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铸造高温合金小直径螺纹孔加工工艺
Dec 14, 2012  来源:  作者:中航工业沈阳黎明航空发动机集团杨金发

      目前航空制造业小直径螺纹孔的加工是一项难题。经常出现丝锥折断在工件中,造成附加修复工序,影响产品质量与精度,甚至造成贵重零件报废。针对这种情况,在加工中选用性能良好的刀具材料和切削液,合理选择刀具结构、几何参数和切削用量,采用一些新装置并开发新的切削工艺,如螺纹铣技术、振动加工技术等在现有高性能的数控机床硬件的支持下,使得铸造高温合金小直径螺纹孔加工难题得以解决。

 

      典型材料如K465 材料有很强的“记忆”功能———加工后缩回原状的倾向。为克服这个问题,把底孔钻得大一点: 技术要求规定底孔2. 2 + 0. 060 mm,实际钻成2. 2 + 0. 11+ 0. 05mm,大了0. 05mm; 螺纹孔要求尺寸: MR2. 55H6H,其中孔深: 7 + 0. 03 0. 02 mm。这样既减少了螺纹的工作量,又有效地抵消了材料的回缩量。在铸造高温合金材料上加工螺纹的主要困难,是由于切削时产生的热量和工件材料的收缩包住了图1刀具,易造成刀具扭断。

 

      零件整体结构如图1 所示。

 

 

      一、手动攻螺纹

 

      1. 丝锥材料

 

      丝锥基体的强度很重要。由于工件的硬度和强度高,常使丝锥牙顶很快磨钝。在这种情况下,采用具有较高的韧性、红硬性以及抗变形和抗磨损性能高的丝锥比较好。

 

      ( 1) 钴高速钢材料硬材料工件的螺纹加工中,其抗弯强度、耐磨性、热硬度等性能指标可比普通高速钢提高2 3 倍。

 

      ( 2) 涂层刀具在加工螺纹过程中,会产生较高切削热并传递给刀具,从而使刀具硬度降低。螺纹刀具( 基体为高速钢) 经涂层后其表面硬度明显增高: TiN 涂层硬度可达2 300HV 以上,TiCN 涂层硬度可达3 000HV 以上。

 

      2. 丝锥的选择

 

      根据槽型选择丝锥,丝锥应具有较长的刀具寿命和良好的排屑结构、较高的质量稳定性和切削刃重复精度。通过调研,现在的丝锥有直槽丝锥、螺旋槽丝锥、螺尖丝锥、挤压丝锥等,其性能各有所长。特殊丝锥如跳牙丝锥,它间隔去掉一个牙,与工件之间的压力及摩擦力较小。跳牙丝锥的特点是:加工薄壁件内螺纹时不会造成薄壁件变形。用丝锥在塑性大和韧性高的工件材料中攻螺纹时,作用于螺纹齿侧面上的法向力易使工件产生很大的挤压变形,因而摩擦加大,会使攻出的工件螺纹表面粗糙度值较大,且易使丝锥损坏和卡死。可采用刀齿作成交错排列的跳牙丝锥,也即将丝锥刃瓣上的刀齿每隔一个去掉一齿,这样丝锥与工件之间形成单面接触,摩擦减少,转矩下降,不但可提高螺孔的加工质量,而且可防止丝锥损坏和卡死。跳牙丝锥用在低碳合金钢、铸造高温合金等难加工材料上的螺纹加工,它不仅可使攻螺纹过程进行得更为平稳,提高被切螺纹的精度,而且能使丝锥的寿命提高一倍左右。

 

      综合以上丝锥的特点,针对试验材料为K465 材料的性能特点,手动攻螺纹选择含钴高速钢材料的直槽丝锥和跳牙丝锥。根据现场实际,在零件实行大批量生产之后还可以用TiN 涂层丝锥。冷却措施采用液态氯化石蜡。

 

      二、螺纹铣削

 

      螺纹铣削是通过主轴高速旋转并做圆弧插补的方式加工螺纹。只要通过改变程序就可以实现不同直径的螺纹、左右螺纹及内外螺纹的加工,其柔性非常理想。螺纹铣削具有线速度高、受力小、排屑好、加工精度高、表面质量好等优点。

 

      1. 螺纹铣削的优势

 

      通过各个方面的对比,可以发现螺纹铣削存在很多优势。

 

      螺纹铣削加工与分层铣削柱面工艺基本相似,不受螺纹尺寸、结构及螺纹旋向的限制,同一把刀具可以加工出牙形相同的各种内外螺纹。加工过程中,可以简单地通过修改刀具半径补偿值,很容易解决螺纹中径过大或过小的质量问题; 另外,一把螺纹铣刀可以加工直径不同、牙形相同的螺纹。可减少刀具数量,节省换刀时间,提高效率,方便刀具管理,提高加工精度。切削速度高,加工出来的螺纹表面质量好。

