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【摘 要】本文对MJ螺纹特殊结构和钛合金的机械加工进行了分析，针对盲孔螺纹的加工问题及生产刀具开展了工艺研究，通过探索明确了解决问题的方法，消除可能造成质量问题的各种因素，使MJ高强度螺纹得以在产品结构上实现。本文的研究对于钛合金材质内螺纹的加工具有实际意义，可推广于各种钛合金材料零件的制造。
【关键词】钛合金 MJ高强度螺纹 刀具 加工试验
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-047-01
0 引言
钛合金具有比重小，强度高，热能性好，300℃-400℃都有极高的比强度、耐高温、高韧性、较宽的工作温度范围和抗疲劳性好等优点，尤其是具有优异的抗腐蚀性能， 在航空航天领域发挥了很好的作用。但是钛合金材料的导热系数小、弹性模量低、化学活性高，机械加工困难。
1 现状分析
（1）螺纹的连接与紧固是产品结构中最常用最重要的一种方式，是整合零件和对外接口的灵魂，尤其是支架结构，详见图1：
从图1所示， 支架主要靠上下几枚螺钉紧固，形成整体来完成使用功能，为达到产品强度要求，采用MJ米制螺纹紧固件，该螺纹具有以下优点：a.强度高、重量轻、强度等级一般在900MPa以上，最高可达1800MPa；b.精度高，防松性能好，可靠性高；c.适应环境复杂，包括狭小的装配空间、大气环境、水下环境、太空环境等。
（2）针对钛合金MJ盲孔螺纹的加工，最具有代表性的零件是支架连接条，以此为例来作分析研究。零件结构图见图2：
零件材料：TC4R 轧 GB/T2965-1996
研究对象：内螺纹盲孔MJ5×0.8-4H6H， MJ6×1-4H6H。
现行加工中，用普通钻头钻底孔后，先头攻再二攻，或直接上二攻、干攻或加冷却液攻丝，丝锥均有跳动，口部晃动厉害， 形成喇叭口。攻丝中进易退难，排屑不畅， 由于根部很紧，在退刀时阻力大，卡得很紧， 丝锥易被拧断。丝锥头部磨损快，损耗大。攻后用陕西航空安峰精密机床厂专用MJ塞规检，都出现了口部止规过3牙以上，根部很紧，通规不过，拧不到位的情况。清除毛刺切屑后回攻，则出现通止规都过的情况。
因为螺纹盲孔狭窄细长，孔深不通，内部存在很多不可定因素，尤其是螺纹牙根底，刀具嵌入基体后，发生切削，散热差和排屑困难是大家所共知的，加之钛合金的导热系数小，在加工钛合金时切削温度高， 在相同条件下， 加工TC4的切削温度比45号钢高出1倍以上，加工时产生的热量很难通过工件释放； 钛合金的比热小， 加工时局部温度上升快， 因此， 造成刀具温度很高， 刀尖急剧磨损， 使用寿命降低。钛合金弹性模量低， 使已加工表面容易产生回弹， 特别是深孔零件的加工回弹更为严重， 易引起刀具后刀面与已加工表面产生强烈摩擦， 从而磨损刀具和崩刃。钛合金化学活性很强， 高温下易与氧、氢、氮发生作用，形成高硬度的的富氧层，难于加工。所以钛合金的MJ盲孔螺纹的机械加工是有待研究解决的主要问题。
2工艺技术研究
2.1 MJ螺纹与普通螺纹的结构分析与比较
（a）MJ螺纹是一种“螺纹牙底圆弧半径加大并受控”的米制螺纹， “M”表示米制， 以“J”字形表示螺纹牙底形状。加大螺纹牙底圆弧半径，是为了减少螺纹承载的应力集中，提高螺纹的抗疲劳寿命。这种螺纹的抗疲劳寿命是普通螺纹的两倍以上，所以MJ螺纹又称“抗疲劳螺纹”。
（b）普通螺纹的基本牙型如下图：
螺纹的基本牙型是指截去原始三角形顶部H/8和底部H/4后所形成的牙形。普通螺纹的原始三角形为等边三角形。见图4。
MJ螺纹的基本牙型与普通螺纹相比，区别是螺纹小径的削平高度由H/4增大到5H/16。这是由于相应外螺纹的牙底采用了最大圆弧半径（0.18042P， P是螺距）的结果。见图5。
