鈦合金大深徑比微盲孔高速擠壓攻絲工藝研究

王玉皓,蘇國勝*,李 堯,張禎瀅,王寶林

1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,濟(jì)南 250353 2.濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司,濟(jì)南 250353 3.山東省電子信息產(chǎn)品檢驗(yàn)院,濟(jì)南 250353

鈦合金密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕抗疲勞、具有良好的高溫性能和焊接性能,應(yīng)用領(lǐng)域已涉足航空航天行業(yè),大幅減輕了航天結(jié)構(gòu)的重量并提高了這些結(jié)構(gòu)的安全可靠性[1-2]。而鈦合金屬于難切削材料,特別是對鈦合金的小孔攻螺紋十分困難。攻絲和其他加工操作(如銑削或車削)相比,絲錐在攻絲過程中受力不均勻、受力復(fù)雜,扭矩不穩(wěn)定[3],往往會因?yàn)楣ソz扭矩超過絲錐的強(qiáng)度極限而導(dǎo)致絲錐折斷,而高扭矩的形成歸因于刀具與材料之間產(chǎn)生的摩擦阻力[4],為了減小鈦合金小孔螺紋攻絲時(shí)絲錐斷裂可能性,需要深入探索鈦合金零件小螺紋攻絲工藝。

目前小直徑螺紋孔的加工逐漸由切削方式加工向擠壓加工轉(zhuǎn)變。擠壓絲錐通過擠壓形成螺紋孔,由于在擠壓成形過程中金屬纖維并未被切斷,屬于無屑加工,故而成形的螺紋孔有合理的流線分布,更好的機(jī)械性能,更大的承載能力[5-6]。王光書等[7]提出改進(jìn)螺紋底孔直徑和配置適當(dāng)?shù)那邢饕菏翘嵘伜辖鹦÷菁y攻絲效率的關(guān)鍵。菅悅等[8]基于切削—擠壓復(fù)合理論基礎(chǔ),探究了一種新型加工內(nèi)螺紋的刀具—新型劈擠壓絲錐,能夠減小錐齒和被加工材料的摩擦面積。張明等[9]將擠壓絲錐螺紋牙型設(shè)計(jì)成圓頂圓底形狀,通過去除擠壓錐前端不完整齒和增加表面拋光處理等工藝方法提高了絲錐的使用壽命。Kei-Lin[10]證明,攻絲時(shí)施加絲錐進(jìn)給方向或工件軸向的振動能大幅度降低攻絲時(shí)的扭矩。Lu等[11]研究表明過低或過大的主軸轉(zhuǎn)速可能會增加攻絲扭矩,導(dǎo)致孔內(nèi)的攻絲斷裂。Juliano等[12]利用M6擠壓絲錐攻絲鋁合金時(shí),發(fā)現(xiàn)攻絲速度是影響成形扭矩的最主要因素。Ribeiro等[13]分別用M3切削絲錐和擠壓絲錐在不同切削速度下攻絲Ti-6Al-4V,發(fā)現(xiàn)在低的攻絲速度下螺紋輪廓能夠得到充分加工,而在高的攻絲速度下螺紋表面質(zhì)量更加光潔。穆金成等[14]建立了螺旋槽擠壓絲錐模型模擬絲錐的攻絲過程,發(fā)現(xiàn)在所選轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),隨著轉(zhuǎn)速的提高,扭矩先減小后保持相對穩(wěn)定,最后又增大。

綜上,盡管在改進(jìn)鈦合金小孔攻螺紋的工藝方面已有大量研究,但有關(guān)鈦合金小孔高速攻絲的研究還不多。本文以M1.2擠壓絲錐攻絲Ti-6Al-4V盲孔為例,探究了25～2 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍Ti-6Al-4V的攻絲扭矩和螺紋形貌,并利用DEFORM-3D有限元模擬軟件模擬了實(shí)驗(yàn)過程,得到了所選轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最佳轉(zhuǎn)速,可為鈦合金大深徑比微盲孔高速擠壓攻絲工藝提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用長為100 mm、寬為50 mm、高為10 mm的Ti-6Al-4V板,化學(xué)成分如表1所示。Ti-6Al-4V的室溫力學(xué)性能如下[15]:屈服強(qiáng)度σ0.2為821 Mpa,抗拉強(qiáng)度σb為872 MPa,斷后伸長率δ為22.5%,斷面收縮率ψ為48.16%。

