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钛合金的攻丝扭矩以及丝锥的研究

更新时间:2018/07/05 09:31:43    浏览次数: 519     文章来源: 搜钛网

摘 要:钛合金是一种具有比重小、强度高、耐腐蚀和耐热等特性的金属材料。本文主要针对钛合金攻丝过程中的扭矩和丝锥进行分析,对实际的加工具有很强的参考价值。

关键词:钛合金;攻丝;扭矩;丝锥

1、概要

钛合金是高强度耐热合金,它的切削加工性很差,螺孔攻丝就更为困难。它的工艺特点是被加工出的新生表面有很高的化学活性,很容易和氧、碳、氮生成一层坚硬的化合物,这是一层深度大的冷作硬化层;它又很容易和丝锥表面结合成牢固的金属化合物,使丝锥产生粘接磨损。攻丝时,冷却、润滑和排屑条件比其它切削加工更差一些。如果用一般碳钢丝锥加工,切屑厚度薄,切削在强度和硬度都高的冷作硬化层内进行,有时丝锥只攻4-5个螺孔,切削刃后面就被磨钝或产生崩刃和折断。而且切屑和孔壁、丝锥之间发生强烈的摩擦,有尖锐的吱叫声,加工粗糙度差,所以钛合金攻丝是一道困难的加工工序。

2、钛合金的攻丝

2.1 钛合金切削特点

钛合金是一种难切削材料,切削过程中切削层变形小。由于钛合金的塑性低并且钛的化学活泼性高,在高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,从而使脆性提高,切削变形小。此外,钛合金在切削过程中切削温度高。钛合金导热性很差,导热系数只相当于45号钢的1/5-1/7。切削热不容易散出,主要集中在切削区和切削刃附近的较小范围内。切削过程中产生的塑性变形,在高的切削温度下,使得钛很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮,而产生冷硬现象。

丝锥攻丝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。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。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。

2.2 钛合金攻丝扭矩

进行钛合金攻丝时,作用在丝锥各切削刃上的切削力可分解为轴向力Fa1.Fa2,径向力Fr1Fr2和切向力Ft1Ft2。切向力直接决定攻丝扭矩的大小,其它两个分力则影响攻丝的切削过程。开始攻丝时,丝锥依靠在工件上切出的螺纹侧而被引导前进,但因引导面太小,加之钛合金塑性变形,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台阶而造成陷切现象。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;攻丝的陷切现象直接影响螺纹侧面的正确成形,并使其光洁度下降;严重时会啃住丝锥使之处于抱死状态。

攻丝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,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。从而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。显然,在攻丝时,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,导致被加工螺孔扩大的同时也使丝锥紧贴在一边。当丝锥的切削锥长度较短时(导角较大时),各刃瓣上切削牙的切削宽度差别就大,中径扩大的可能性也大,故丝锥的切削锥长度不易太短。

3、攻丝扭矩及丝锥改善

3.1 攻丝扭矩改善

增大丝锥前角使攻丝扭矩减小,例如前角为80°时,假设扭矩为100%,那么当前角变为12°时,则扭矩就减小到70%,前角为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。在选择丝锥时应尽可能选择少的丝锥刃瓣数即槽数。丝锥槽数的增加,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,一般是4槽比3槽扭矩增加约8%的扭矩。选择合适的冷却润滑液可以减小摩擦,如浓度较大的硫化油,添加15%-20%的四氯化碳,可提高表面光洁度和减小丝锥咬死的可能性。此外,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,受力后容易崩牙咬死,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。

3.2 丝锥的改进

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。攻丝时由于缩孔,攻上几扣,就抱住丝锥,切削力特别大,普通丝锥很容易折断,使工件无法继续加工。

通过将丝锥的大径、中径、小径磨小并分为4个等级,每个丝锥相差0.1mm,以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。在通过将丝锥直槽变为螺旋槽,即在原切削牙上按螺旋角磨去1-2扣,可以减小丝锥切削时的接触面积。减小前角的角度,使切屑与前刀面的接触长度增大,切削热和切削力不至于过分集中于切削刃附近,改善了散热条件,也可加强切削刃,减少崩损的可能性。增大后角可以减小摩擦力,这是因为己加工表面金属弹性恢复大,加工硬化程度高,丝锥后面的切削牙是在前面切削牙所产生的加工硬化层上进行的,后角过小极易磨损,同时切屑不易切离、卷曲、折断,导致被加工螺纹表面缩小,紧紧抱住丝锥的刃瓣后刀面。增大切削槽角度,使刃瓣的有效宽度变小,以减小摩擦面积。

[参考文献]

[1]杨叔子,主编.机械加工工艺师手册.机械工业出版社.2002.

[2]苟琪,陈鼎昌.钛合金攻丝工艺研究.航空制造技术.1999.

[3]任红军,鞠伟.钛合金攻螺纹技术及丝锥改进.机械工人(冷加工).2006.

 

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