钛合金攻螺纹技术及丝锥改进 中英合体

钛合金攻螺纹技术及丝锥改进 【 摘要 】钛合金是一种比重小、强度高、耐腐蚀和耐热等特性的金属结构材料。钛合金攻螺纹切削时刀具极易磨损，刀具寿命很短。通过对钛合金攻螺纹过程受力分析，将丝锥直槽变为螺旋槽，可以使切削热和切削力不至于过分集中于切削刃附近，改善散热条件，也可加强切削刃，减少崩损。 【 关键字 】 钛合金、攻螺纹、金属结构材料、热处理强化、丝锥直槽、螺旋槽 钛合金是一种比重小、强度高、耐腐蚀和耐热等特性的金属结构材料 。 型钛合金，不能热处理强化，通常在退火状态下使用，具有良好的热稳定性和热强性。 型合金，有较高的力学性能和高温变形能力，良好的韧性和塑性，能进行各种热加工和热处理强化。钛合金在 100150 c 仍有很高的强度，被广泛应用于火箭发动机外壳、航空发动机气机盘、叶片、结构锻件等。 钛合金是一种难切削材料，突出特点是刀具 极易磨损，刀具寿命很短。主要体现在： （ 1）切削层变形小由于钛合金的塑性低和钛的化学活泼性高，在高的切削温度下化学亲和性很强，容易与大气中的氧、氮等元素化合，从而脆性降低，切削变形小。 （ 2）切削温度高钛合金导热性很差，导热系数只相当于 45钢的 1/51/7切削热不容易传出，集中在切削区和切削刃附近较小范围内。 （ 3）冷硬现象严重一是切削过程中产生的塑性变形，另一方面在高的切削温度下，钛很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮，冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损程度。 （ 4）刀具容易磨损主 要有机械磨损：毛坯余量和组织不均匀，硬皮与刀具表面接触发生强烈的机械摩擦，使刀具受到不均匀的负荷造成崩刃现象。此外切削过程中已加工表面较大的弹性恢复，也使刀具磨损。粘接磨损：钛合金对刀具材料的亲和性很强，在切削温度高和切削力大的条件下，很容易与刀具中的某些元素如 C、 切屑的流出带走刀具材料中的质点。 2钛合金攻螺纹过程受力分析及改善措施 （ 1）切削层变化带来的丝锥受力不均匀丝锥攻螺纹过程属于半封闭式多刃薄切削过程，与车削螺纹相比较，切削条件恶劣。在工件底孔内切出的螺纹，是由丝锥切削 刃瓣上的各切削牙逐层切削而成的。不难看出，丝锥或工件旋转一周后，每个切削牙都前进一个螺距，并分别从工件上切除一层金属。用机用丝锥攻螺纹时，随着丝锥切入孔中，切削层总面积逐渐增加。当切削锥全部进入孔中工作时，切削层总面积达到最大值。当丝锥再继续前进时，由于校准部不起切削作用，所以切削层总面积不再增加。对于钛合金来说，因切削层巨大的摩擦力和塑性变形给运动中的丝锥受力带来了波动。一个最有效的改变办法是将螺纹孔底孔直径增加到所允许的上限，最大程度地减小切削层厚度。 （ 2） “陷切 ”造成的丝锥受力恶化攻螺纹时，作用在丝 锥各切削刃上的切削力可分解为轴向力 .F 、径向力 .F 、 和切向力 .F 、。切向力直接决定攻螺纹扭距的大小，其他两个分力则影响攻螺纹的切削过程。从图 2中可以看出，开始攻螺纹时，丝锥依靠在工件上切出的 因 之钛合金塑性变形，承受不了丝锥对工件的轴向力而产生接触变形，使丝锥的轴向前进量不足，各刃瓣滞后并在螺纹表面一侧切出阶台而造成 “陷切 ”现象。攻螺纹继续进行时，在 由 侧刃、顶刃切削时产生的轴向力合力 )和由 侧刃切削时产生的轴向力合力 )未趋平衡以前， “陷切 ”现象将继续发生。但随着丝锥与工件相接触的螺纹引导表面的增大，“陷切 ”量将逐渐减小；攻螺纹的 “陷切 ”现象直接影响螺纹一侧面的正确成形，并使其表面粗糙度值高，严重时足以啃住丝锥，使之处于抱死状态。 （ 3）攻螺纹过程中的摆动容易使丝锥单向嵌入工件基体中在丝锥正常工作的条件下，如前所述，由于同时工作的丝锥各切削牙切削宽度不等，使前面切削牙的切削面积大于后面切削牙的切削面 积，所以，作用在丝锥各刃瓣上的径向力不等，也使径向力的合力不等于零（ 0显然，在攻螺纹时，丝锥将偏向径向力小的一边，丝锥的轴线相对于孔的轴线将发生偏移，导致被加工的螺孔扩大同时也使丝锥紧贴在一边。当丝锥的切削锥长度较短，即导角 较大时，各刃瓣上切削牙的切削宽度差别愈大，中径扩大的可能性越大，故丝锥的切削锥长度不宜太短。 （ 4）攻螺纹扭矩的非稳定性攻螺纹的扭矩由三个部分组成，即切削扭矩、丝锥与已加工螺纹间的摩擦扭矩和由于 切屑堵塞在容屑槽内产生的扭矩。