擠壓絲錐選用制造行業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)螺紋絲錐,型號為EH10070012,如圖1所示,所用絲錐的材料和尺寸特征如表2所示。

表1 Ti-6Al-4V化學(xué)成分 %

表2 實(shí)驗(yàn)絲錐材料和尺寸特征

圖1 試驗(yàn)絲錐示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在VDF850立式加工中心進(jìn)行,如圖2所示。實(shí)驗(yàn)采用干切削,利用加工中心鉆削指令(G83)預(yù)先加工好底孔,再利用攻絲指令(G84)完成螺紋孔的加工。攻絲過程扭矩變化曲線在切削測力儀中獲得,測力儀型號為Kistler9129AA,如圖3所示。

圖2 VDF850立式加工中心

圖3 Kistler912 9AA切削測力儀

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中所用的加工參數(shù)及主軸轉(zhuǎn)速如表3所示。

表3 加工參數(shù)及主軸轉(zhuǎn)速

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同轉(zhuǎn)速下的扭矩變化

通過測力儀得到不同轉(zhuǎn)速下的扭矩變化圖如圖4 a)至g)所示。由圖可以看到各個(gè)轉(zhuǎn)速下完成一個(gè)攻絲過程的扭矩變化趨勢基本相同:在擠壓階段,擠壓絲錐從底孔倒角處進(jìn)入,扭矩成不斷上升狀態(tài)；在擠壓與校正階段,擠壓絲錐錐齒全部與工件內(nèi)壁接觸參與攻絲,同時(shí)在這一階段的末期達(dá)到扭矩峰值,此時(shí)也是絲錐最容易發(fā)生斷裂的時(shí)刻；在校正階段,絲錐逐漸退出,扭矩從最高點(diǎn)開始下降,直到絲錐完全退出。本實(shí)驗(yàn)中,在轉(zhuǎn)速50、100、500、1 000、1 500、2 000 r/min下,絲錐均安全退出,而在轉(zhuǎn)速為25 r/min時(shí),絲錐在擠壓校正階段達(dá)到扭矩峰值時(shí),絲錐發(fā)生了斷裂。利用擠壓攻絲扭矩過程中的變化曲線,可以將其成形過程中扭矩峰值作為標(biāo)定整個(gè)成形過程扭矩的指標(biāo)。

取不同轉(zhuǎn)速下擠壓與校正階段的扭矩峰值進(jìn)行比較,如圖5所示?？梢钥闯?隨著轉(zhuǎn)速提高,扭矩整體呈下降趨勢,在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)扭矩最大值達(dá)到最低,比在25 r/min時(shí)扭矩最大值降低了79%左右,比在50 r/min時(shí)扭矩最大值降低了44%左右,比在100 r/min時(shí)降低了39%左右,比在500 r/min時(shí)降低了18%左右,比在1 000 r/min時(shí)降低了8%左右。由于Ti-6Al-4V材料的導(dǎo)熱系數(shù)低,在低轉(zhuǎn)速時(shí)由于產(chǎn)生的不均勻熱和加工表面的彈性回復(fù)使得絲錐和加工表面產(chǎn)生了較多的粘附,導(dǎo)致了過多的摩擦凹凸面,進(jìn)而增加扭矩,絲錐甚至發(fā)生斷裂；而隨著轉(zhuǎn)速的提高,溫度升高到一定程度,材料發(fā)生了高溫軟化效應(yīng),回彈應(yīng)變中一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱怂苄詰?yīng)變[16],從而在一定程度上減小了絲錐與加工表面的接觸摩擦,摩擦扭矩降低。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下攻絲過程扭矩峰值

2.2 螺紋表面質(zhì)量及牙形

螺紋的質(zhì)量會影響連接的緊固性和螺紋壽命。使用電火花線切割將螺紋試樣切割成兩半,選取轉(zhuǎn)速50、100、1 500、2 000 r/min下的螺紋孔橫截面,利用超景深觀察其輪廓尺寸,結(jié)果如表4和圖6 a)至d)所示。比較表4和圖6可知,在1 500、2 000 r/min高轉(zhuǎn)速下所加工的螺紋輪廓尺寸與所用M1.2絲錐的外徑、內(nèi)徑、螺距、牙型角十分接近,比在50、100 r/min低轉(zhuǎn)速下的螺紋輪廓尺寸更為精確,加工輪廓也更加完整。