图3 普通螺纹基本牙型
图4 MJ螺纹基本牙型
（c）螺纹的实体牙型如下图：
图5 普通螺纹实体牙型
图6 MJ螺纹实体牙型
（d）普通螺纹的承载应力截面积少，所能承受的拉力载荷值降低，螺旋升角大，自锁性能不理想。而MJ螺纹的小径因牙底圆弧半径的加大而变大，再加上应力面积计算公式的差异，使得MJ螺纹的抗拉能力有了一定的提高。 MJ螺纹的全部牙底圆弧形状，包括不完整螺纹的收尾，都必须圆滑过渡，而且圆弧的曲率半径都不能小于0.15011P。 所以抗疲劳强度高是MJ螺纹最显著的特点。
那么，钛合金材质的MJ螺纹优越的特殊结构形状怎么加工实现呢？
2.2 刀具的几何参数
（1） 钻头：
针对MJ螺纹结构，钻螺纹底孔的钻头的设计要保证排屑流畅， 为了保证良好的排屑和冷却， 采用较大的螺旋角为25°～30°， 钻头螺旋槽要求抛光处理，钻芯厚度为钻头直径的1 /4。为了使钻头有足够的强度和定心作用， 可根据实际情况修磨横刃。为了增大切削厚度和切削宽度，钻头顶角为135°～140°（通常为118°）， 钻头后角为12°～15°。
图7 普通麻花钻头结构
（2） 丝锥：
攻丝是在半封闭状态切削，切削液难以达到切削区， 散热及润滑效果差。由于钛合金弹性模数小， 切削时回弹大， 易出现 “抱锥”， 使摩擦扭矩增大， 而造成丝锥崩齿或扭断。解决上述问题， 需选择合适的几何参数。前角为7°～10°， 切削锥部分后角为6°～12°， 校正齿型面铲后角1°， 切削锥角5°～7°30′。M6以下螺纹的攻丝宜采用切削锥7°30′的修正齿丝锥。丝锥结构图如下
3 切削加工试验
（1） 钻削（加工螺纹底孔）：
钛合金钻削比较困难， 常在加工过程中出现烧刀和断钻现象。这主要是由于钻头刃磨不良， 排屑不及时， 冷却不佳以及工艺系统刚性差等原因造成的。所以在钻削时应注意。采用全磨制精度高的含钴高速钢钻头打螺纹底孔，钻尖形式很锋利，连续加工，勤退刀， 减少钻刃摩擦加工表面， 造成加工硬化，使钻头变钝，影响后续攻丝不到位，通规发紧情况；并及时清除切屑， 注意切屑的形状和颜色，加足切削液。
图8 丝锥结构
图9 普通机用丝锥
（2） 攻丝（加工盲孔螺纹）：
试攻MJ螺纹孔时，出现稍微掉牙和表面粗糙度值高，并且加工后的螺纹出现通规无法通过的情况，刀具磨损加快，均匀加工15-30件就需换刀，针对现场情况，进行了改进：a.选用优良的丝锥材料，改进螺旋槽对盲孔排屑好， 具有可靠的断屑措施；b.考虑将螺纹底孔直径控制在上限，以减少丝锥的磨损量；c.对已经磨损过的丝锥，重新修磨后进行表面涂覆处理；d.并采用新丝锥中径加大0.01mm的方法，丝锥寿命有了大幅进步；e.作跳牙处理减少工件与工具间的摩擦， 保证理想的导向部分长度，加粗刀柄，增加强度， 解决丝锥单薄被拉断，进易退难，排屑不畅的问题；f.为保证内外螺纹的实体牙型高精度的螺纹配合副，和盲孔螺纹的牙顶削平高度要求，选用一攻到位的丝锥， 齿数应较标准丝锥少， 一般为2 ～3 齿。切削锥角宜大， 锥度部分一般为3～4扣螺纹长度。为便于排屑， 还可在切削锥部分磨出负倾角。尽量选用短丝锥以增加丝锥刚性。
图10 钛合金MJ螺纹丝锥
4 研究结论
通过对MJ螺纹特殊结构的分析和对钛合金的机械加工的研究，得出以下结论：加工钛合金MJ盲孔螺纹，要求刀具材料散热性好， 抗高温性能好；要求刀具几何参数合理；要求加工过程必须充分冷却；经过实际加工，使MJ螺纹得以在产品上实现。 本文对实际生产具有适用价值，可推广于各种钛合金材料零件的制造。
参考文献：
[1]《钛合金切削加工刀具材料选用与加工工艺方法》. 2000 （5） ，湖北航天科技
[2]《用于钛合金零件加工的机床与刀具》. 2001，航空制造技术， 增刊.
