淺談鈦鋼復(fù)合材料螺紋孔分層加工技術(shù)應(yīng)用

趙紅遠(yuǎn)

摘 要 鈦材具有優(yōu)良的比強(qiáng)度、疲勞、蠕變和耐蝕性能，已廣泛應(yīng)用于航天航空、化工、海裝等領(lǐng)域。鈦鋼復(fù)合材料的應(yīng)用解決了鈦材與異種金屬焊接性能差且材料成本高的問題。本文針對鈦鋼復(fù)合材料螺紋孔加工過程中的技術(shù)問題，通過理論分析、工藝試驗，制定合理的分層加工方案，已成功應(yīng)用于相關(guān)品加工，為同類加工技術(shù)提供借鑒和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 鈦材；鈦鋼復(fù)合材料；螺紋孔；分層加工

鈦鋼復(fù)合材料螺紋孔加工，由于材料加工性能的差異，常用絲錐、螺紋銑刀加工的方式加工的螺紋易產(chǎn)生表面缺陷、尺寸超差等問題。

根據(jù)具體精度要求，如螺紋孔尺寸、螺紋等級和表面狀態(tài)等的要求，可制定對應(yīng)的螺紋孔分層加工技術(shù)方案，以解決螺紋加工過程可能產(chǎn)生的質(zhì)量問題。

1 加工技術(shù)要求

以不銹鋼（06Cr19Ni10Ⅲ）基層和鈦材（TA2）復(fù)層組成的鈦鋼復(fù)合材料上M48×-6H的螺紋孔加工為例進(jìn)行分析，螺紋孔的結(jié)構(gòu)和尺寸如下圖：

2 材料特性分析

2.1 不銹鋼基層加工特性

基層不銹鋼（06Cr19Ni10）Ⅲ級鍛件，材料硬度大，切削性能較差，加工硬化傾向大；韌性高，切屑加工時易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象以及形成長屑，使加工條件惡化。

2.2 鈦材復(fù)層加工特性

鈦材由于導(dǎo)熱率小，加工過程中刀尖溫度高；鈦材彈性模量小，約為不銹鋼的1/2，剛性差、易變形，在切屑加工時表面的回彈量大，約為不銹鋼的2～3倍，使后刀面劇烈摩擦升溫、易產(chǎn)生黏結(jié)磨損。

且鈦材高溫化學(xué)活性強(qiáng)，加工時易與空氣中的氧、氮反應(yīng)而形成脆而硬的表面硬化層，使刀具產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。

2.3 鈦鋼結(jié)合區(qū)域加工特性

鈦鋼復(fù)合材料結(jié)合區(qū)域硬而脆，加工性能不穩(wěn)定，在螺紋加工時，方法、刀具和參數(shù)選擇不當(dāng)會產(chǎn)生螺紋表面缺陷。

根據(jù)上述分析，不銹鋼基層、鈦材復(fù)層以及結(jié)合區(qū)域的加工性能存在差異，需通過開展工藝試驗確定加工刀具和參數(shù)。

3 加工方案選擇

3.1 普通絲錐攻絲

螺紋孔M48×5-6H尺寸大，一般不選擇使用普通絲錐進(jìn)行加工。為驗證普通絲錐在該復(fù)合材料螺紋孔上加工的可行性，使用M16-6H絲錐進(jìn)行手工攻絲，結(jié)果顯示在結(jié)合區(qū)域出現(xiàn)螺紋表面缺陷。故針對M48×5-6H螺紋孔機(jī)加不選用絲錐攻絲方案。

3.2 內(nèi)容屑絲錐機(jī)攻螺紋

內(nèi)容屑絲錐作為常用的大尺寸螺紋孔高精度加工的機(jī)用絲錐，其結(jié)構(gòu)主要包括導(dǎo)向段、切削段和修光段，可一次加工螺紋孔成型。

由于內(nèi)容屑絲錐的刀具成本高，且需要穩(wěn)定的動力輸入，在絲錐和機(jī)床主軸之間需要配備扭矩控制模塊，整體成本偏高。

采用內(nèi)容屑絲錐進(jìn)行鈦鋼復(fù)合材料螺紋孔的加工試驗，攻絲效率高，螺紋通止規(guī)檢測合格，復(fù)層和基層的表面質(zhì)量滿足要求，但結(jié)合區(qū)域存在局部表面缺陷，結(jié)合面表面質(zhì)量不穩(wěn)定。