注： a)50 r/min;b)100 r/min;c)1 500 r/min;d)2 000 r/min

擠壓絲錐攻絲的加工過程是靠金屬塑性流動而成型的,所以加工的螺紋牙形并不完整,而是成“U”形。正常情況下,加工的螺紋牙形高度占全齒高的65%～75%[17],如圖7所示。

圖7 擠壓絲錐攻絲牙形圖

對50、100、1 500、2 000 r/min螺紋輪廓的橫截面進(jìn)行了拋光,對其牙形微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,結(jié)果如圖8 a)至d)所示。由圖可知牙形的塑性變形主要集中在牙頂和牙側(cè)處；1 500 r/min和2 000 r/min高轉(zhuǎn)速下的牙形符合正常的螺紋牙形高度,而50 r/min和100 r/min低轉(zhuǎn)速下的牙形高度明顯變高。在50 r/min和100 r/min低轉(zhuǎn)速攻絲過程中的不均勻摩擦使得Ti-6Al-4V表面向錐齒底發(fā)生大的回彈和塑性變形,絲錐退出后,牙底“U”形拉長,牙形高度增加；而在1 500 r/min和2 000 r/min高轉(zhuǎn)速下,高的變形速度和溫度升高使得Ti-6Al-4V表面塑性變形加大,回彈量減小,產(chǎn)生了較為理想的牙形。

注： a)50 r/min;b)100 r/min;c)1 500 r/min;d)2 000 r/min

3 M1.2擠壓絲錐攻絲Ti-6Al-4V的成形仿真

DEFORM-3D可以對金屬成形過程的三維流動進(jìn)行模擬分析,具有高度模塊化、集成化的有限元模擬系統(tǒng)、有限元網(wǎng)格自動生成器以及網(wǎng)格重分自動觸發(fā)系統(tǒng)[18]。應(yīng)用DEFORM-3D軟件對擠壓攻絲過程進(jìn)行數(shù)值模擬,可以對攻絲成形過程的扭矩變化及應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

DEFORM-3D中沒有與絲錐模擬加工相對應(yīng)的模塊,所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù),需要在三維軟件Solidworks建立與絲錐加工過程相對應(yīng)的絲錐和工件模型,最后將擠壓絲錐和工件模型分別轉(zhuǎn)化成DEFORM-3D可以識別的STL格式并輸出。

在DEFORM-3D前處理設(shè)置中,工件材料選用材料庫中Ti6-Al-4V為模擬材料,溫度為20 ℃,設(shè)為塑性,網(wǎng)格劃分為80 000 個(gè),同時(shí)用Meshing Window選項(xiàng)進(jìn)行切削區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化,得出最小網(wǎng)格尺寸為0.05 mm,工件外表面的速度x、y、z三個(gè)方向上都設(shè)置為零；絲錐設(shè)為剛體,材料選用AISI-H-26為模擬材料,此材料對應(yīng)國內(nèi)的一種高速鋼[19]。攻絲模型如圖9所示,網(wǎng)格劃分為32 000個(gè),絲錐沿-z軸進(jìn)給,由于實(shí)驗(yàn)中在轉(zhuǎn)速25 r/min下絲錐發(fā)生了斷裂,所以模擬中絲錐轉(zhuǎn)速分別設(shè)為50、100、500、1 000、1 500、2 000 r/min?？紤]兩者粘附摩擦力較大,將接觸摩擦系數(shù)設(shè)為1,定義它的導(dǎo)熱系數(shù)是45 N/sec/mm/℃。步長設(shè)為最小網(wǎng)格尺寸的五分之一,即為0.01 mm,根據(jù)攻絲深度,將仿真步數(shù)設(shè)為400 步。模型仿真模式選擇變形和熱傳遞,計(jì)算模式選擇瞬態(tài)分析。完成切削過程的前處理設(shè)置后,點(diǎn)擊run選項(xiàng),運(yùn)行程序。當(dāng)計(jì)算完成后,利用計(jì)算文件完成的最后一步,調(diào)整絲錐的轉(zhuǎn)向,仿真步數(shù)同樣設(shè)為400 步,其他不變,進(jìn)行絲錐退出過程,完成整個(gè)過程計(jì)算。

