CN114888368B - 提升不锈钢材料cg内螺纹切削加工精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提升不锈钢材料CG内螺纹切削加工精度的方法，本发明应用于不锈钢产品CG内螺纹的铣削加工，主要利用螺纹铣刀的几何参数，依靠数控加工设备的选择，并通过切削加工参数、加工路线等优化等方案解决传统手工攻内螺纹时存在的缺陷，例如单一中径值不满足公差要求、螺纹牙型表面粗糙度Ra不满足要求、螺纹牙型不完整，存在裂纹或夹层等缺陷。本发明提高了CG内螺纹的加工质量与加工效率，从而大幅提升了产品加工的合格率。

Description

提升不锈钢材料CG内螺纹切削加工精度的方法

技术领域

本发明属于航空航天机械加工技术领域，特别是克服和解决CG系列过盈内螺纹铣削加工过程中存在的各种缺陷问题的方法。

背景技术

航空航发不锈钢油箱类产品中，有较多零件应用CG系列过盈螺纹装配技术。由于对CG内螺纹的加工精度要求极高，在产品首次及多年制造过程中，采用多种加工方法均不能满足工艺技术要求、设计要求，合格率不足30％，造成大量报废，不仅影响了零件生产进度，最终还导致了产品交付延迟。

当前加工过程中，加工质量的稳定性和一致性极差，具体表现为：牙型不完整、螺纹中径尺寸不稳定、螺纹大径尺寸不稳定、螺纹小径尺寸不稳定、螺纹表面震纹、口部底部不一致、螺纹变形和牙型角角度误差大。

基于上述原因，如何提高CG内螺纹切削加工精度是一个重大的技术难点，如果不解决该技术难点，就很难显著提升加工质量，从而无法满足工艺设计要求以及加工质量的稳定性。

发明内容

针对现有的航空航发不锈钢油箱类产品加工中易出现的CG内螺纹的加工精度不能满足要求、生产合格率低(合格率不足30％)的问题，本发明旨在提供一种提升不锈钢材料CG内螺纹切削加工精度的方法。

本发明的核心思路包括以下几个方面：

1.选择合适的数控铣床，确保设备能够满足加工精度需求。

2.选择合理的螺纹铣削刀具，并优化其几何参数，改善加工过程中刀具变形与切削力不均等现象。

3.合理装夹刀具，保证刀具组合体的装夹精度。

4.制定加工工艺路线及合理选用切削余量。

5.优化切削参数，切削精度和加工稳定性。

本发明是通过如下技术方案予以实现的：

提升不锈钢材料CG内螺纹切削加工精度的方法，包括螺纹加工工艺路线和切削参数的控制，具体包括，

步骤一，粗加工螺纹基孔，用硬质合金铣刀或钻头进行加工，预留余量K_粗0.3～3mm；

步骤二，粗扩螺纹基孔，用硬质合金铣刀或扩孔刀具进行加工，预留余量K_粗0.15～1mm；

步骤三，精加工螺纹基孔，保证孔的加工精度等级满足要求，包括尺寸公差等级：IT6～IT8，以及形位公差等级：5级～7级；

步骤四，孔口倒角，对孔口进行90°倒角，倒角大径与螺纹大径的关系满足Φ_大≥Φ_螺大；

步骤五，粗铣螺纹，用粗加工螺纹铣刀进行粗铣螺纹，径向分2～6次加工到位，每次径向切削量0.2～1mm，采用顺铣加工；粗铣螺纹孔时，线速度V_c控制在20～50m/min，每齿进给量0.06～0.3mm/Tooth；

步骤六，第一次加工螺纹内径毛刺，去除粗加工螺纹形成的毛刺；

步骤七，精铣螺纹，用精加工螺纹铣刀进行精铣螺纹，径向分2～5次加工到位，每次径向切削量0.05～0.3mm，精铣螺纹孔时，线速度V_c控制在25～65m/min，每齿进给量0.02～0.2mm/Tooth，采用顺铣加工，需要控制精加工余量在0.02～0.3mm。

步骤八，第二次加工螺纹内径毛刺，去除精加工螺纹形成的毛刺；

步骤九，螺纹牙型校型及清理，对螺纹牙型校型及残留毛刺清理，使用植物油或动物油润滑。

粗铣和精铣螺纹时的冷却润滑使用以润滑为主的冷却润滑液，且大量喷淋。

进一步，提升不锈钢材料CG内螺纹切削加工精度的方法还包括数控铣床的选择与预运行，其中，

数控铣床的设计制造符合ISO国际标准，定位精度：X/Y/Z≤0.008mm，标准为VDI/DGQ 3441或ISO 230-2，重复定位精度：X/Y/Z≤0.005mm，标准为VDI/DGQ 3441或ISO 230-2，几何精度按金属切削机床通则JB2670-82，ISO230-1-96执行；