3.3 螺紋銑刀銑削

根據(jù)鈦材和不銹鋼的材料加工性能，選擇整體硬質(zhì)合金內(nèi)螺紋銑刀進(jìn)行螺紋孔加工。試驗發(fā)現(xiàn)采用同一切削參數(shù)進(jìn)行銑削時，在結(jié)合區(qū)域會出現(xiàn)螺紋表面缺陷的情況，且很難選擇同時適用于兩種材料的加工參數(shù)；采用分層加工的方案，即復(fù)層區(qū)域、基層區(qū)域和結(jié)合面區(qū)域使用不同加工參數(shù)進(jìn)行加工，螺紋通止規(guī)檢查合格，且表面粗糙度和表面狀態(tài)滿足要求，加工檢測結(jié)果合格。

4 螺紋孔銑削加工

4.1 螺紋銑刀選擇

根據(jù)螺紋孔的結(jié)構(gòu)尺寸、不銹鋼（06Cr19Ni10Ⅲ）和鈦材的加工性能等因素綜合考慮，優(yōu)先選擇硬質(zhì)合金螺紋銑刀。鈦材導(dǎo)熱性能差，采用硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片加工時散熱性能差，易出現(xiàn)刀具的黏結(jié)磨損或崩刃損傷，造成刀具壽命縮短，工件表面受損等問題；由于復(fù)層、基層和結(jié)合面需要采用分層切削方式進(jìn)行加工，因此不選用多齒銑刀進(jìn)行螺紋孔銑削；通過技術(shù)分析和工藝試驗，優(yōu)先選擇整體硬質(zhì)合金單齒螺紋銑刀。

4.2 加工參數(shù)選擇

根據(jù)鈦材性能和加工特性分析，鏜銑加工刀具刃口溫度受速度影響大，為防止溫升過大，需要選用較低的切削速度，鈦材的切削速度應(yīng)比不銹鋼（06Cr19Ni10Ⅲ）低25%～50%。

由于鈦材機(jī)加時改變進(jìn)刀量對刃口溫升沒有太大影響，且減少刀具與表面硬化層的摩擦，易采用進(jìn)刀量更大的機(jī)加參數(shù)。

4.3 加工過程控制

（1）底孔加工

鈦鋼復(fù)合材料上的M48×5-6H螺紋孔為盲孔，且底部為平底（非尖角），選用φ40的U鉆進(jìn)行底孔加工，加工效率高，質(zhì)量可靠，并使用冷卻液進(jìn)行內(nèi)冷和排屑，確保加工質(zhì)量和加工效率。

（2）底孔精鏜

使用φ42.59mm精鏜刀加工底孔至尺寸。精鏜過程中使用冷卻液進(jìn)行冷卻和排屑。

（3）螺紋銑削

螺紋孔銑削加工采用數(shù)控編程的方式進(jìn)行程序編制。單個螺紋孔分為三個循環(huán)進(jìn)行加工，每個循環(huán)采用分層控制加工參數(shù)的方式進(jìn)行銑削，即鈦材復(fù)層、結(jié)合區(qū)域與不銹鋼基層區(qū)域選用不同的切削參數(shù)。

通過以上分步的加工方式，能夠在每個循環(huán)加工完成后及時觀察已加工的螺紋表面的狀態(tài)；采用分層設(shè)置參數(shù)的機(jī)加方式，能夠選擇分別適合于鈦材復(fù)層、結(jié)合面和不銹鋼基層加工參數(shù)，增加了刀具使用壽命，提高了工件的加工質(zhì)量和加工效率。

（4）過程控制

螺紋孔加工過程中及時進(jìn)行檢查，并對機(jī)加完成后的螺紋孔進(jìn)行通止規(guī)檢查和表面狀態(tài)進(jìn)行檢查，確保螺紋表面無損傷、缺陷，粗糙度滿足要求。

5 加工技術(shù)的先進(jìn)性

采用分層加工方式進(jìn)行鈦鋼復(fù)合材料螺紋孔的加工方法，比傳統(tǒng)絲錐攻絲的方法加工的螺紋孔表面質(zhì)量更好；比內(nèi)容屑絲錐攻絲的方法成本低且效果穩(wěn)定。采用分層銑削方式進(jìn)行螺紋加工，解決了鈦鋼復(fù)合材料加工性能差異帶來的潛在問題，加工效率高、成本適中且質(zhì)量穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

鈦鋼復(fù)合材料的廣泛使用，充分發(fā)揮了鈦材優(yōu)良的材料性能，降低了材料成本投入。鈦鋼復(fù)合材料螺紋孔的分層加工技術(shù)通過試驗、產(chǎn)品加工和技術(shù)優(yōu)化，提高了螺紋孔加工質(zhì)量和效率，有效控制加工成本，為同類結(jié)構(gòu)螺紋孔加工提供借鑒和技術(shù)支持。