【关键词】钛合金 MJ高强度螺纹 刀具 加工试验
中图分类号：TD353.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-047-01
0 引言
钛合金具有比重小，强度高，热能性好，300℃-400℃都有极高的比强度、耐高温、高韧性、较宽的工作温度范围和抗疲劳性好等优点，尤其是具有优异的抗腐蚀性能， 在航空航天领域发挥了很好的作用。但是钛合金材料的导热系数小、弹性模量低、化学活性高，机械加工困难。
1 现状分析
（1）螺纹的连接与紧固是产品结构中最常用最重要的一种方式，是整合零件和对外接口的灵魂，尤其是支架结构，详见图1：
从图1所示， 支架主要靠上下几枚螺钉紧固，形成整体来完成使用功能，为达到产品强度要求，采用MJ米制螺纹紧固件，该螺纹具有以下优点：a.强度高、重量轻、强度等级一般在900MPa以上，最高可达1800MPa；b.精度高，防松性能好，可靠性高；c.适应环境复杂，包括狭小的装配空间、大气环境、水下环境、太空环境等。
（2）针对钛合金MJ盲孔螺纹的加工，最具有代表性的零件是支架连接条，以此为例来作分析研究。零件结构图见图2：
零件材料：TC4R 轧 GB/T2965-1996
研究对象：内螺纹盲孔MJ5×0.8-4H6H， MJ6×1-4H6H。
现行加工中，用普通钻头钻底孔后，先头攻再二攻，或直接上二攻、干攻或加冷却液攻丝，丝锥均有跳动，口部晃动厉害， 形成喇叭口。攻丝中进易退难，排屑不畅， 由于根部很紧，在退刀时阻力大，卡得很紧， 丝锥易被拧断。丝锥头部磨损快，损耗大。攻后用陕西航空安峰精密机床厂专用MJ塞规检，都出现了口部止规过3牙以上，根部很紧，通规不过，拧不到位的情况。清除毛刺切屑后回攻，则出现通止规都过的情况。
因为螺纹盲孔狭窄细长，孔深不通，内部存在很多不可定因素，尤其是螺纹牙根底，刀具嵌入基体后，发生切削，散热差和排屑困难是大家所共知的，加之钛合金的导热系数小，在加工钛合金时切削温度高， 在相同条件下， 加工TC4的切削温度比45号钢高出1倍以上，加工时产生的热量很难通过工件释放； 钛合金的比热小， 加工时局部温度上升快， 因此， 造成刀具温度很高， 刀尖急剧磨损， 使用寿命降低。钛合金弹性模量低， 使已加工表面容易产生回弹， 特别是深孔零件的加工回弹更为严重， 易引起刀具后刀面与已加工表面产生强烈摩擦， 从而磨损刀具和崩刃。钛合金化学活性很强， 高温下易与氧、氢、氮发生作用，形成高硬度的的富氧层，难于加工。所以钛合金的MJ盲孔螺纹的机械加工是有待研究解决的主要问题。
2工艺技术研究
2.1 MJ螺纹与普通螺纹的结构分析与比较
（a）MJ螺纹是一种“螺纹牙底圆弧半径加大并受控”的米制螺纹， “M”表示米制， 以“J”字形表示螺纹牙底形状。加大螺纹牙底圆弧半径，是为了减少螺纹承载的应力集中，提高螺纹的抗疲劳寿命。这种螺纹的抗疲劳寿命是普通螺纹的两倍以上，所以MJ螺纹又称“抗疲劳螺纹”。
（b）普通螺纹的基本牙型如下图：
螺纹的基本牙型是指截去原始三角形顶部H/8和底部H/4后所形成的牙形。普通螺纹的原始三角形为等边三角形。见图4。
MJ螺纹的基本牙型与普通螺纹相比，区别是螺纹小径的削平高度由H/4增大到5H/16。这是由于相应外螺纹的牙底采用了最大圆弧半径（0.18042P， P是螺距）的结果。见图5。
图3 普通螺纹基本牙型
图4 MJ螺纹基本牙型
（c）螺纹的实体牙型如下图：
图5 普通螺纹实体牙型
图6 MJ螺纹实体牙型
