一种A286抗拉型高锁螺母的加工工艺研究*

时间：2024-07-28

谌鑫,王燕梅,阙列果

(1.贵州电子科技职业学院智能制造系,贵州贵阳 550025;2.贵阳白云中航标准件制造有限责任公司,贵州贵阳 550014)

0 引言

航空发动机的工作状况复杂,温度高,压力高,振动强,航空发动机上的紧固件的材料性能和使用性能要求较高,通常采用高温合金。A286作为常用的高温合金材料,在700 ℃环境下,拥有良好的强度、耐蚀性、抗氧化性能和高温强度,广泛应用于航空发动机上[1]。A286的抗拉型高锁螺母由于耐高温高压,螺纹连接安全且抗振动能力强、防松性能好,所以是常见的航空用紧固件。其加工质量的好坏、性能的优劣,直接影响连接的紧固性[2]。本文对某型号的A286抗拉型高锁螺母的加工工艺进行了研究,对车断径槽、收口、热处理等关键工序中工艺参数进行了最优值的确定。

1 加工工艺分析

1.1 零件的性能要求

某型号航空发动机上用到的A286抗拉型高锁螺母的结构示意图如图1。该型号的A286抗拉型高锁螺母的材料状态为固溶,需要进行热处理和表面处理。热处理要达到洛氏硬度HRC28～38,表面处理要在零件的表面涂二硫化钼干膜润滑以及十六醇润滑。最后要用扭力试验机进行性能试验,包括:1)锁紧性能试验;2.)拧断力试验;3)轴向载荷试验;4)预紧力试验;5)松脱力矩试验。待性能试验合格才进行最终检验。最终检验包括:尺寸检验、外观检查、磁性检查,核对试验报告。

图1 A286抗拉型高锁螺母结构示意图

1.2 零件的加工工艺分析

抗拉型高锁螺母结构采用了两段式(图1)。上段为六方结构,下段采用圆柱台阶结构,二者通过一环形薄壁连接在一起,连接处有一断径槽。根据A286抗拉型高锁螺母的结构、材料性能和性能要求,现拟定了如下加工工艺路线:领料—车削—钳工—铣削—车削—制螺纹—去毛刺—收口—热处理—表面处理—挑选—试验—终检。

本批次产品采用的是固溶状态下的A286,材料标准为AMS5731或者AMS5737。为了更加准确的对原材料进行质量的把控,经过分析确定在领料后加一道分光的工序,并且按照《分光作业指导书》进行检查,这样原材料的控制更为精准,更有利于后续的加工。

收口工序对锁紧性能有着重要影响,根据实践,在收口之后、热处理之前加一道中检工序更为合理。所以优化后的工艺路线为:领料—分光—车削—钳工—铣削—车削—制螺纹—去毛刺—收口—中检—热处理—表面处理—挑选—试验—终检。

2 关键工序

在拟定的加工工艺路线中,车削工序对断径槽的加工和热处理都将对拧断力矩和预紧力产生极大的影响[3]。同时,收口工序中,收口形式和收口宽度对锁紧力矩值有重要影响。所以,在A286抗拉形高锁螺母的加工工艺中,关键工序为:车削(车断径槽)、收口和热处理。

2.1 断径槽的尺寸

抗拉型高锁螺母的安装是采用安装工具,扳拧螺母上的六角体,当拧紧力达到一定的数值,六角体从断径槽处拧断,从而实现装配[4]。由此可见,断径槽的加工尺寸和精度对拧断力矩及预紧力的影响很大。怎样来确定断径槽的尺寸呢?首先,确定抗拉型高锁螺母的拧断力矩。通常,高锁螺母给定的拧断力矩基本是在最小预紧力、最小拧断力矩至70%预紧力、70%锁紧力矩范围内取值。然后,再根据公式:

上述公式中,给定螺母内径d、拧断力矩M、剪切应力τ,计算出断径槽的外径尺寸D,从而算出断径槽的壁厚。当然,这个数值是一个理论值,产品试制时仍然需要根据实际给定的螺纹副摩擦系数等进行尺寸微调,以保证零件的性能指标满足技术规范要求。