圖9 攻絲模型圖

3.2 仿真模擬結(jié)果及分析

3.2.1 扭矩分析

模擬不同轉(zhuǎn)速攻絲成形過程中的扭矩變化圖如圖10 a)至f)所示。

注： a)50 r/min;b)100 r/min;c)500 r/min;d)1 000 r/min;e)1 500 r/min;f)2 000 r/min

由圖10可知,不同轉(zhuǎn)速下的扭矩變化趨勢與理論扭矩變化相吻合。得到模擬不同轉(zhuǎn)速下的最大扭矩值,并與實(shí)驗(yàn)得到的不同轉(zhuǎn)速下的最大扭矩值比較,如圖11所示。絲錐轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí),仿真過程最大扭矩為0.95 N·m,實(shí)驗(yàn)最大扭矩為1.15 N·m；絲錐轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí),仿真過程最大扭矩為0.92 N·m,實(shí)驗(yàn)最大扭矩為1.06 N·m；絲錐轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí),仿真過程最大扭矩為0.82 N·m,實(shí)驗(yàn)最大扭矩為0.76 N·m；絲錐轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí),仿真過程最大扭矩為0.84 N·m,實(shí)驗(yàn)最大扭矩為0.70 N·m；絲錐轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí),仿真過程最大扭矩為0.76 N·m,實(shí)驗(yàn)最大扭矩為0.64 N·m；絲錐轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí),仿真過程最大扭矩為0.81 N·m,實(shí)驗(yàn)最大扭矩為0.68 N·m。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符,同樣呈現(xiàn)整體降低的趨勢,模擬模型和模擬方法可進(jìn)一步分析不同轉(zhuǎn)速下攻絲過程中的等效應(yīng)力應(yīng)變。

圖11 實(shí)驗(yàn)和模擬扭矩峰值對比

3.2.2 等效應(yīng)力分析

金屬成形過程中的等效應(yīng)力應(yīng)變是判斷金屬變形程度的物理量,通過對擠壓攻絲過程中等效應(yīng)力應(yīng)變場的分析,可以為擠壓絲錐攻絲工藝改進(jìn)提供重要依據(jù)。以絲錐2 000 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)的攻絲過程為例,圖12 a)至c)為攻絲過程中不同階段的等效應(yīng)力與等效應(yīng)變的分布圖。當(dāng)仿真到第50 步時(shí),絲錐剛接觸到工件表面,等效應(yīng)力與等效應(yīng)變主要發(fā)生在擠壓棱齒與工件內(nèi)表面的接觸區(qū)域,變形范圍以及變形量均比較小,絲錐進(jìn)入擠壓階段；當(dāng)仿真進(jìn)行到第400 步時(shí),隨著擠壓深度的增加,變形量也隨之增大,絲錐進(jìn)入擠壓與校正階段,變形主要集中工件內(nèi)表面螺紋附近,特別是在牙頂和牙底之間,在牙頂處受到的等效應(yīng)力和應(yīng)變最大,說明牙頂處受到的變形量最大,而其它部分基本不變形；當(dāng)仿真到達(dá)第550 步時(shí),可以看到絲錐逐漸退出工件,等效應(yīng)力和應(yīng)變主要集中發(fā)生在螺紋的牙側(cè)和牙頂部分,牙底的應(yīng)力應(yīng)變較小,絲錐此時(shí)處于校正階段。綜合三個(gè)階段來看,成形過程中的變形主要集中在工件螺紋附近,且牙頂處的變形量最大,等效應(yīng)力應(yīng)變從螺紋牙頂?shù)铰菁y外表面是逐漸減小的；牙側(cè)部分的等效應(yīng)力應(yīng)變高于同一牙形內(nèi)部的等效應(yīng)力應(yīng)變,牙底所受到的等效應(yīng)力和應(yīng)變相對較小。

圖12 2 000 r/min時(shí)擠壓攻絲過程等效應(yīng)力應(yīng)變分布情況

為定量分析等效應(yīng)力應(yīng)變沿工件徑向方向的變化情況,在擠壓與校正階段提取不同轉(zhuǎn)速下工件在同一高度上自成形的螺紋牙頂至外表面等距離的20 個(gè)點(diǎn)的等效應(yīng)力應(yīng)變,如圖13所示,并繪制成相應(yīng)的曲線,如圖14和圖15所示。不同轉(zhuǎn)速下成形過程中等效應(yīng)變應(yīng)力都隨著與牙頂距離的增大而逐漸減小,且當(dāng)與牙頂距離超過一定值之后,應(yīng)力應(yīng)變的下降趨勢明顯增大,這與實(shí)際加工過程中變形主要集中在工件內(nèi)表面約一個(gè)牙高距離,而工件其它部位受擠壓影響較小是相一致的；不同轉(zhuǎn)速下牙頂部分的等效應(yīng)變值隨著轉(zhuǎn)速的提高是不斷增大的,說明在高轉(zhuǎn)速下工件內(nèi)表面的塑性變形量較大；不同轉(zhuǎn)速下在牙頂部分的等效應(yīng)力值隨著轉(zhuǎn)速的提高是不斷減小的,說明在高轉(zhuǎn)速下工件內(nèi)表面在加工過程受到的摩擦應(yīng)力較小,回彈量小。

