改進工藝提升復(fù)合材料內(nèi)螺紋加工質(zhì)量

■ 湖北三江航天紅陽機電有限公司 （湖北孝感 432100） 閻 杰

高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料作為防/隔熱一體化材料被廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其成形工藝簡單、成本低且防熱性能適中，主要被應(yīng)用到固體火箭發(fā)動機熱防護結(jié)構(gòu)中。該復(fù)合材料基體相是熱固性酚醛樹脂，其密集處脆性大，切削時容易崩裂，固化時有小分子揮發(fā)物生成，強度較高但均勻性較差。增強相為高純度氧化硅非晶體連續(xù)纖維，具有較高的耐熱性。高硅氧玻璃纖維屬難切削材料，切削溫度高，導(dǎo)熱性差，層間剪切強度相對較低，導(dǎo)致加工螺紋時，刀具磨損快，比面、孔加工更易產(chǎn)生分層、劈裂及掉渣等缺陷，螺紋精度難以保證。

1. 高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料螺紋加工特性

（1）高硅氧玻璃纖維材料切削加工特性 高硅氧纖維是高純度氧化硅非晶體連續(xù)纖維的簡稱，其氧化硅含量為96%～98%，耐高溫性能非常好，在1 000℃時能長久保持良好的強度和彈性，其導(dǎo)熱系數(shù)低，對高熱沖擊有良好的抵御性能，是一種優(yōu)良的耐燒蝕材料和隔熱材料。

由于高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料軟基體中雜亂無章地分布著硬質(zhì)點的 SiO2，而且 SiO2的含量又非常高，導(dǎo)熱性差，使得切削過程中刀具切削溫度高，切削刃燒傷和磨損較嚴重，而刀具的磨損會造成繼續(xù)切削困難，切削力加大，使切削質(zhì)量更差。

玻璃纖維復(fù)合材料的彈性模量較低，一般是鋼材的1/20～1/10，鋁的1/7～1/3.5，因此在切削過程中存在著嚴重的彈性變形，導(dǎo)致在己加工表面形成過程中的彈性恢復(fù)大，其恢復(fù)引起螺紋刀具后刀面和己加工表面之間的強烈摩擦，造成復(fù)合材料螺紋難以切削加工，加工精度難以保證。

高硅氧玻璃纖維是層壓材料，具有纖維方向性，組織結(jié)構(gòu)松散，致密性差，層間剪切強度相對較低，切削加工時不能承受較大的分層力，容易造成組織分層。分析金屬材料螺紋加工切削力時，主要考慮切削時刀具受金屬材料剪切塑性變形抗力的影響，考慮刀具的強度問題。復(fù)合材料由于層間強度低，切削力分析與金屬材料有較大區(qū)別，主要不是考慮刀具受力影響，而是考慮在切削螺紋牙型時復(fù)合材料受刀具切削力產(chǎn)生分層、劈裂等缺陷。

（2）復(fù)合材料螺紋加工特性 以某高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料零件口蓋為例（見圖1），要求加工兩個M16×2-7H螺紋，有效螺紋深12mm，采用數(shù)控銑加工螺紋，材料出現(xiàn)嚴重的分層缺陷，用鉗工絲錐攻螺紋，螺紋加工質(zhì)量同樣無法保證，導(dǎo)致零件報廢，復(fù)合材料零件口蓋分層、劈裂缺陷示意如圖2所示。

分析比較復(fù)合材料加工螺紋與孔時的分層力，孔加工時的分層力為刀具進給時產(chǎn)生的軸向力Fx，只有一個并且在進給方向，而刀具切削螺紋時，由于螺紋牙型的特殊形狀，不僅有一個軸向力Fx，徑向力Fy在牙尖處還產(chǎn)生兩個同樣大小的、方向相反的使復(fù)合材料分層的軸向力，說明復(fù)合材料螺紋加工時產(chǎn)生的分層力比孔加工時大，切削條件更為不利，導(dǎo)致螺紋刀具在切削時較復(fù)合材料的面、孔等更易產(chǎn)生分層、劈裂缺陷，螺紋牙型出現(xiàn)掉尖、掉渣等缺陷，螺紋精度難以保證。

圖1 零件口蓋

圖2 零件口蓋分層、劈裂缺陷示意

2. 選用合適絲錐提高復(fù)合材料內(nèi)螺紋加工質(zhì)量

由于高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料本身的層間強度低，不能承受較大分層力的特性與螺紋加工時產(chǎn)生較大分層力的特點存在沖突，使復(fù)合材料進行螺紋加工時產(chǎn)生嚴重缺陷，因此主要從解決這些沖突著手改進。

（1）絲錐材料選擇 材料導(dǎo)熱性差，螺紋攻制條件惡劣，切屑呈碎末狀，在孔內(nèi)起到研磨料的作用， 劇烈摩擦產(chǎn)生的熱能增加了切削刃的燒蝕程度，加劇了切削刃的磨損，因此加工復(fù)合材料螺紋絲錐應(yīng)選用粉末冶金高性能高速鋼、含鈷或含鋁的超硬高速鋼涂層絲錐或硬質(zhì)合金涂層絲錐，通過降低切削摩擦力和切削熱，提高絲錐耐熱、耐磨性，保持切削刃鋒利，延長絲錐使用壽命，提高螺紋加工精度。

（2）絲錐切削角度選擇 復(fù)合材料切削具有一定收縮性，導(dǎo)致摩擦力大，因此絲錐切削刃要鋒利，前角和后角采用較大值，選取絲錐前角γ為10°～15°，切削部分后角α為15°～20°。

