【摘 要】本文對MJ螺紋特殊結構和鈦合金的機械加工進行了分析，針對盲孔螺紋的加工問題及生產刀具開展了工藝研究，通過探索明確了解決問題的方法，消除可能造成質量問題的各種因素，使MJ高強度螺紋得以在產品結構上實現。本文的研究對于鈦合金材質內螺紋的加工具有實際意義，可推廣于各種鈦合金材料零件的制造。

　　【關鍵詞】鈦合金 MJ高強度螺紋 刀具 加工試驗

　　0 引言

　　鈦合金具有比重小，強度高，熱能性好，300℃-400℃都有極高的比強度、耐高溫、高韌性、較寬的工作溫度范圍和抗疲勞性好等優點，尤其是具有優異的抗腐蝕性能， 在航空航天領域發揮了很好的作用。但是鈦合金材料的導熱系數小、彈性模量低、化學活性高，機械加工困難。

　　1 現狀分析

　　（1）螺紋的連接與緊固是產品結構中最常用最重要的一種方式，是整合零件和對外接口的靈魂，尤其是支架結構，詳見圖1：

　　從圖1所示， 支架主要靠上下幾枚螺釘緊固，形成整體來完成使用功能，為達到產品強度要求，采用MJ米制螺紋緊固件，該螺紋具有以下優點：a.強度高、重量輕、強度等級一般在900MPa以上，最高可達1800MPa；b.精度高，防松性能好，可靠性高；c.適應環境復雜，包括狹小的裝配空間、大氣環境、水下環境、太空環境等。

　　（2）針對鈦合金MJ盲孔螺紋的加工，最具有代表性的零件是支架連接條，以此為例來作分析研究。零件結構圖見圖2：

　　零件材料：TC4R 軋 GB/T2965-1996

　　研究對象：內螺紋盲孔MJ5×0.8-4H6H， MJ6×1-4H6H。

　　現行加工中，用普通鉆頭鉆底孔后，先頭攻再二攻，或直接上二攻、干攻或加冷卻液攻絲，絲錐均有跳動，口部晃動厲害， 形成喇叭口。攻絲中進易退難，排屑不暢， 由于根部很緊，在退刀時阻力大，卡得很緊， 絲錐易被擰斷。絲錐頭部磨損快，損耗大。攻后用陜西航空安峰精密機床廠專用MJ塞規檢，都出現了口部止規過3牙以上，根部很緊，通規不過，擰不到位的情況。清除毛刺切屑后回攻，則出現通止規都過的情況。

　　因為螺紋盲孔狹窄細長，孔深不通，內部存在很多不可定因素，尤其是螺紋牙根底，刀具嵌入基體后，發生切削，散熱差和排屑困難是大家所共知的，加之鈦合金的導熱系數小，在加工鈦合金時切削溫度高， 在相同條件下， 加工TC4的切削溫度比45號鋼高出1倍以上，加工時產生的熱量很難通過工件釋放； 鈦合金的比熱小， 加工時局部溫度上升快， 因此， 造成刀具溫度很高， 刀尖急劇磨損， 使用壽命降低。鈦合金彈性模量低， 使已加工表面容易產生回彈， 特別是深孔零件的加工回彈更為嚴重， 易引起刀具后刀面與已加工表面產生強烈摩擦， 從而磨損刀具和崩刃。鈦合金化學活性很強， 高溫下易與氧、氫、氮發生作用，形成高硬度的的富氧層，難于加工。所以鈦合金的MJ盲孔螺紋的機械加工是有待研究解決的主要問題。

　　2工藝技術研究

　　2.1 MJ螺紋與普通螺紋的結構分析與比較

　　（a）MJ螺紋是一種“螺紋牙底圓弧半徑加大并受控”的米制螺紋， “M”表示米制， 以“J”字形表示螺紋牙底形狀。加大螺紋牙底圓弧半徑，是為了減少螺紋承載的應力集中，提高螺紋的抗疲勞壽命。這種螺紋的抗疲勞壽命是普通螺紋的兩倍以上，所以MJ螺紋又稱“抗疲勞螺紋”。

　　（b）普通螺紋的基本牙型如下圖：

　　螺紋的基本牙型是指截去原始三角形頂部H/8和底部H/4后所形成的牙形。普通螺紋的原始三角形為等邊三角形。見圖4。

　　MJ螺紋的基本牙型與普通螺紋相比，區別是螺紋小徑的削平高度由H/4增大到5H/16。這是由于相應外螺紋的牙底采用了最大圓弧半徑（0.18042P， P是螺距）的結果。見圖5。

