航空零部件的内螺纹铣削
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难加工航空材料的J型内螺纹加工是最具挑战性的金属切削加工之一。但即使采用了最先进的新型丝锥,这种加工仍然会受到性能不一致、刀具寿命短、螺纹质量差、丝锥易折断等难题的困扰。
难加工航空材料(如Inconel 718、钛合金、15-5 PH/17-4 PH不锈钢等)的J型内螺纹加工是最具挑战性的金属切削加工之一。传统的J型内螺纹加工方式包括机动攻丝、手动攻丝或这两种攻丝方式相结合。但是,生产航空零部件的加工车间即使采用了最先进的新型丝锥,仍然会受到性能不一致、刀具寿命短、螺纹质量差、丝锥易折断等难题的困扰。
鉴于航空零部件所用金属材料和加工时间成本很高,以及内孔螺纹加工通常是最后一道工序这一事实,造成工件报废或需要返工的螺纹质量问题可能代价极其高昂。
具有能精确生成3轴走刀路径的计算能力、加工柔性和机械可靠性的CNC数控机床,加上先进的螺纹铣削技术,使加工车间能够超越攻丝的各种局限性以及代价不菲的质量问题。现在,人们可以利用铣削内螺纹的诸多优势,大幅节省加工成本和提高零件质量。
航空材料螺纹铣削的加工优势主要来自于新型整体硬质合金螺纹铣刀的创新性设计,以及内螺纹铣削与攻丝加工之间的基本差异。

图1 螺纹导程示意图(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

攻丝的局限性

丝锥是按照始于前锥部的切削刃的间隔顺序来切除工件材料的,而且处于连续切削状态(图1)。此类刀具产生的长切屑必须借助于丝锥螺旋槽才能从工件螺孔中排出。此外,丝锥的外径尺寸与被加工螺纹直径相同,因此在切削过程中,丝锥与工件始终保持完全接触,从而会产生很大的切削扭矩。
为了解决排屑问题,丝锥设计的重点是容屑槽和前刀面形状;同时,为了减小切削扭矩,重点则是丝锥后角的设计。
航空材料往往呈现出特别困难的特性组合——既有高韧性,又有很大的收缩性,即使是最先进的丝锥设计也很难兼顾。此外,许多航空零件要求在盲孔中加工出全螺纹,即螺纹一直要延伸到距孔底小于一个螺距处。然而,切削锥长度为一扣螺纹的丝锥加工性能较差,很容易因切削扭矩过大而折断。因此,许多航空零件的螺纹加工不得不先在机床上用长切削锥丝锥进行机动攻丝,然后用短切削锥丝锥手动攻制最后2-3扣螺纹,即为了避免丝锥折断,需要增加耗时费力、成本不菲的二次加工,而且常常会引起螺纹光洁度差、尺寸过大等质量问题。

螺纹铣削的优势

与攻丝加工不同,圆周螺纹铣削是一种断续切削加工,切除的工件材料形成短小、易断、形似猪尾的彗状切屑。短切屑需要的容屑槽空间较小,并且在主轴高速旋转和内冷却刀具高压冷却液的作用下很容易排出螺孔。此外,螺纹铣刀的直径要小于螺纹小径(即预孔直径)。因此,加工时刀具表面只有一小部分与工件接触,大大减小了切削扭矩。刀具直径小于预孔直径还使操作者可以采用粗铣加工,从而也能降低切削扭矩。
切削原理上的这些主要区别使螺纹铣刀与丝锥相比更具优势,主要体现在切屑的形成和排出更有效,切削扭矩显著降低。此外,螺纹铣刀无需像丝锥那样采用多扣切削锥来优化加工性能,因此可在不影响刀具性能的情况下加工出距孔底不到一个螺距的全螺纹。
除了螺纹切削原理的基本区别以外,螺纹铣刀的设计和制造方式也增加了其铣削加工航空材料的效益和安全性。采用微米晶粒硬质合金牌号烧结并经过热等静压处理制成的螺纹铣刀兼具均衡的耐热性、耐磨性、抗弯性和抗冲击性。这些特性使其能胜任高速大进给螺纹铣削,加工硬度高达HRC58的工件材料,并具有很长的刀具寿命。

图2 螺纹铣刀直径小于预孔直径铣刀沿椭圆轨道转动,以减小切削扭矩(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 螺纹铣刀廓形修正示意图(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

螺纹铣刀的特点

与丝锥一样,螺纹铣刀的切削几何形状也会影响刀具的加工性能。高品质螺纹铣刀的主要特点与其前刀面、螺旋槽、后角以及刀具廓形的精确修正有关。
成品螺纹的廓形是否符合要求,取决于刀具的磨制方式。由于圆形螺纹铣刀上磨制了螺纹槽,因此其螺距是非连续的,但加工出的成品螺纹必须为连续螺距。为实现这一要求,铣刀必须相对于螺纹牙形角沿椭圆轨道转动(图2)。这种椭圆轨道可使铣刀上螺纹槽的角度与成品零件上的螺纹牙形角有所不同。为此,必须按照经过修正的廓形精确磨制铣刀上的螺纹槽,以确保成品零件的螺纹面不会过切。
需要对螺纹铣刀廓形进行修正的程度取决于刀具直径与螺纹大径之比,以及螺纹的导程角与侧面角之比。不过,直径之比是首要决定因素。铣刀的直径越大,需要对其廓形进行修正的程度也越大(图3)。选用较大的铣刀直径是可取的,因为这样可以提高刀具的刚性和强度。但是,随着刀具直径与螺纹大径比率的增大,刀具精磨加工的复杂程度也大大增加,而且,为了确保刀具廓形符合要求,需要采用非常先进的磨削技术。
为了在不牺牲铣刀刚性和强度的前提下加大刀槽长度和增加内冷却功能,生产具有大横刃直径的螺纹铣刀是最好的方式。采用内冷却方式可确保刀具切削刃获得充分冷却,并将切屑冲刷出螺孔,从而使刀具可以自由切削,避免因对切屑进行二次切削而发生崩刃或破损。
螺旋槽式螺纹铣刀上有多个螺旋槽,其主要作用是减小切削力,而不是像螺旋槽丝锥那样主要用于将切屑排出螺孔。除了铣刀基体和精密磨制的几何形状以外,有效的涂层(如TiCN涂层)也有助于提高切削刃的耐磨性和热稳定性。

链接:J型螺纹

J型螺纹(又称为“控制牙底半径螺纹”)主要应用于需要承受高温、高应力,以及要求具有与零部件尺寸和重量相称的高疲劳寿命的工作环境,如飞机发动机和机架、导弹、航天器以及对尺寸和重量要求严苛的类似设计领域。
J型内螺纹采用美国军用标准MIL-S-8879规定的、修正小径的统一牙型(与国际标准ISO 5855/1《MJ螺纹基本牙型》和中国国军标GJB3.1-82《MJ螺纹基本牙型》基本一致),并采用3B公差等级。
由于J型系列螺纹对安全性要求极其严格,因此不允许存在质量缺陷,使其成为航空航天工业最具挑战性的金属切削加工之一。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》
上载于:2014-3-11 13:44:19

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