淺談鈦鋼復合材料螺紋孔分層加工技術應用

趙紅遠

摘 要 鈦材具有優良的比強度、疲勞、蠕變和耐蝕性能，已廣泛應用于航天航空、化工、海裝等領域。鈦鋼復合材料的應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。本文針對鈦鋼復合材料螺紋孔加工過程中的技術問題，通過理論分析、工藝試驗，制定合理的分層加工方案，已成功應用于相關品加工，為同類加工技術提供借鑒和技術支持。

關鍵詞 鈦材；鈦鋼復合材料；螺紋孔；分層加工

鈦鋼復合材料螺紋孔加工，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生表面缺陷、尺寸超差等問題。

根據具體精度要求，如螺紋孔尺寸、螺紋等級和表面狀態等的要求，可制定對應的螺紋孔分層加工技術方案，以解決螺紋加工過程可能產生的質量問題。

1 加工技術要求

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

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，切屑加工時易產生粘刀現象以及形成長屑，使加工條件惡化。

2.2 鈦材復層加工特性

鈦材由于導熱率小，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、易產生黏結磨損。

且鈦材高溫化學活性強，加工時易與空氣中的氧、氮反應而形成脆而硬的表面硬化層，使刀具產生嚴重磨損。

2.3 鈦鋼結合區域加工特性

鈦鋼復合材料結合區域硬而脆，加工性能不穩定，在螺紋加工時，方法、刀具和參數選擇不當會產生螺紋表面缺陷。

根據上述分析，不銹鋼基層、鈦材復層以及結合區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。

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行加工。為驗證普通絲錐在該復合材料螺紋孔上加工的可行性，使用M16-6H絲錐進行手工攻絲，結果顯示在結合區域出現螺紋表面缺陷。故針對M48×5-6H螺紋孔機加不選用絲錐攻絲方案。

3.2 內容屑絲錐機攻螺紋

內容屑絲錐作為常用的大尺寸螺紋孔高精度加工的機用絲錐，其結構主要包括導向段、切削段和修光段，可一次加工螺紋孔成型。

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

采用內容屑絲錐進行鈦鋼復合材料螺紋孔的加工試驗，攻絲效率高，螺紋通止規檢測合格，復層和基層的表面質量滿足要求，但結合區域存在局部表面缺陷，結合面表面質量不穩定。

3.3 螺紋銑刀銑削

根據鈦材和不銹鋼的材料加工性能，選擇整體硬質合金內螺紋銑刀進行螺紋孔加工。試驗發現采用同一切削參數進行銑削時，在結合區域會出現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；采用分層加工的方案，即復層區域、基層區域和結合面區域使用不同加工參數進行加工，螺紋通止規檢查合格，且表面粗糙度和表面狀態滿足要求，加工檢測結果合格。

4 螺紋孔銑削加工

4.1 螺紋銑刀選擇

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

4.2 加工參數選擇

根據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，鈦材的切削速度應比不銹鋼（06Cr19Ni10Ⅲ）低25%～50%。

由于鈦材機加時改變進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，易采用進刀量更大的機加參數。

4.3 加工過程控制

（1）底孔加工

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

（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行冷卻和排屑。

（3）螺紋銑削

螺紋孔銑削加工采用數控編程的方式進行程序編制。單個螺紋孔分為三個循環進行加工，每個循環采用分層控制加工參數的方式進行銑削，即鈦材復層、結合區域與不銹鋼基層區域選用不同的切削參數。

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

（4）過程控制

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

5 加工技術的先進性

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

6 結束語

鈦鋼復合材料的廣泛使用，充分發揮了鈦材優良的材料性能，降低了材料成本投入。鈦鋼復合材料螺紋孔的分層加工技術通過試驗、產品加工和技術優化，提高了螺紋孔加工質量和效率，有效控制加工成本，為同類結構螺紋孔加工提供借鑒和技術支持。