机床开机加工前，预运行0.2～0.5小时后加工零件；加工过程中，若停机1小时以上，机床运行0.1～0.3小时后加工零件；

数控铣床的圆度测量需满足圆度R_E≤0.006mm；

数控铣床主轴圆跳动δ≤0.008mm。

提升不锈钢材料CG内螺纹切削加工精度的方法还包括螺纹铣刀参数的选择，其中，

螺纹铣刀的材质与硬度满足螺纹铣刀材料选用超细微粒或及细微粒硬质合金，平均粒度η≤1μm，硬度HRA≥90，抗弯强度ε≥3000MPa；

螺纹铣刀的规格满足切削刃的最大直径D_刀，应小于加工螺纹基孔直径D_基孔，D_基孔-D_刀＝20～0.3mm；

当螺纹基孔且加工螺纹深度L_螺纹≥10mm时，刀杆设计为不等径锥度过渡刀柄，锥度β满足8°～30°，锥度转接处圆弧过度R≥5mm以增强刀具刚性；

螺纹铣刀的刃数选用奇数刃，例如3、5、7、9、11刃；

选用有表面涂层的螺纹铣刀，其表面涂层为氮铝化钛(TiAiN)、氮化钛(TiNC)、碳化钛TiC、氮硅铝钛(NSnAiTi)或CVD精钢石。

优选的，提升不锈钢材料CG内螺纹切削加工精度的方法还包括螺纹铣刀的夹持，其中，

夹持刀具时，刀具伸出长度L_刀应大于(略大于)螺纹加工深度L_深，不应过长，确保加工过程中刀具的刚性，二者关系满足L_刀-L_深-L_切出＝1～10mm，L_切出是指螺纹加工时的切出长度；

夹持刀具时，控制刀具组合体的圆跳动量η，刀具组合体圆跳动量η≤0.01mm。

与现有加工方法相比，本发明的加工工艺路线为粗加工螺纹基孔→粗扩螺纹基孔→精加工螺纹基孔→孔口倒角→粗铣螺纹→第一次加工螺纹内径毛刺→精铣螺纹→第二次加工螺纹内径毛刺→螺纹牙型校型及清理。

与现有技术相比较，本发明具备以下特点：

本发明通过数控铣床的选择与预运行、合理选择刀具几何参数、优化加工工艺与切削参数、设计合理的预留量与加工策略等措施，显著提高了不锈钢CG内螺纹切削加工精度，保证了产品的加工质量完全满足工艺设计要求。

附图说明

图1为待加工零件的示意图；

图2为图1的左视图；

图3为不等径螺纹铣刀示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图进一步描述本发明的实施方式，但本发明的权利要求保护范围并不局限于本实施例中列举的内容。

本发明通过优化加工工艺、合理选择刀具与机床设备、切削加工策略、切削参数和预留量等措施来提高CG内螺纹切削加工精度。经过多次实际加工的反复优化验证，最终整理出了一套完善、合理、有效的加工方法，其加工合格率达95％以上。

本实施例中需要加工的零件如图1和图2所示，属于航空航天领域含有CG6×1-2H4D内螺纹加工要求的零件,具体技术要参照图2及技术要求说明(图2中①代表重点技术要求序号，2代表两处同样的技术要求，CG6×1代表螺纹规格，2H4D代表中径公差代号为2H，小径公差代号为4D)，采用本发明的螺纹工艺加工方法可提高CG6×1-2H4D内螺纹的加工质量和效率。

1.难点分析：根据图1、图2及技术条件(HB 6545-1991)的要求，该零件的内螺纹加工精度公差要求极高。

2.零件的材料是奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti固溶)，切削过程中易产生大的切削热、切削温度高，且加工过程中散热性能差；加工过程加工硬化严重，材料难剥离，增大了切削应力；在较大的切削应力下，导致加工过程中刀具摩擦加剧，又增大了切削应力,刀尖的磨损大。

为完成上述零件的加工，本实施例中从合理选择数控铣床、选用合适的螺纹铣刀、采用合理的加工工艺、采用合适的切削参数等方面进行描述。

下述为本实施例中的加工工艺路线：

中心钻→粗加工螺纹基孔→粗扩螺纹基孔→精加工螺纹基孔→孔口倒角→粗铣螺纹→第一次加工螺纹内径毛刺→精铣螺纹→第二次加工螺纹内径毛刺→螺纹牙型校型及清理。

1.数控铣床的选择与应用：

1)数控铣床：其设计制造应符合ISO国际标准，定位精度：X/Y/Z≤0.008mm(VDI/DGQ 3441或ISO 230-2)，重复定位精度：X/Y/Z≤0.005mm(VDI/DGQ 3441或ISO 230-2)，其几何精度按金属切削机床通则JB2670-82(ISO230-1-96)执行。

