一種A286抗拉型高鎖螺母的加工工藝研究*

諶 鑫,王燕梅,闕列果

(1.貴州電子科技職業學院 智能制造系,貴州 貴陽 550025;2.貴陽白云中航標準件制造有限責任公司,貴州 貴陽 550014)

0 引言

航空發動機的工作狀況復雜,溫度高,壓力高,振動強,航空發動機上的緊固件的材料性能和使用性能要求較高,通常采用高溫合金。A286作為常用的高溫合金材料,在700 ℃環境下,擁有良好的強度、耐蝕性、抗氧化性能和高溫強度,廣泛應用于航空發動機上[1]。A286的抗拉型高鎖螺母由于耐高溫高壓,螺紋連接安全且抗振動能力強、防松性能好,所以是常見的航空用緊固件。其加工質量的好壞、性能的優劣,直接影響連接的緊固性[2]。本文對某型號的A286抗拉型高鎖螺母的加工工藝進行了研究,對車斷徑槽、收口、熱處理等關鍵工序中工藝參數進行了最優值的確定。

1 加工工藝分析

1.1 零件的性能要求

某型號航空發動機上用到的A286抗拉型高鎖螺母的結構示意圖如圖1。該型號的A286抗拉型高鎖螺母的材料狀態為固溶,需要進行熱處理和表面處理。熱處理要達到洛氏硬度HRC28～38,表面處理要在零件的表面涂二硫化鉬干膜潤滑以及十六醇潤滑。最后要用扭力試驗機進行性能試驗,包括:1)鎖緊性能試驗;2.)擰斷力試驗;3)軸向載荷試驗;4)預緊力試驗;5)松脫力矩試驗。待性能試驗合格才進行最終檢驗。最終檢驗包括:尺寸檢驗、外觀檢查、磁性檢查,核對試驗報告。

圖1 A286抗拉型高鎖螺母結構示意圖

1.2 零件的加工工藝分析

抗拉型高鎖螺母結構采用了兩段式(圖1)。上段為六方結構,下段采用圓柱臺階結構,二者通過一環形薄壁連接在一起,連接處有一斷徑槽。根據A286抗拉型高鎖螺母的結構、材料性能和性能要求,現擬定了如下加工工藝路線:領料—車削—鉗工—銑削—車削—制螺紋—去毛刺—收口—熱處理—表面處理—挑選—試驗—終檢。

本批次產品采用的是固溶狀態下的A286,材料標準為AMS5731或者AMS5737。為了更加準確的對原材料進行質量的把控,經過分析確定在領料后加一道分光的工序,并且按照《分光作業指導書》進行檢查,這樣原材料的控制更為精準,更有利于后續的加工。

收口工序對鎖緊性能有著重要影響,根據實踐,在收口之后、熱處理之前加一道中檢工序更為合理。所以優化后的工藝路線為:領料—分光—車削—鉗工—銑削—車削—制螺紋—去毛刺—收口—中檢—熱處理—表面處理—挑選—試驗—終檢。

2 關鍵工序

在擬定的加工工藝路線中,車削工序對斷徑槽的加工和熱處理都將對擰斷力矩和預緊力產生極大的影響[3]。同時,收口工序中,收口形式和收口寬度對鎖緊力矩值有重要影響。所以,在A286抗拉形高鎖螺母的加工工藝中,關鍵工序為:車削(車斷徑槽)、收口和熱處理。

2.1 斷徑槽的尺寸

抗拉型高鎖螺母的安裝是采用安裝工具,扳擰螺母上的六角體,當擰緊力達到一定的數值,六角體從斷徑槽處擰斷,從而實現裝配[4]。由此可見,斷徑槽的加工尺寸和精度對擰斷力矩及預緊力的影響很大。怎樣來確定斷徑槽的尺寸呢?首先,確定抗拉型高鎖螺母的擰斷力矩。通常,高鎖螺母給定的擰斷力矩基本是在最小預緊力、最小擰斷力矩至70%預緊力、70%鎖緊力矩范圍內取值。然后,再根據公式:

上述公式中,給定螺母內徑d、擰斷力矩M、剪切應力τ,計算出斷徑槽的外徑尺寸D,從而算出斷徑槽的壁厚。當然,這個數值是一個理論值,產品試制時仍然需要根據實際給定的螺紋副摩擦系數等進行尺寸微調,以保證零件的性能指標滿足技術規范要求。

2.2 收口工序

收口過程中,利用收口機的擠壓頭擠壓高鎖螺母內螺紋對應的外圓部分。收口的目的是使高鎖螺母內螺紋變形,變形后的高鎖內螺紋與相配合使用的高鎖螺栓形成過盈配合,從而達到預期設定的鎖緊力矩值[5]。收口工序圖如圖2所示。通過收口,可以使得高鎖螺母獲得理想的性能指標,但也會使得高鎖螺母表面產生殘余應力,如果控制不好高鎖螺母表面的殘余應力,高鎖螺母表面就會產生裂紋,進一步影響高鎖螺母的疲勞強度和抗腐蝕能力[6]。

