汽车电子用钛零件钛管等钛合金材料攻丝技术的开发

1 、引言

钛合金攻丝为半封闭式切削,钛合金的弹性模量小,在攻丝过程中产生较大的回弹,使丝锥与零件接触面积增大,造成了很大的摩擦扭矩,攻丝时切屑细小不易卷曲,排屑困难[1],往往造成丝锥被咬住、扭断等恶性事故[2],本文提出解决钛合金攻丝问题的关键是减小攻丝时丝锥与零件的接触面积,选择合理的丝锥几何参数及结构,保证钛合金零件攻丝的质量。

2 、钛合金攻丝的难点

钛合金零件攻丝时由于切削区温度高,丝锥的齿背与被加工零件的螺纹接触面积大,丝锥攻丝时应力大,容屑面积小,切屑不易排出,使丝锥磨损严重,丝锥参数不易控制,造成零件变形大,切削液选择不当,易使钛合金发生化学反应生成 TiO₂、TiN 等脆硬层,降低了零件疲劳强度,也加剧了丝锥的磨损。 钛合金壳体零件攻丝如图 1 所示。

零件材料为钛合金 TC4,6 - M3 螺纹分布在回转体零件的外圆曲线面上,加工的螺纹与零件的回转中心成一角度,攻丝时标准丝锥的后角太小,锥心角厚度大,倒锥量加大,使攻丝时不起导向作用,易使丝锥打滑、卡死、扭断,造成尺寸超差。 影响壳体零件攻丝加工的因素很多。

2. 1 容屑空间小

攻丝时由于丝锥的齿数多,容屑空间小,使丝锥咬住,切屑不易顺利排出造成钛合金零件在攻制螺纹时拉丝,使零件超差报废。

2. 2 加工后回弹大

钛合金弹性模量小、屈强比大,攻丝时产生较大的回弹,造成了很大的摩擦力,引起丝锥磨损、崩刃,使加工的零件超差。

2. 3 丝锥易磨损

钛合金材料攻丝时,材料间扭矩大于碳钢的 2倍,钛合金切削变形系数远比其它金属小,因此丝锥攻制螺纹时摩擦界面温度高,丝锥易折断。

2. 4 零件接触面积大

由于钛合金亲和力大,攻丝时切屑细小不易弯曲,易产生粘刀现象,切屑挤在丝锥切削齿上的沟槽里中不易排出,造成刀具粘接产生积屑瘤。

3、 解决办法

3. 1 减少丝锥的齿数

减少齿数,采用双圆弧截面的容屑槽,适当减小锥心厚度,达到增大容屑空间的目的。

3. 2 合理的丝锥角度

为了减小丝锥的磨损,在校准齿上留出韧带0. 2 - 0. 3mm,加大后角到 20° - 30°并沿丝锥全长磨去齿背中段,防止攻丝时产生较大的回弹,保留 2 -3 扣校准齿后,将倒锥量由(0. 05 - 0. 2)mm/ 100mm增大至(0. 16 - 0. 32)mm/ 100mm,减小丝锥与零件的摩擦力。

3. 3 合理的丝锥结构

为了减小丝锥的扭矩,将齿背宽度减小(磨去)1 / 2 - 1 / 3,提高丝锥的刚性,采用跳牙丝锥在切削齿上相间地去掉螺扣,改善切削条件,降低了扭矩。 其结构如图 2 所示。

3. 4 合理的攻丝用量

攻丝时除了应选择合适的丝锥,还要选择合理的钻孔直径。 在攻制钛合金时,牙高率不应超过70% ;当牙高率超过 70% 时,攻丝扭矩会急剧上升,而 70% 的牙高率并不影响螺纹连接强度。 切削速度控制在 5. 7 - 8. 8mm/ min 较合适,可以提高丝锥的耐用度,减少丝锥后刀面的磨损。

3. 5 合理的注入方式

钛合金攻丝时,不宜选用水基切削液,避免水在高温下形成蒸汽泡附着在切削刃上,在攻丝时产生积屑瘤,使切削不稳定,切削液宜选用蓖麻油 60%和煤油 40% 的混合液。

4 、实例应用

加工钛合金壳体零件 6 - M3 螺纹时,选用跳牙丝锥,材料为 WGMo5Cr4V2Al。

(1)在丝锥切削齿上相间地去掉螺扣,以改善切削条件。

由表 1 可见,采用跳牙丝锥的扭矩是标准丝锥的 1 / 3. 4 ~ 1 / 2,为修正丝锥的 1 / 2,8 ~ 1 / 1. 7。 因此选用跳牙丝锥能满足钛合金零件的攻丝质量,降低丝锥的扭矩。

(2)加大后角,减少丝锥与零件之间的接触面积,使切削扭矩显著下降。

(3)采用跳牙丝锥时,砂轮外缘顶部不需要过分尖锐,改善了磨削条件。

(4)在钛合金零件攻丝 M3 螺纹前,螺纹底孔加工直径 = 螺纹直径 - 2 × (标准牙高 × P × 70% ) = 3- 2 × (0. 5413 × 0. 5 × 70% ) = 2. 6(mm)。

(5)采用了间齿攻丝,改变了回弹压力,相邻丝扣侧刃之间有较宽的空间,改善了容屑和切削液进入切削区的条件,使切削齿始终处于较好的润滑状态,提高了刀具耐用度。

由表 2 数据可见,采用跳牙丝锥攻制钛合金比修正丝锥攻制钛合金丝锥的耐用度大得多。为了保证钛合金壳体零件在斜面上的攻丝直线度,在切削丝锥前端做出导向柱,以免丝锥刚攻入时产生歪斜。

5 、结语

本文介绍钛合金壳体(TC4) 零件攻丝时,根据不同的丝锥结构,合理选用丝锥材料、切削速度、结构参数、攻丝液,提高丝锥的耐用度,降低攻丝扭矩,保证钛合金壳体零件的攻丝质量,通过多批次的零件加工,使零件合格率由 80% 提高到 98% 左右。

参考文献

[1]何风岐. 钛合金切削扭矩模型[J]. 航天制造技术,1984(S1).

[2]任红军,鞠伟,张俊霞. 钛合金攻丝技术及丝锥改进[J].机械制造,2005(3):52 - 54.

第一作者:张利军,西安北方光电科技防务有限公司技术中心工艺研究所,710043 西安市

First Author: Zhang Lijun,North Electro - optic Co. ,Ltd Technology Center Institute of Technology, Xi’an 710043, China

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