（d）普通螺纹的承载应力截面积少，所能承受的拉力载荷值降低，螺旋升角大，自锁性能不理想。而MJ螺纹的小径因牙底圆弧半径的加大而变大，再加上应力面积计算公式的差异，使得MJ螺纹的抗拉能力有了一定的提高。 MJ螺纹的全部牙底圆弧形状，包括不完整螺纹的收尾，都必须圆滑过渡，而且圆弧的曲率半径都不能小于0.15011P。 所以抗疲劳强度高是MJ螺纹最显著的特点。
那么，钛合金材质的MJ螺纹优越的特殊结构形状怎么加工实现呢？
2.2 刀具的几何参数
（1） 钻头：
针对MJ螺纹结构，钻螺纹底孔的钻头的设计要保证排屑流畅， 为了保证良好的排屑和冷却， 采用较大的螺旋角为25°～30°， 钻头螺旋槽要求抛光处理，钻芯厚度为钻头直径的1 /4。为了使钻头有足够的强度和定心作用， 可根据实际情况修磨横刃。为了增大切削厚度和切削宽度，钻头顶角为135°～140°（通常为118°）， 钻头后角为12°～15°。
图7 普通麻花钻头结构
（2） 丝锥：
攻丝是在半封闭状态切削，切削液难以达到切削区， 散热及润滑效果差。由于钛合金弹性模数小， 切削时回弹大， 易出现 “抱锥”， 使摩擦扭矩增大， 而造成丝锥崩齿或扭断。解决上述问题， 需选择合适的几何参数。前角为7°～10°， 切削锥部分后角为6°～12°， 校正齿型面铲后角1°， 切削锥角5°～7°30′。M6以下螺纹的攻丝宜采用切削锥7°30′的修正齿丝锥。丝锥结构图如下
3 切削加工试验
（1） 钻削（加工螺纹底孔）：
钛合金钻削比较困难， 常在加工过程中出现烧刀和断钻现象。这主要是由于钻头刃磨不良， 排屑不及时， 冷却不佳以及工艺系统刚性差等原因造成的。所以在钻削时应注意。采用全磨制精度高的含钴高速钢钻头打螺纹底孔，钻尖形式很锋利，连续加工，勤退刀， 减少钻刃摩擦加工表面， 造成加工硬化，使钻头变钝，影响后续攻丝不到位，通规发紧情况；并及时清除切屑， 注意切屑的形状和颜色，加足切削液。
图8 丝锥结构
图9 普通机用丝锥
（2） 攻丝（加工盲孔螺纹）：
试攻MJ螺纹孔时，出现稍微掉牙和表面粗糙度值高，并且加工后的螺纹出现通规无法通过的情况，刀具磨损加快，均匀加工15-30件就需换刀，针对现场情况，进行了改进：a.选用优良的丝锥材料，改进螺旋槽对盲孔排屑好， 具有可靠的断屑措施；b.考虑将螺纹底孔直径控制在上限，以减少丝锥的磨损量；c.对已经磨损过的丝锥，重新修磨后进行表面涂覆处理；d.并采用新丝锥中径加大0.01mm的方法，丝锥寿命有了大幅进步；e.作跳牙处理减少工件与工具间的摩擦， 保证理想的导向部分长度，加粗刀柄，增加强度， 解决丝锥单薄被拉断，进易退难，排屑不畅的问题；f.为保证内外螺纹的实体牙型高精度的螺纹配合副，和盲孔螺纹的牙顶削平高度要求，选用一攻到位的丝锥， 齿数应较标准丝锥少， 一般为2 ～3 齿。切削锥角宜大， 锥度部分一般为3～4扣螺纹长度。为便于排屑， 还可在切削锥部分磨出负倾角。尽量选用短丝锥以增加丝锥刚性。
图10 钛合金MJ螺纹丝锥
4 研究结论
通过对MJ螺纹特殊结构的分析和对钛合金的机械加工的研究，得出以下结论：加工钛合金MJ盲孔螺纹，要求刀具材料散热性好， 抗高温性能好；要求刀具几何参数合理；要求加工过程必须充分冷却；经过实际加工，使MJ螺纹得以在产品上实现。 本文对实际生产具有适用价值，可推广于各种钛合金材料零件的制造。
参考文献：
[1]《钛合金切削加工刀具材料选用与加工工艺方法》. 2000 （5） ，湖北航天科技
[2]《用于钛合金零件加工的机床与刀具》. 2001，航空制造技术， 增刊.