)稱。理論上螺紋車刀安裝高度要與回轉(zhuǎn)軸線等高，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象，安裝過(guò)高，吃刀到一定深度時(shí)，后刀面會(huì)頂住工件，增大摩擦力，甚至把工件頂彎，造成扎刀；安裝過(guò)低，則切屑不易排出，車刀徑向力的方向是工件中心，加上橫進(jìn)絲杠與螺母間隙的影響，致使吃刀深度不斷自動(dòng)趨向加深，從而把工件頂起，出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象。加工過(guò)程中，粗車、半精車時(shí)理想的刀尖位置是比工件中心略高 0.1 ～ 0.3 mm ，精車時(shí)則應(yīng)力求使刀尖和螺紋中心等高。

6.應(yīng)用效果

上述兩種工藝方法，分別解決了在普通車床和在數(shù)控車床上加工TZM 鉬合金螺紋的崩裂、掉屑、擠傷、掉扣等質(zhì)量問(wèn)題，現(xiàn)都已應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)。用普通車床加工TZM 鉬合金螺紋，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)比磨削加工螺紋高，而數(shù)控車床加工的效率則更高，由于既可以用普通車床加工，又可以用數(shù)控車床加工，更便于生產(chǎn)管理人員安排生產(chǎn)，確保了產(chǎn)品加工任務(wù)按期完成。圖2 斜進(jìn)法的螺紋循環(huán)加工吃刀深度分布情況

上述兩種工藝方法，還可以推廣應(yīng)用于鉬和其它某合金螺紋的加工。

7.結(jié)束語(yǔ)

TZM 鉬合金螺紋的不同切削加工機(jī)床和不同加工工藝對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，普通車床低速螺紋車削工藝方法和數(shù)控車床高速斜進(jìn)式螺紋車削工藝方法，都可以使切屑成形好，便于排屑，減少刀具磨損，防止螺紋崩裂、擠傷，從而確保和提高螺紋加工質(zhì)量。生產(chǎn)應(yīng)用的情況說(shuō)明，上述兩種鉬合金車削加工方法，解決了TZM 鉬合金螺紋車削加工的技術(shù)和質(zhì)量問(wèn)題，而且加工效率比磨削高，又便于安排生產(chǎn)，有利于加快生產(chǎn)進(jìn)度。

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