圖13 牙頂徑向取點(diǎn)示意圖

圖14 不同轉(zhuǎn)速下等效應(yīng)變與牙頂距離關(guān)系

圖15 不同轉(zhuǎn)速下等效應(yīng)力與牙頂距離關(guān)系

3.2.3 溫度場分布

以2 000 r/min模擬過程為例,圖16為攻絲模擬過程不同階段的溫度分布圖。當(dāng)仿真到第50 步時(shí),絲錐與工件表面接觸,最高溫度主要集中在絲錐與工件的接觸區(qū)；當(dāng)仿真到達(dá)第400 步時(shí),隨著絲錐的不斷深入,擠壓棱齒與工件表面的接觸區(qū)域達(dá)到最大值,溫度在擠壓與校正階段不斷升高；最高溫度主要集中在牙頂和牙側(cè),這是由于隨著絲錐棱齒的擠壓,使得該區(qū)域處于半封閉狀態(tài),造成散熱條件變差,大量熱量的產(chǎn)生以及半封閉的散熱條件環(huán)境造成工件局部區(qū)域溫度高于其它區(qū)域。當(dāng)仿真進(jìn)行到第550步時(shí),隨著絲錐退出,螺紋附近的溫度開始下降,最高溫度主要集中在正在校正的螺紋附近。攻絲中工件已加工表面的溫度主要集中在工件與絲錐的接觸區(qū),反復(fù)顯示高溫的地方都是塑性的變形以及摩擦比較集中的位置,這些都是螺紋擠壓成形的位置,符合絲錐攻絲的實(shí)際加工情況。

圖16 2 000 r/min攻絲模擬過程溫度云圖

為分析不同轉(zhuǎn)速下溫度變化情況,同樣提取不同轉(zhuǎn)速下工件在同一高度上自成形的螺紋牙頂至外表面等距離的20 個(gè)點(diǎn)的溫度變化并繪制成曲線,如圖17所示。隨著轉(zhuǎn)速的提高,牙形區(qū)的整體溫度是不斷升高的,使得材料表面易發(fā)生熱軟化效應(yīng),增強(qiáng)了材料的塑性變形,減小了回彈應(yīng)力,進(jìn)而降低了絲錐在高轉(zhuǎn)速攻絲時(shí)的扭矩。

圖17 不同轉(zhuǎn)速下溫度與牙頂距離關(guān)系

4 結(jié) 論

本文以M1.2擠壓絲錐高轉(zhuǎn)速攻絲4 mm深Ti6-Al-4V盲孔為例,通過扭矩的測量、螺紋形貌和牙形的分析,證明了擠壓絲錐高速攻絲Ti6-Al-4V微盲孔的可行性；并通過實(shí)驗(yàn)和模擬攻絲過程,分析了擠壓絲錐高速攻絲Ti6-Al-4V微盲孔扭矩降低的原因?？偨Y(jié)如下:

1)M1.2擠壓絲錐在轉(zhuǎn)速25 r/min到2 000 r/min范圍內(nèi),隨著轉(zhuǎn)速提高,溫度呈上升趨勢,熱軟化效應(yīng)使得成形過程中摩擦減小,扭矩呈下降趨勢,在1 500 r/min時(shí)達(dá)到最低值。

2)實(shí)驗(yàn)所選轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),1 500、2 000 r/min高轉(zhuǎn)速下成形的螺紋形貌更加完整,牙形更為理想。

3)通過對模擬攻絲過程的應(yīng)力應(yīng)變分析可知,高轉(zhuǎn)速提高了攻絲過程中的溫度,進(jìn)而增強(qiáng)了材料的變形量,材料回彈應(yīng)力減小,有利于攻絲過程中的塑性變形,使得擠壓絲錐在攻絲鈦合金大深徑比微盲孔時(shí)牙形更好,攻絲扭矩減小,絲錐的壽命提高。