高可靠性螺纹加工精度控制方法

介绍一种螺纹孔加工精度控制方法。通过对生产过程各环节进行系统性工艺分析，采取在零件状态提高精度等级、反向攻螺纹控制螺纹精度和增加补偿量，以及设计专用保护螺钉等方法，攻克了工艺技术难题，并已成功应用于批量生产。1

序言某型号发动机燃烧室壳体由前连接件、薄壁旋压筒体、后连接件和支座经过氩弧焊焊接、热处理和喷砂组合加工而成。燃烧室薄壁壳体外表面焊接有2排轴向共20件支座，支座设计图样要求螺纹精度为M4-6H。支座螺纹用于安装导弹电缆罩，螺纹联接质量可靠性要求高。由于受支座结构、材料以及与燃烧室壳体焊接处空间结构限制，采用传统的工艺加工螺纹，产品合格率偏低。本文对产品加工各个环节进行工艺分析和研究，通过试验验证、对比和分析，得到一种合理有效的螺纹精度控制方法。2

产品结构特点及加工难点2.1

结构特点燃烧室壳体外形尺寸比较大，外径为500mm，长度为4500mm。支座手工焊接在燃烧室壳体外表面，其径向跨距为（114±0.2）mm。燃烧室壳体和支座材料均选用D406A超高强度钢。燃烧室壳体支座结构如图1所示。支座外形为长圆形结构，外径尺寸14mm，宽度mm，中心处有内螺纹M4-6H，螺距为0.7mm。螺纹底部凹槽与薄壁壳体之间仅有0.7mm间隙。图1

燃烧室壳体支座结构2.2

加工难点支座加工工艺流程如图2所示。支座螺纹孔如安排在焊接、热处理后加工，则存在以下几个难点。1）支座螺纹孔底部与壳体间隙仅有0.7mm，机械加工时容易伤及薄壁壳体表面，存在质量隐患。2）支座螺纹孔底部凹槽与壳体间隙小，螺纹加工时丝锥导向短，定位不稳定，攻螺纹难度较大，容易加工偏斜，垂直度0.04mm无法保证。3）热处理后材料硬度为48～52HRC，螺纹加工时容易造成丝锥断裂，因螺纹问题导致壳体报废，从而使制造成本和质量风险较大。基于以上分析可得，支座螺纹需在焊接前加工，焊接后随燃烧室壳体一起退火、喷砂、淬火和回火。淬火处理后，支座螺纹表面发生氧化，螺纹牙型表面附着有多余物。若支座螺纹在焊接前加工到位，燃烧室壳体组合加工后，用M4-6H丝锥清理支座螺纹牙型表面附着的多余物，同时会使部分支座内螺纹牙型表面氧化层脱落。用M4-6H螺纹止规检测时，合格率仅为67%。对17件燃烧室壳体支座M4-6H内螺纹加工情况进行统计，数据见表1。如何提高支座螺纹加工精度，已成为产品生产交付中急需解决的工艺技术难题。图2

加工工艺流程表1

17件燃烧室壳体支座M4-6H内螺纹加工情况统计3

技术方案和工艺试验3.1

技术方案经过对燃烧室壳体、支座加工过程各个工序进行复查、检测、分析和排查，认为支座M4-6H内螺纹尺寸精度超差主要原因为：淬火处理后，支座螺纹表面发生氧化，螺纹牙型表面附着有多余物。在清理螺纹表面多余物的同时，会使部分支座内螺纹牙型表面氧化层脱落，导致支座M4-6H内螺纹精度超差。根据工艺分析，制定了两种工艺方案。方案一：定制专用手用丝锥，分为头锥和二锥，并对头锥的中径尺寸进行控制。在支座零件状态用头锥攻螺纹并预留出加工余量。在燃烧室壳体热处理后，再用二锥攻支座螺纹，以保证螺纹最终精度。方案二：在支座零件状态将螺纹精度M4-6H提高一级，按M4-5H加工，有效补偿M4-6H和M4-5H之间的差异，满足螺纹精度要求。3.2

试验过程及结果第一种工艺方案分3步进行。①定制专用丝锥（头锥和二锥），头锥中径预留余量分别为0.30mm、0.20mm和0.10mm。②在支座零件加工时用头锥攻螺纹。③热处理后再用二锥攻螺纹。由于材料经过热处理后硬度较高（48～52HRC），而且受燃烧室壳体直径较大结构影响，操作人员攻螺纹操作难度增大，受力不均衡，切削力容易偏离轴线。试验过程中中径余量为0.30mm时，螺纹孔用二锥攻螺纹时无法切削；中径余量分别为0.20mm、0.10mm攻螺纹时，出现螺纹孔偏斜或丝锥断裂情况，产品质量难以保证。按第二种工艺方案，将支座螺纹精度提高一级加工，对10件燃烧室壳体支座M4-6H内螺纹加工情况进行统计，数据见表2。螺纹精度得到很大改善，产品合格率从67%提高到95%。表2

方案二加工支座内螺纹情况统计3.3试验结果分析通过对方案一和方案二的试验结果进行汇总分析，按方案二的加工方法，支座螺纹合格率得到大幅度提高。对超差螺纹用M4-7H螺纹规检验，均为合格。对M4-6H与M4-5H、M4-7H螺纹精度尺寸进行比较，具体见表3。表3

M4×0.7mm内螺纹精度尺寸（单位：mm）可以看出，螺纹M4-5H中径尺寸为mm，M4-6H中径尺寸为mm，M4-7H中径尺寸为mm。7H与6H最大极限尺寸偏差相差0.032mm，6H与5H最大极限尺寸偏差相差0.023mm，即不合格支座螺纹精度超差量不超过0.032mm。为了补偿超差量，实际加工中螺纹精度提高到5H，补偿量为0.023mm，基本可以满足螺纹补偿量要求。对于出现的个别螺纹精度超差情况，可认为超差量很小，精度在6H与7H之间[4]。4

改进措施和工艺验证对加工工艺过程进行梳理，在产品合格率已得到很大提升的情况下，说明工艺方法合理可行。对超差项通过分析，认为导致螺纹精度超差是加工过程细节因素所致。为彻底解决支座螺纹精度问题，在支座加工过程的以下环节进行工艺改进。1）在攻丝机上攻螺纹时，主轴会出现微小摆动，随着加工深度的变化，螺纹口部切削时间相对较长，口部与根部尺寸会有微量差异。采取从支座螺纹背面攻螺纹的方法，以补偿加工过程中口部与根部的微量变化[5]。2）提高螺纹止规检测精度。支座螺纹依然按M4-5H精度加工，要求用螺纹塞规检验时，通规完全旋合通过，止规旋合圈数不超过1圈。3）燃烧室壳体热处理前喷砂工序中需对支座螺纹进行保护，改变以前用M4螺钉保护的工艺方法，重新设计专用保护螺钉，精度为M4-6f，并且将螺纹旋入长度控制在1圈，避免多次旋合磨损。4）改变清理方法，在燃烧室壳体组合机械加工后，先用压缩空气将支座螺纹孔内多余物吹干净，再用螺纹塞规M4-6H通规检验。若不能通过，先用M4螺钉清理，再用丝锥M4-5H清理，清理完后用螺纹塞规M4-6H检验。经过多次工艺试验验证，支座螺纹精度完全满足产品精度要求，产品合格率提升到100%，彻底解决了支座螺纹精度问题。5

结束语为保证在经过焊接、热处理后支座螺纹的高可靠性，通过以下措施控制螺纹精度。1）在零件状态将螺纹精度提高一级加工，支座螺纹精度