2.2 收口工序

收口过程中,利用收口机的挤压头挤压高锁螺母内螺纹对应的外圆部分。收口的目的是使高锁螺母内螺纹变形,变形后的高锁内螺纹与相配合使用的高锁螺栓形成过盈配合,从而达到预期设定的锁紧力矩值[5]。收口工序图如图2所示。通过收口,可以使得高锁螺母获得理想的性能指标,但也会使得高锁螺母表面产生残余应力,如果控制不好高锁螺母表面的残余应力,高锁螺母表面就会产生裂纹,进一步影响高锁螺母的疲劳强度和抗腐蚀能力[6]。

图2 A286抗拉型高锁螺母收口工序图

对A286抗拉型高锁螺母影响最大的两个因素是收口形式和收口量。为了更好地控制和保证高锁螺母加工过程收口尺寸的一致性,提高高锁螺母的质量可靠性,需要确定在收口工序中的收口形式以及收口宽度,从而形成收口工序作业指导书指导实际的加工。

本文研究的A286抗拉型高锁螺母的规格有:MJ8×1,MJ10×1.25。对于这两种规格的螺母,为了确定哪种形状的收口块进行收口后得到的锁紧力矩更稳定,在确定用三点收口进行收口的前提下,对MJ8×1、MJ10×1.25两种规格的螺母在同一台收口机上,用不同形状的收口块进行收口(图3)。第一组采用长方形横点收口块进行收口(图4),第二组使用半圆柱竖点收口块进行收口(图5)。收口以后,进行锁紧力矩检测,得到的检测数据如表1和表2。检测结果显示,采用第二组使用半圆柱竖点收口块进行收口的螺母性能最稳定。

表1 MJ8×1螺母用不同形状收口块进行收口后的锁紧力矩值

表2 MJ10×1.25螺母用不同形状收口块进行收口后的锁紧力矩值

图3 螺母在收口机上进行三点收口

图4 利用长方形横点收口块进行三点收口图5 利用半圆柱竖点收口块进行三点收口

为了确定收口宽度的最优值,分别对MJ8×1、MJ10×1.25两种规格的A286抗拉型高锁螺母用三组不同收口宽度的值进行了试制。规格为MJ8×1的螺母,第一组收口宽度为2.1～2.4 mm,第二组收口宽度为2.5～2.8 mm,第三组收口宽度为2.9～3.2 mm。规格为MJ10×1.25的螺母,第一组收口宽度为2.5～3.0 mm,第二组收口宽度为3.1～3.5 mm,第三组收口宽度为3.6～4.0 mm。每组试制10件,试制后进行锁紧力矩的检测,检测值如表3和表4。收口宽度和锁紧力矩的关系图如图6和图7所示。根据测试结果,得出MJ8×1的螺母在收口宽度为2.5～2.8 mm时,符合锁紧力矩的标准值1.12～1.35 N·m;MJ10×1.25的螺母在收口宽度为3.0～3.5 mm时,符合锁紧力矩的标准值1.83～2.15 N·m。

表3 MJ8×1螺母在不同收口宽度下的锁紧力矩值

表4 MJ10×1.25螺母在不同收口宽度下的锁紧力矩值

图6 MJ8×1的A286抗拉型高锁螺母锁紧力矩与收口宽度的关系

图7 MJ10×1.25的A286抗拉型高锁螺母锁紧力矩与收口宽度的关系

2.3 热处理工序

本批次产品采用的是固溶状态下的A286,所以在热处理工序中只需要进行时效处理。现需要确定时效温度和时间。同MJ8×1的A286抗拉型高锁螺母,用同一个真空炉,经过4种不同时效参数热处理后的产品的强度和硬度如表5所示。产品的硬度要求为硬度检测及强度关系符合HBO-94及GB/T1172—1999。技术指标要求硬度控制在HRC28～38。但根据产品内控要求,将硬度控制在HRC30～38之间。从检测结果来看,在时效温度在700～720 ℃,保温16 h的状态下,产品的抗拉强度σb和硬度HRC满足要求。

表5 不同时效参数热处理后的产品的强度和硬度