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钛合金材质的MJ盲孔螺纹加工的研究

发布于:2018-12-13 10:04 编辑:志峰钛业 浏览:

  【摘 要】本文对MJ螺纹特殊结构和钛合金的机械加工进行了分析,针对盲孔螺纹加工问题及生产刀具开展了工艺研究,通过探索明确了解决问题的方法,消除可能造成质量问题的各种因素,使MJ高强度螺纹得以在产品结构上实现。本文的研究对于合金材质内螺纹的加工具有实际意义,可推广于各种钛合金材料零件的制造。

  【关键词】钛合金 MJ高强度螺纹 刀具 加工试验

  0 引言

  钛合金具有比重小,强度高,热能性好,300℃-400℃都有极高的比强度、耐高温、高韧性、较宽的工作温度范围和抗疲劳性好等优点,尤其是具有优异的抗腐蚀性能, 在航空航天领域发挥了很好的作用。但是钛合金材料的导热系数小、弹性模量低、化学活性高,机械加工困难。

  1 现状分析

  (1)螺纹的连接与紧固是产品结构中最常用最重要的一种方式,是整合零件和对外接口的灵魂,尤其是支架结构,详见图1:

  从图1所示, 支架主要靠上下几枚螺钉紧固,形成整体来完成使用功能,为达到产品强度要求,采用MJ米制螺纹紧固件,该螺纹具有以下优点:a.强度高、重量轻、强度等级一般在900MPa以上,最高可达1800MPa;b.精度高,防松性能好,可靠性高;c.适应环境复杂,包括狭小的装配空间、大气环境、水下环境、太空环境等。

  (2)针对钛合金MJ盲孔螺纹的加工,最具有代表性的零件是支架连接条,以此为例来作分析研究。零件结构图见图2:

  零件材料:TC4R 轧 GB/T2965-1996

  研究对象:内螺纹盲孔MJ5×0.8-4H6H, MJ6×1-4H6H。

  现行加工中,用普通钻头钻底孔后,先头攻再二攻,或直接上二攻、干攻或加冷却液攻丝,丝锥均有跳动,口部晃动厉害, 形成喇叭口。攻丝中进易退难,排屑不畅, 由于根部很紧,在退刀时阻力大,卡得很紧, 丝锥易被拧断。丝锥头部磨损快,损耗大。攻后用陕西航空安峰精密机床厂专用MJ塞规检,都出现了口部止规过3牙以上,根部很紧,通规不过,拧不到位的情况。清除毛刺切屑后回攻,则出现通止规都过的情况。

  因为螺纹盲孔狭窄细长,孔深不通,内部存在很多不可定因素,尤其是螺纹牙根底,刀具嵌入基体后,发生切削,散热差和排屑困难是大家所共知的,加之钛合金的导热系数小,在加工钛合金时切削温度高, 在相同条件下, 加工TC4的切削温度比45号钢高出1倍以上,加工时产生的热量很难通过工件释放; 钛合金的比热小, 加工时局部温度上升快, 因此, 造成刀具温度很高, 刀尖急剧磨损, 使用寿命降低。钛合金弹性模量低, 使已加工表面容易产生回弹, 特别是深孔零件的加工回弹更为严重, 易引起刀具后刀面与已加工表面产生强烈摩擦, 从而磨损刀具和崩刃。钛合金化学活性很强, 高温下易与氧、氢、氮发生作用,形成高硬度的的富氧层,难于加工。所以钛合金的MJ盲孔螺纹的机械加工是有待研究解决的主要问题。

  2工艺技术研究

  2.1 MJ螺纹与普通螺纹的结构分析与比较

  (a)MJ螺纹是一种“螺纹牙底圆弧半径加大并受控”的米制螺纹, “M”表示米制, 以“J”字形表示螺纹牙底形状。加大螺纹牙底圆弧半径,是为了减少螺纹承载的应力集中,提高螺纹的抗疲劳寿命。这种螺纹的抗疲劳寿命是普通螺纹的两倍以上,所以MJ螺纹又称“抗疲劳螺纹”。

  (b)普通螺纹的基本牙型如下图:

  螺纹的基本牙型是指截去原始三角形顶部H/8和底部H/4后所形成的牙形。普通螺纹的原始三角形为等边三角形。见图4。

  MJ螺纹的基本牙型与普通螺纹相比,区别是螺纹小径的削平高度由H/4增大到5H/16。这是由于相应外螺纹的牙底采用了最大圆弧半径(0.18042P, P是螺距)的结果。见图5。

  (c)螺纹的实体牙型如下图:

  (d)普通螺纹的承载应力截面积少,所能承受的拉力载荷值降低,螺旋升角大,自锁性能不理想。而MJ螺纹的小径因牙底圆弧半径的加大而变大,再加上应力面积计算公式的差异,使得MJ螺纹的抗拉能力有了一定的提高。 MJ螺纹的全部牙底圆弧形状,包括不完整螺纹的收尾,都必须圆滑过渡,而且圆弧的曲率半径都不能小于0.15011P。 所以抗疲劳强度高是MJ螺纹最显著的特点。

  那么,钛合金材质的MJ螺纹优越的特殊结构形状怎么加工实现呢?

  2.2 刀具的几何参数

  (1) 钻头:

  针对MJ螺纹结构,钻螺纹底孔的钻头的设计要保证排屑流畅, 为了保证良好的排屑和冷却, 采用较大的螺旋角为25°~30°, 钻头螺旋槽要求抛光处理,钻芯厚度为钻头直径的1 /4。为了使钻头有足够的强度和定心作用, 可根据实际情况修磨横刃。为了增大切削厚度和切削宽度,钻头顶角为135°~140°(通常为118°), 钻头后角为12°~15°。

  图7 普通麻花钻头结构

  (2) 丝锥: