| 摘要:采用修正齿丝锥和标准丝锥对Ni 基变形高温合金GH4169 难加工材料进行了小孔螺纹攻丝对比试验。试验结果表明，与标准丝锥相比，采用修正齿丝锥可显著减小攻丝扭矩，且切削锥角较大的修正齿丝锥加工效果较好。 |
1 引言
高温合金(又称为耐热合金或热强合金)是多组元成分的复杂合金，具有优良的热强性能、热稳定性能及热疲劳性能，可在600～1000℃的高温氧化气氛及燃气腐蚀条件下工作。材料的热强性能取决于组织的稳定性及原子间的结合力。在材料中加入高熔点的W、Mo、Ta、Nb等元素后，可增大原子间的结合力。高温合金主要用于制造航空、航天、舰艇、电站等的涡轮发动机、火箭发动机以及航空、航天发动机的耐热零部件(燃烧室、涡轮、加力燃烧室、尾喷口等)，尤其是火焰筒、涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘等均是应用高温合金的典型零件。据统计，在一台发动机中，用Ni基高温合金制造的零件的重量约占总重量的40%。GH4169是一种Ni基变形高温合金(也有人将其列为Fe-Ni基合金)，其组分表达式为Ni-18.5Fe-19Cr-3.1Mo-5Nb-Ti-Al，其中Ni含量达52.5%。GH4169高温合金的室温强度σ0.2=1180MPa(相当于Inconel718)，使用温度达650℃。由于常用于制造涡轮盘，因此又称为涡轮盘合金。高温合金的切削加工性极差。如以相对于正火态45钢的切削加工性Kv=1来衡量，高温合金的切削加工性Kv=0.5～0.2，Ni基高温合金的切削加工性Kv约为0.2。Ni基高温合金的切削加工特点主要表现为:切削变形大，加工硬化严重，切削力大且波动幅度大，切削温度高，刀具磨损严重，加工精度和表面质量不易保证。在Ni基高温合金上攻制螺纹比在普通钢材上攻丝困难得多(尤其是小孔攻丝难度更大)，主要表现为攻丝扭矩大，切屑易堵塞，排屑困难，丝锥芯部直径强度不足，丝锥易崩齿或折断。 为解决在Ni基高温合金上攻制螺纹的工艺难题，本文分别采用修正齿丝锥和标准机用丝锥对GH4169高温合金工件进行了小孔攻丝试验，研究了攻丝扭矩的变化规律。 2 小孔攻丝试验
2.1 试件材料
Ni基变形高温合金GH4169(固溶态)，硬度35HRC，厚度10mm(2d)，底孔直径Ø4.25mm。 2.2 试验刀具
①高速钢M5标准机用丝锥(单锥)，干切削：②高速钢M5修正齿丝锥(锥角分别为5°和7°30)。 2.3 试验仪器
薄壁立筋式钻削测力仪：数显YD-21型动态电阻应变仪：HY6022数据采集卡：微型机算机。
图1 攻丝扭矩测量试验系统示意图
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图2 攻丝扭矩测量结果
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κr:丝锥的切削锥角 δ:丝锥的反向锥角
α0:丝锥齿形角 α1:螺纹齿形角 RY:不平度最大高度
图3 修正齿丝锥攻丝原理
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2.4 试验系统
攻丝扭矩测量试验系统如图1所示。 2.5 试验结果
分别用标准丝锥和两种不同锥角的修正齿丝锥进行攻丝试验时的攻丝扭矩测量结果如图2所示。 3 试验结果分析
由图2所示测量结果可知，在相同切削条件下，修正齿丝锥切削时的攻丝扭矩比标准丝锥切削时减小了20%～40%，尤其是采用切削锥角κr=7°30的修正齿丝锥切削时攻丝扭矩减小幅度更大(40%)。在丝锥芯部直径相同的情况下，攻丝扭矩减小相当于断面系数增大，从而可显著减少丝锥折断概率，提高丝锥使用寿命。 采用修正齿丝锥可显著减小攻丝扭矩的原因在于其加工原理(见图3)。由图3可知，丝锥齿形角α0小于螺纹齿形角α1，因此攻丝时丝锥刀齿齿侧面与加工螺纹侧面之间形成一个侧隙角Ø=(α1-α0)/2，由于刀齿齿侧只与正在切削的螺纹侧面上厚度为RY=Psinκr/cos(α0/2+κr)的部分相接触，其余部分则完全不与切完的螺纹侧面相接触，因此大大减小了摩擦扭矩。因为攻丝总扭矩=切削扭矩+摩擦扭矩，所以摩擦扭矩的减小即意味着攻丝总扭矩减小，且有利于切削液充分发挥冷却润滑作用。由刀齿侧面接触厚度公式RY=Psinκr/cos(α0/2+κr)可知，丝锥切削锥角κr值越大，接触厚度值RY也越大(即切削厚度越大)。根据切削力的尺寸效应可知，切削厚度越大，单位切削力就越小，在切削面积一定的情况下，总切削力减小意味着切削扭矩减小，即攻丝总扭矩减小。由此可知，切削锥角κr越大，攻丝总扭矩就越小，这与文献的结论一致。因此，用κr=7°30的修正齿丝锥切削时比用κr=5°的修正齿丝锥切削的攻丝总扭矩减小20%左右。 4 结论
- 对Ni基变形高温合金GH4169进行小孔攻丝加工时，采用修正齿丝锥可比采用标准丝锥显著减小攻丝总扭矩。因此，修正齿丝锥是解决高温合金小孔攻丝加工难题的有效工具。
- 在丝锥切削锥角可选范围内，采用较大切削锥角的修正齿丝锥可获得更好的加工效果。
- 修正齿丝锥可减小攻丝扭矩的机理在于使刀齿侧面摩擦减小、每齿切削厚度增大。