選用螺旋槽絲錐，加大實際切削前角，降低切削熱，減少切削刃磨損，另外絲錐刀背寬度選較小值，減少絲錐與復(fù)合材料的摩擦。

（3）其他 鉆孔時復(fù)合材料孔徑有一定收縮，螺紋底孔孔徑可以適當增大為φ14.05～φ14.1 mm，同時適當增大孔口兩端倒角為1.3mm×45°，減少螺紋孔口掉渣缺陷。

口蓋M16×2-7H螺紋是盲孔螺紋，絲錐攻螺紋時需要控制絲錐切入深度，防止絲錐前端與盲孔底面已經(jīng)接觸時，進給還在繼續(xù)，造成復(fù)合材料劈裂。采用測量、標識及深度定位套等方法，控制絲錐進入深度，防止絲錐切入螺紋孔過深，導(dǎo)致孔底產(chǎn)生分層、劈裂等缺陷。

3. 改善復(fù)合材料螺紋切削加工條件

（1）構(gòu)件加強法 復(fù)合材料層間強度相對較低，在復(fù)合材料制備工藝方面努力提高層間強度的同時，可以通過在外部對復(fù)合材料進行構(gòu)件加強的方法，應(yīng)對復(fù)合材料層間強度低和螺紋切削加工時較大分層力的沖突，減少材料分層、劈裂等缺陷。

對復(fù)合材料進行構(gòu)件加強，就是在零件外部螺紋切削加工的方向上，通過采取一定措施，如壓、夾等將結(jié)構(gòu)件緊固在復(fù)合材料的外表面，通過在零件外表面的壓力，使復(fù)合材料在螺紋切削加工前，內(nèi)部就產(chǎn)生一定的抗分層力，能夠較大程度地提高復(fù)合材料在切削時的層間強度，從而有效地應(yīng)對螺紋切削加工時較大的分層力，減少材料分層、劈裂等缺陷。

絲錐加工螺紋或車、銑加工復(fù)合材料螺紋時，都適合采用構(gòu)件加強方法，改善復(fù)合材料螺紋切削加工條件。對復(fù)合材料進行構(gòu)件加強時，壓緊力不可太大，避免零件外形、孔等已加工內(nèi)容由于較大外力發(fā)生變形、劈裂。

（2）內(nèi)螺紋引導(dǎo)工裝 在手動攻螺紋時，在鉸杠上不僅要施加一個力偶，還需施加一個適當大小且朝向螺紋孔的壓力，使絲錐切削錐部分順利地螺旋切入被加工零件孔口，這個壓力的大小手工操作不易控制，對塑性好的金屬材料來說不難，絲錐會繼續(xù)螺旋切入零件材料，但對強度比較高或塑性差的材料，會出現(xiàn)絲錐不易切入材料的問題，或者螺紋孔口周圍材料牙型被帶掉。由于復(fù)合材料層間強度較低，導(dǎo)致絲錐在剛開始切削時就使復(fù)合材料表層向外發(fā)生劈裂等缺陷，無法繼續(xù)引導(dǎo)絲錐順利地螺旋切入，因此還要改善手工攻螺紋時絲錐剛切入時的條件。

改善絲錐剛切入時的條件，可以在使用構(gòu)件加強法的基礎(chǔ)上，與螺紋引導(dǎo)工裝相結(jié)合。在需要加工螺紋孔處相對應(yīng)的加強構(gòu)件上加工相同尺寸、精度的螺紋，使其同時成為螺紋引導(dǎo)工裝。絲錐通過其引導(dǎo)加工螺紋時，不僅可以起到較高精度的定位、導(dǎo)向作用，還能在絲錐旋轉(zhuǎn)剛切入材料時，通過工裝的螺紋牙型引導(dǎo)絲錐產(chǎn)生穩(wěn)定向下的、螺旋切入零件材料內(nèi)部的力，從而減少零件表層向外發(fā)生劈裂等缺陷，減少絲錐加工螺紋時手工操作的不穩(wěn)定性，提高螺紋的垂直度精度，同時可以避免在需要絲錐多次攻入時，螺紋孔口出現(xiàn)的爛牙現(xiàn)象。

（3）具體改進方法 加工零件口蓋外形、孔后，在零件螺紋孔加工厚度方向上、下各墊一加強板，厚度約20mm，寬度方向尺寸比零件稍小，長度方向尺寸比零件大約80mm，上加強板上有兩個M16×2mm的起引導(dǎo)作用的螺紋孔，下加強板上有兩個φ10mm孔，孔距加工與零件一致，使用兩個臺階定位銷將零件和上、下加強板定位后，通過上、下加強板兩端的緊固螺栓將零件固定在中間，鉗口夾緊零件兩側(cè)，拆下其中一處臺階定位銷后，就可以用絲錐加工該處螺紋，構(gòu)件加強和螺紋引導(dǎo)工裝如圖3所示。

圖3 構(gòu)件加強和螺紋引導(dǎo)工裝

加工復(fù)合材料螺紋，還可以采用數(shù)控螺紋銑刀，因為在刀具材料、結(jié)構(gòu)和加工方式上螺紋刀銑削加工優(yōu)于絲錐加工，可以通過調(diào)整切入、進給方式和切削參數(shù)等，適合不同材料的螺紋加工，減少切削分層力。因此為保證螺紋加工質(zhì)量，在加工條件允許的情況下，建議優(yōu)先選用數(shù)控銑削加工大直徑內(nèi)孔螺紋。

4. 結(jié)語

作為難加工材料，高硅氧玻璃纖維復(fù)合材料層間強度低，不能承受較大分層力的特性與螺紋加工時產(chǎn)生較大分層力的特點存在沖突，通過構(gòu)件加強和螺紋引導(dǎo)工裝的工藝改進方法，可以較大程度地改善絲錐加工復(fù)合材料螺紋時的切削加工條件，減少分層、劈裂缺陷，提高復(fù)合材料螺紋加工質(zhì)量。