在正常切削的条件下，攻螺纹扭矩主要是切削扭矩，后一种扭矩所占的比重一般很小，可忽略不计。丝锥在通孔中攻螺纹时扭矩的变化情况。随着丝锥切入底孔，进行切削的牙数增加，攻螺纹扭矩增大。当切削锥全部进入底孔时，扭矩达到最大值。当丝锥的切削锥从孔的另一端露出时，攻螺纹扭矩开始减小。显而易见，攻螺纹扭矩基本上与丝锥切削层总面积成正比，攻螺纹扭矩的变化规律与丝锥切削层总面积的变化规律大致相同。为了避免在扭矩最大值时用力过猛，必须掌握所施加扭矩大小及缓急程度。另外还可以通过以下途径来有效地减小 攻螺纹扭矩： 1、增大前角使攻螺纹扭矩减小，例如前角为 8 时，假设扭矩为 100%，那么当前角变为 12 时，则扭矩就减小到 70%，前角 25 时扭矩仅达到原来的 53%，但是增大前角会使丝锥强度降低，也不利于散热，这一点应注意。 一选择尽可能少的丝锥刃瓣数即槽数，这是因为槽数的增加，一方面使切削厚度变薄，难以切削，另一方面增加了丝锥与工件摩擦面积，使丝锥扭矩变大，一般的四槽比三槽约增加 8%的扭 矩。 二选择对口的切削液，减小摩擦。如浓度较大的硫化油，添加 15%20%的四氯化碳，可降低表面粗糙度值和减小丝锥咬死的可能性。 3丝锥前面导向部分的导角既不能过大也不能太小，导角过大，切削层厚度大，受力容易崩牙咬死，切屑也不易卷曲，但导角过小，切屑过薄，在硬化层上摩擦，加剧丝锥磨损。另外丝锥校准部分不宜过长，否则和螺纹孔壁摩擦将会加剧，一般为 45个螺距。 4丝锥改进实例由于钛合金材料在加工过程中容易产生表面加工硬化，特别是加工小直径螺纹孔，成了难题。攻螺纹时由于缩孔，攻上几扣，就抱住丝锥，切削力特 别大，普通丝锥容易折断，使工件无法继续加工。基于上述受力分析过程，将丝锥的大径、中径、小径磨小并分为四个等级，每只丝锥相差 期减少切削力带来的影响，但是由于切削量小，工件又容易产生加工硬化，加工起来比较费劲，效率很低，攻上几个螺纹孔就不能继续使用了。后来我从改变切削的角度入手，经过多次反复实验，将丝锥直槽变为螺旋槽，即在原切削牙上按螺旋角度 磨去 12 扣，以减小丝锥与切屑的接触面积。前角 由原来的 108 减少至 20 ，使切屑与前刀面的接触长度小，既可以增加切屑与前刀面的接触面积，使切削热和切削力不至于过分集中于切削刃附近，改善散热条件，也可加强切削刃，减少崩损。 参考文献 : 1 高钟锍 M清华大学出版社 ,2002. 2 张建民 M北京理工大学出版社 ,2002. 3 王贵明 M机械工业出版社 ,2000. of to is of of is a of is on in of in to is a of of so . to of t be of in to c150100 . It is in of 1. of s is a is to is is to be is as (1)is of of as to It (2)5 1/7s in on (3)of on at to of of (4)is to is by of to in to be it is to in , Co,in of 2. is by (1)of in to to of it is to in to by of of as 1. It is to or a a a of in of in of do a of of of to no To of of of A of of to of to (2) in on in at , as 2. in to to in in JI on at to of I in of in in of of in on of of in go J, CD (aF a I, B is ), as . be ; of a of of to in it (3)in of to to be to of on as at of of in of of on of of 0 As 3. on to be in of at to in of at so of of be (4)of is is up of of up in in of of it to of 3 is of in of to go on in of of of in of to in of to in of of of In to in or In it in It is it in t as 00%, 0% 3% at to as as is is to on on of % of 3 as 5%0% , to be of to is