2)机床开机加工前，预运行0.2～0.5小时后加工零件；加工过程中，若停机1小时以上，机床运行0.1～0.3小时后加工零件，推荐空运行10～20分钟。

3)为了确保数控铣床能满足CG内螺纹的加工精度要求(螺纹中径圆度≯0.006mm)，利用球杆仪对数控铣床的圆度进行测量，需满足圆度R_E≤0.006mm。

4)数控铣床主轴圆跳动δ≤0.008mm。

2.螺纹铣刀的选用与应用：

1)螺纹铣刀的材质与硬度：因被加工材料为钢材，考虑刀具使用的良好状态，螺纹铣刀材料选用超细微粒或及细微粒硬质合金，硬质相粒子的平均粒度η≤1μm，保证刀具硬度强度均高于被加工材料，例如硬度HRA≥90，抗弯强度ε≥3000MPa，作为一个推荐值，刀具硬度-被加工材料硬度≥20HRC。

2)螺纹铣刀的规格：切削刀具的最大直径D_刀，应小于加工螺纹基孔直径D_基孔，推荐：D_基孔-D_刀＝0.4mm～3mm之间，在保证不干涉的情况下，又可保证刀具的刚性，故D_刀＝4mm～4.6mm。

3)当螺纹基孔且加工螺纹深度L_螺纹≥10mm时，刀杆设计为不等径的锥度过度的刀柄，锥度β＝20°～10°，锥度转接处圆弧过度R≥5mm以增强刀具刚性。如图3所示，为刀具的结构示意图。

4)螺纹铣刀的刃数选用奇数刃(3刃)。

5)选用有表面涂层的螺纹铣刀，其表面涂层为：氮铝化钛(TiAiN)、氮化钛(TiNC)、碳化钛TiC。

6)夹持刀具时，刀具伸出长度L_刀应略大于加工深度L_深，不应过长，确保加工过程中刀具的刚性。推荐值满足：L_刀-L_深-L_切出＝1mm，L_切出为螺纹加工时的切出长度，需要考虑不锈钢螺纹加工时的冷作硬化、排屑、螺纹精度、承受的扭矩、刀具刚性等因素。

7)夹持刀具时，要控制好刀具组合体的圆跳动量(η)，刀具组合体圆跳动量η≤0.01～0.03mm。

3.加工工艺及切削量的设计：

中心钻→粗加工螺纹基孔→粗扩螺纹基孔→精加工螺纹基孔→孔口倒角→粗铣螺纹→第一次加工螺纹内径毛刺→精铣螺纹→第二次加工螺纹内径毛刺→螺纹牙型校型及清理。

1)中心钻：用中心钻点钻，本实施例中采用/>中心钻点钻，点钻深度≤1mm。

2)粗加工螺纹基孔：用硬质合金铣刀或钻头进行加工，钻孔余量0.3～1.5mm，本实施例中的预留余量K_粗取0.5mm。

3)粗扩螺纹基孔：用硬质合金铣刀或扩孔刀具进行粗扩孔/> 加工，预留余量K_粗0.2mm。

4)精加工螺纹基孔：精加工螺纹基孔尺寸保证孔的加工精度等级(尺寸公差等级：IT6～IT8；形位公差等级：5级～7级)。

5)孔口倒角：孔口90°倒角，倒角大径与螺纹大径的关系，Φ_大≥Φ_螺大，取Φ_大＝6.1mm。

6)粗铣螺纹：用粗加工螺纹铣刀进行粗铣螺纹，径向分3次加工到位，每次径向切削量0.2～0.5mm，采用顺铣加工。

7)第一次加工螺纹内径毛刺：去除粗加工螺纹形成的牙型中的毛刺。

8)精铣螺纹：用精加工螺纹铣刀进行精铣螺纹，采用顺铣加工。径向分2～3次加工到位，每次径向切削量0.05～0.1mm。精铣后的螺纹采用多组精度不同的通止规进行螺纹公差的控制检测，其中第一组的精度高于第二组的精度，第二组的精度高于第三组的精度，以此类推，当满足通规通过，止规不通过，螺纹的公差精度达到该组通止规对应的公差要求。

9)第二次加工螺纹内径毛刺：去除精加工螺纹形成的牙型中毛刺。

10)螺纹牙型校型及清理：用对应前述8)精铣螺纹时第一组通止规(或第二组、第三组…)精度的螺纹丝锥(同样满足第一组丝锥精度高于第二组丝锥，依次类推)对螺纹牙型校型及残留毛刺清理，使用植物油或动物油润滑。