　　（c）螺紋的實體牙型如下圖：

　　（d）普通螺紋的承載應力截面積少，所能承受的拉力載荷值降低，螺旋升角大，自鎖性能不理想。而MJ螺紋的小徑因牙底圓弧半徑的加大而變大，再加上應力面積計算公式的差異，使得MJ螺紋的抗拉能力有了一定的提高。 MJ螺紋的全部牙底圓弧形狀，包括不完整螺紋的收尾，都必須圓滑過渡，而且圓弧的曲率半徑都不能小于0.15011P。 所以抗疲勞強度高是MJ螺紋最顯著的特點。

　　那么，鈦合金材質的MJ螺紋優越的特殊結構形狀怎么加工實現呢？

　　2.2 刀具的幾何參數

　　（1） 鉆頭：

　　針對MJ螺紋結構，鉆螺紋底孔的鉆頭的設計要保證排屑流暢， 為了保證良好的排屑和冷卻， 采用較大的螺旋角為25°～30°， 鉆頭螺旋槽要求拋光處理，鉆芯厚度為鉆頭直徑的1 /4。為了使鉆頭有足夠的強度和定心作用， 可根據實際情況修磨橫刃。為了增大切削厚度和切削寬度，鉆頭頂角為135°～140°（通常為118°）， 鉆頭后角為12°～15°。

　　圖7 普通麻花鉆頭結構

　　（2） 絲錐：

　　攻絲是在半封閉狀態切削，切削液難以達到切削區， 散熱及潤滑效果差。由于鈦合金彈性模數小， 切削時回彈大， 易出現 “抱錐”， 使摩擦扭矩增大， 而造成絲錐崩齒或扭斷。解決上述問題， 需選擇合適的幾何參數。前角為7°～10°， 切削錐部分后角為6°～12°， 校正齒型面鏟后角1°， 切削錐角5°～7°30′。M6以下螺紋的攻絲宜采用切削錐7°30′的修正齒絲錐。絲錐結構圖如下

　　3 切削加工試驗

　　（1） 鉆削（加工螺紋底孔）：

　　鈦合金鉆削比較困難， 常在加工過程中出現燒刀和斷鉆現象。這主要是由于鉆頭刃磨不良， 排屑不及時， 冷卻不佳以及工藝系統剛性差等原因造成的。所以在鉆削時應注意。采用全磨制精度高的含鈷高速鋼鉆頭打螺紋底孔，鉆尖形式很鋒利，連續加工，勤退刀， 減少鉆刃摩擦加工表面， 造成加工硬化，使鉆頭變鈍，影響后續攻絲不到位，通規發緊情況；并及時清除切屑， 注意切屑的形狀和顏色，加足切削液。

　　（2） 攻絲（加工盲孔螺紋）：

　　試攻MJ螺紋孔時，出現稍微掉牙和表面粗糙度值高，并且加工后的螺紋出現通規無法通過的情況，刀具磨損加快，均勻加工15-30件就需換刀，針對現場情況，進行了改進：

　　a.選用優良的絲錐材料，改進螺旋槽對盲孔排屑好， 具有可靠的斷屑措施；

　　b.考慮將螺紋底孔直徑控制在上限，以減少絲錐的磨損量；

　　c.對已經磨損過的絲錐，重新修磨后進行表面涂覆處理；

　　d.并采用新絲錐中徑加大0.01mm的方法，絲錐壽命有了大幅進步；

　　e.作跳牙處理減少工件與工具間的摩擦， 保證理想的導向部分長度，加粗刀柄，增加強度， 解決絲錐單薄被拉斷，進易退難，排屑不暢的問題；f.為保證內外螺紋的實體牙型高精度的螺紋配合副，和盲孔螺紋的牙頂削平高度要求，選用一攻到位的絲錐， 齒數應較標準絲錐少， 一般為2 ～3 齒。切削錐角宜大， 錐度部分一般為3～4扣螺紋長度。為便于排屑， 還可在切削錐部分磨出負傾角。盡量選用短絲錐以增加絲錐剛性。

　　4 研究結論

　　通過對MJ螺紋特殊結構的分析和對鈦合金的機械加工的研究，得出以下結論：加工鈦合金MJ盲孔螺紋，要求刀具材料散熱性好， 抗高溫性能好；要求刀具幾何參數合理；要求加工過程必須充分冷卻；經過實際加工，使MJ螺紋得以在產品上實現。 本文對實際生產具有適用價值，可推廣于各種鈦合金材料零件的制造。

　　參考文獻：

　　[1]《鈦合金切削加工刀具材料選用與加工工藝方法》. 2000 （5） ，湖北航天科技

　　[2]《用于鈦合金零件加工的機床與刀具》. 2001，航空制造技術， 增刊.