圖2 A286抗拉型高鎖螺母收口工序圖

對A286抗拉型高鎖螺母影響最大的兩個因素是收口形式和收口量。為了更好地控制和保證高鎖螺母加工過程收口尺寸的一致性,提高高鎖螺母的質量可靠性,需要確定在收口工序中的收口形式以及收口寬度,從而形成收口工序作業指導書指導實際的加工。

本文研究的A286抗拉型高鎖螺母的規格有:MJ8×1,MJ10×1.25。對于這兩種規格的螺母,為了確定哪種形狀的收口塊進行收口后得到的鎖緊力矩更穩定,在確定用三點收口進行收口的前提下,對MJ8×1、MJ10×1.25兩種規格的螺母在同一臺收口機上,用不同形狀的收口塊進行收口(圖3)。第一組采用長方形橫點收口塊進行收口(圖4),第二組使用半圓柱豎點收口塊進行收口(圖5)。收口以后,進行鎖緊力矩檢測,得到的檢測數據如表1和表2。 檢測結果顯示,采用第二組使用半圓柱豎點收口塊進行收口的螺母性能最穩定。

表1 MJ8×1螺母用不同形狀收口塊進行收口后的鎖緊力矩值

表2 MJ10×1.25螺母用不同形狀收口塊進行收口后的鎖緊力矩值

圖3 螺母在收口機上進行 三點收口

圖4 利用長方形橫點收口塊進行三點收口 圖5 利用半圓柱豎點收口塊進行三點收口

為了確定收口寬度的最優值,分別對MJ8×1、MJ10×1.25兩種規格的A286抗拉型高鎖螺母用三組不同收口寬度的值進行了試制。規格為MJ8×1的螺母,第一組收口寬度為2.1～2.4 mm,第二組收口寬度為2.5～2.8 mm,第三組收口寬度為2.9～3.2 mm。規格為MJ10×1.25的螺母,第一組收口寬度為2.5～3.0 mm,第二組收口寬度為3.1～3.5 mm,第三組收口寬度為3.6～4.0 mm。每組試制10件,試制后進行鎖緊力矩的檢測,檢測值如表3和表4。收口寬度和鎖緊力矩的關系圖如圖6和圖7所示。根據測試結果,得出MJ8×1的螺母在收口寬度為2.5～2.8 mm時,符合鎖緊力矩的標準值1.12～1.35 N·m;MJ10×1.25的螺母在收口寬度為3.0～3.5 mm時,符合鎖緊力矩的標準值1.83～2.15 N·m。

表3 MJ8×1螺母在不同收口寬度下的鎖緊力矩值

表4 MJ10×1.25螺母在不同收口寬度下的鎖緊力矩值

圖6 MJ8×1的A286抗拉型高鎖螺母鎖緊力矩與收口寬度的關系

圖7 MJ10×1.25的A286抗拉型高鎖螺母鎖緊力矩與收口寬度的關系

2.3 熱處理工序

本批次產品采用的是固溶狀態下的A286,所以在熱處理工序中只需要進行時效處理?，F需要確定時效溫度和時間。同MJ8×1的A286抗拉型高鎖螺母,用同一個真空爐,經過4種不同時效參數熱處理后的產品的強度和硬度如表5所示。產品的硬度要求為硬度檢測及強度關系符合HBO-94及GB/T1172—1999。技術指標要求硬度控制在HRC28～38。但根據產品內控要求,將硬度控制在HRC30～38之間。從檢測結果來看,在時效溫度在700～720 ℃,保溫16 h的狀態下,產品的抗拉強度σb和硬度HRC滿足要求。

表5 不同時效參數熱處理后的產品的強度和硬度

3 檢測結果分析

根據對A286抗拉型高鎖螺母的試制后用WDW-50S拉力試驗機和ND-20扭力機進行試驗,結果如表6和表7所示。根據檢測結果可知,提出的工藝路線能夠指導實際生產。對車斷徑槽、收口、熱處理工序中關鍵的工藝參數的確定,不僅能夠滿足產品的性能要求,也進一步提高了產品的質量穩定性和生產效率。

表6 M8×1規格的A286抗拉型高鎖螺母檢測結果

表7 M10×1.25規格的A286抗拉型高鎖螺母檢測結果

4 結論

本文通過對A286抗拉型高鎖螺母的加工工藝研究,確定了車斷徑槽、收口、熱處理工序中關鍵的工藝參數。按照改進后的加工工藝參數進行生產,不僅能夠滿足產品的性能要求,還提高了產品的質量穩定性和生產效率。