4.零件的装夹：

零件装夹时需要注意：保证装夹定位面干净，零件紧贴定位面；装夹上零件后，找平螺纹孔所在平面的平面度，保证加工后的螺纹孔与所在平面的垂直度。

5.切削参数的优化：

1)粗铣螺纹孔时，线速度(V_c:m/min)控制在25～50m/min，本实施例中取35～50m/min；每齿进给量0.06～0.1mm/Tooth。

2)精铣螺纹孔时，线速度(V_c:m/min)控制在25～65m/min；本实施例中取45～50m/min；每齿进给量0.02～0.1mm/Tooth。

3)需要控制精加工余量在0.02～0.3mm，本实施例中取精加工余量在0.08～0.15mm。

4)冷却润滑：使用以润滑为主的冷却润滑液，且大量喷淋。

上述实施例并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案基础上所做出的变形、修饰或等同替换等，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.提升不锈钢材料CG内螺纹切削加工精度的方法，所述CG内螺纹符合HB 6545-1991要求，其特征在于：包括螺纹加工工艺路线和切削参数的控制，具体包括，

步骤一，粗加工螺纹基孔，用硬质合金铣刀或钻头进行加工，预留余量K_粗0.3～3mm；

步骤二，粗扩螺纹基孔，用硬质合金铣刀或扩孔刀具进行加工，预留余量K_粗0.15～1mm；

步骤三，精加工螺纹基孔，保证孔的加工精度等级满足要求，包括尺寸公差等级：IT6～IT8，以及形位公差等级：5级～7级；

步骤四，孔口倒角，对孔口进行90°倒角，倒角大径与螺纹大径的关系满足Φ_大≥Φ_螺大；

步骤五，粗铣螺纹，用粗加工螺纹铣刀进行粗铣螺纹，径向分2～6次加工到位，每次径向切削量0.2～1mm，采用顺铣加工；粗铣螺纹孔时，线速度V_c控制在20～50m/min，每齿进给量0.06～0.3mm/Tooth；

步骤六，第一次加工螺纹内径毛刺，去除粗加工螺纹形成的毛刺；

步骤七，精铣螺纹，用精加工螺纹铣刀进行精铣螺纹，径向分2～5次加工到位，每次径向切削量0.05～0.3mm，精铣螺纹孔时，线速度V_c控制在25～65m/min，每齿进给量0.02～0.2mm/Tooth，采用顺铣加工，需要控制精加工余量在0.02～0.3mm；

步骤八，第二次加工螺纹内径毛刺，去除精加工螺纹形成的毛刺；

步骤九，螺纹牙型校型及清理，对螺纹牙型校型及残留毛刺清理，使用植物油或动物油润滑；

所述步骤五和步骤七中，螺纹铣刀参数的选择满足以下条件：

螺纹铣刀的材质与硬度满足螺纹铣刀材料选用超细微粒或极细微粒硬质合金，平均粒度η≤1μm，硬度HRA≥90，抗弯强度ε≥3000MPa；

螺纹铣刀的规格满足切削刃的最大直径D_刀，应小于加工螺纹基孔直径D_基孔，D_基孔-D_刀＝20～0.3mm；

当螺纹基孔且加工螺纹深度L_螺纹≥10mm时，刀杆设计为不等径锥度过渡刀柄，锥度β满足8°～30°，锥度转接处圆弧过度R≥5mm；

螺纹铣刀的刃数选用奇数刃；

选用有表面涂层的螺纹铣刀，其表面涂层为氮铝化钛、氮化钛、碳化钛、氮硅铝钛或CVD精钢石；

所述步骤五和步骤七中，螺纹铣刀的夹持满足以下条件：

夹持刀具时，刀具伸出长度L_刀应大于螺纹加工深度L_深，二者关系满足L_刀-L_深-L_切出＝1～10mm，L_切出是指螺纹加工时的切出长度；

夹持刀具时，控制刀具组合体的圆跳动量η，刀具组合体圆跳动量η≤0.01mm。

2.根据权利要求1所述的提升不锈钢材料CG内螺纹切削加工精度的方法，其特征在于：还包括数控铣床的选择与预运行，其中，

数控铣床的设计制造符合ISO国际标准，定位精度：X/Y/Z≤0.008mm，标准为VDI/DGQ3441或ISO 230-2，重复定位精度：X/Y/Z≤0.005mm，标准为VDI/DGQ 3441或ISO 230-2，几何精度按金属切削机床通则JB2670-82，ISO230-1-96执行；

机床开机加工前，预运行0.2～0.5小时后加工零件；加工过程中，若停机1小时以上，机床运行0.1～0.3小时后加工零件；

数控铣床的圆度测量需满足圆度R_E≤0.006mm；

数控铣床主轴圆跳动δ≤0.008mm。