 

      采用螺纹铣削,排屑方便,不易打刀。铣螺纹属于断屑切削,切屑短小,另外加工刀具直径比加工螺纹孔小,所以排屑通畅,不易形成粘屑的现象,改善了加工性。刀具即使断裂也容易处理,因为加工孔径比刀具大,折断部分很容易取出,可加工硬度较高的材质。

 

      2. 螺纹铣削的劣势

 

      加工普通螺纹时,单纯从单件成本考虑,采用螺纹铣削并不划算。长径比不能太大,否则,刀具容易折断。针对试验材料的结构,长径比较大,又要采用螺旋铣削的方式加工就得进行一定的技术创新,提高加工效率。

 

      3. 改进措施和效果

 

      采用螺纹铣削的方法是可行的,但是在现场实践中,在数控铣床上对刀比较困难,我们可采用找正对刀的方法解决。最终,根据现场加工效果来看,与手动攻螺纹相比,采用螺纹铣削可使加工效率提高5 倍以上,加工质量很好,而且只用一把刀具,真正实现了高效率、高质量、低成本加工。

 

      三、振动攻螺纹方法

 

      由于振动攻螺纹特殊的切削机理,它可以将有限的能量集中为脉冲形式释放出来,从而改善材料的切削性能; 丝锥的往复运动可以对已加工表面进行重复切削; 同时,由于刀齿从切削区周期分离从而改善了润滑状况。因此,该项技术具有很多独有的优点,如降低了攻螺纹转矩,提高了内螺纹质量,延长了丝锥的寿命等。因此,该项技术必将在难加工材料上的螺纹孔、深螺纹孔、小直径螺纹孔的加工方面发挥不可替代的作用。

 

      1. 加工工艺的改进

 

      在钻削中,那些孔深大于3 倍孔径的孔称为深孔。加工一个深孔螺纹,意味着刀具与工件之间需长时间接触。同时,在加工过程中会产生更多的切削热和更大的切削力。为解决这个问题,可以采用两种方案:

 

      ( 1) 增大螺纹底孔的直径合适的螺纹底孔对于螺纹加工是十分重要的。一个尺寸稍大的螺纹底孔能有效降低攻螺纹过程中产生的切削热和切削力。

 

      ( 2) 孔钻得深一些尽管图样上不一定要求螺丝清根,但实际的工况是要清根的。在盲孔攻螺纹中,为满足图样规定的要求,必须准备好空间让丝锥攻到足够的深度,这就要把孔钻得深一些,避免中心逐渐偏移的现象。

 

       ( 3) 切削速度铸造高温合金K465 具有大的弹性和变形率,因此需要采用相对较小的切削速度。圆周切削速度为0. 25 0. 35m/min。切削速度太小的话会导致工件的冷作硬化。

 

      2. 丝锥几何参数的改进

 

      前角和后角: 小前角可提高切削刃强度,从而增加刀具寿命; 而大前角有利于切削长切屑的金属。因此加工时,需综合考虑这两个方面的因素,选用合适的前角。大后角可以减小刀具和切屑之间的摩擦。针对K465 材料的性能,丝锥后角增大以减小摩擦和便于切削液到达切削刃,但过大的后角又会减小丝锥切入工件时的自定心能力。

 

      较大的倒锥: 对于强韧的加工材料,对于有弹性记忆的材料要选用螺纹长度较短的螺旋槽丝锥,以减小切削时的转矩。要求刀具带有较大的倒锥,从丝锥前部到柄部,逐步减小由于材料“反弹”造成的摩擦。因为丝锥与工件孔壁接触面积非常大,所以冷却至关重要。如果高速钢丝锥过热,则丝锥会折断、烧损。改进后的丝锥结构如图3 所示。丝锥材料选Y330 6Wo5Cr4V22Al ( M2Al) 切削部分铲背后角6° ~ 8°。

 

 

      3. 切削效果

 

      采用振动攻丝机优化切削参数后,效果很好,丝锥不易断裂,能够很好地完成加工任务,螺纹表面质量好,加工效率大幅提高。

 

      四、结语

 

      铸造高温合金小直径螺纹孔的加工是一项难题,运用螺纹铣削、振动攻螺纹等先进的加工方法,可以有效地解决生产瓶颈问题,实现难加工材料小直径螺纹孔的高质量、高可靠性、高效率和低成本加工。

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