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淺談鈦鋼復(fù)合材料螺紋孔分層加工技術(shù)應(yīng)用

2018-10-21 09:38趙紅遠(yuǎn)
科學(xué)與信息化 2018年32期

趙紅遠(yuǎn)

摘 要 鈦材具有優(yōu)良的比強度、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,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螺紋孔機加不選用絲錐攻絲方案。

3.2 內(nèi)容屑絲錐機攻螺紋

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。

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