浅谈钛钢复合材料螺纹孔分层加工技术应用

赵红远

摘 要 钛材具有优良的比强度、疲劳、蠕变和耐蚀性能，已广泛应用于航天航空、化工、海装等领域。钛钢复合材料的应用解决了钛材与异种金属焊接性能差且材料成本高的问题。本文针对钛钢复合材料螺纹孔加工过程中的技术问题，通过理论分析、工艺试验，制定合理的分层加工方案，已成功应用于相关品加工，为同类加工技术提供借鉴和技术支持。

关键词 钛材；钛钢复合材料；螺纹孔；分层加工

钛钢复合材料螺纹孔加工，由于材料加工性能的差异，常用丝锥、螺纹铣刀加工的方式加工的螺纹易产生表面缺陷、尺寸超差等问题。

根据具体精度要求，如螺纹孔尺寸、螺纹等级和表面状态等的要求，可制定对应的螺纹孔分层加工技术方案，以解决螺纹加工过程可能产生的质量问题。

1 加工技术要求

以不锈钢（06Cr19Ni10Ⅲ）基层和钛材（TA2）复层组成的钛钢复合材料上M48×-6H的螺纹孔加工为例进行分析，螺纹孔的结构和尺寸如下图：

2 材料特性分析

2.1 不銹钢基层加工特性

基层不锈钢（06Cr19Ni10）Ⅲ级锻件，材料硬度大，切削性能较差，加工硬化倾向大；韧性高，切屑加工时易产生粘刀现象以及形成长屑，使加工条件恶化。

2.2 钛材复层加工特性

钛材由于导热率小，加工过程中刀尖温度高；钛材弹性模量小，约为不锈钢的1/2，刚性差、易变形，在切屑加工时表面的回弹量大，约为不锈钢的2～3倍，使后刀面剧烈摩擦升温、易产生黏结磨损。

且钛材高温化学活性强，加工时易与空气中的氧、氮反应而形成脆而硬的表面硬化层，使刀具产生严重磨损。

2.3 钛钢结合区域加工特性

钛钢复合材料结合区域硬而脆，加工性能不稳定，在螺纹加工时，方法、刀具和参数选择不当会产生螺纹表面缺陷。

根据上述分析，不锈钢基层、钛材复层以及结合区域的加工性能存在差异，需通过开展工艺试验确定加工刀具和参数。

3 加工方案选择

3.1 普通丝锥攻丝

螺纹孔M48×5-6H尺寸大，一般不选择使用普通丝锥进行加工。为验证普通丝锥在该复合材料螺纹孔上加工的可行性，使用M16-6H丝锥进行手工攻丝，结果显示在结合区域出现螺纹表面缺陷。故针对M48×5-6H螺纹孔机加不选用丝锥攻丝方案。

3.2 内容屑丝锥机攻螺纹

内容屑丝锥作为常用的大尺寸螺纹孔高精度加工的机用丝锥，其结构主要包括导向段、切削段和修光段，可一次加工螺纹孔成型。

由于内容屑丝锥的刀具成本高，且需要稳定的动力输入，在丝锥和机床主轴之间需要配备扭矩控制模块，整体成本偏高。

采用内容屑丝锥进行钛钢复合材料螺纹孔的加工试验，攻丝效率高，螺纹通止规检测合格，复层和基层的表面质量满足要求，但结合区域存在局部表面缺陷，结合面表面质量不稳定。

3.3 螺纹铣刀铣削

根据钛材和不锈钢的材料加工性能，选择整体硬质合金内螺纹铣刀进行螺纹孔加工。试验发现采用同一切削参数进行铣削时，在结合区域会出现螺纹表面缺陷的情况，且很难选择同时适用于两种材料的加工参数；采用分层加工的方案，即复层区域、基层区域和结合面区域使用不同加工参数进行加工，螺纹通止规检查合格，且表面粗糙度和表面状态满足要求，加工检测结果合格。

4 螺纹孔铣削加工

4.1 螺纹铣刀选择

根据螺纹孔的结构尺寸、不锈钢（06Cr19Ni10Ⅲ）和钛材的加工性能等因素综合考虑，优先选择硬质合金螺纹铣刀。钛材导热性能差，采用硬质合金可转位刀片加工时散热性能差，易出现刀具的黏结磨损或崩刃损伤，造成刀具寿命缩短，工件表面受损等问题；由于复层、基层和结合面需要采用分层切削方式进行加工，因此不选用多齿铣刀进行螺纹孔铣削；通过技术分析和工艺试验，优先选择整体硬质合金单齿螺纹铣刀。

4.2 加工参数选择

根据钛材性能和加工特性分析，镗铣加工刀具刃口温度受速度影响大，为防止温升过大，需要选用较低的切削速度，钛材的切削速度应比不锈钢（06Cr19Ni10Ⅲ）低25%～50%。

由于钛材机加时改变进刀量对刃口温升没有太大影响，且减少刀具与表面硬化层的摩擦，易采用进刀量更大的机加参数。

4.3 加工过程控制

（1）底孔加工

钛钢复合材料上的M48×5-6H螺纹孔为盲孔，且底部为平底（非尖角），选用φ40的U钻进行底孔加工，加工效率高，质量可靠，并使用冷却液进行内冷和排屑，确保加工质量和加工效率。

（2）底孔精镗

使用φ42.59mm精镗刀加工底孔至尺寸。精镗过程中使用冷却液进行冷却和排屑。

（3）螺纹铣削

螺纹孔铣削加工采用数控编程的方式进行程序编制。单个螺纹孔分为三个循环进行加工，每个循环采用分层控制加工参数的方式进行铣削，即钛材复层、结合区域与不锈钢基层区域选用不同的切削参数。

通过以上分步的加工方式，能够在每个循环加工完成后及时观察已加工的螺纹表面的状态；采用分层设置参数的机加方式，能够选择分别适合于钛材复层、结合面和不锈钢基层加工参数，增加了刀具使用寿命，提高了工件的加工质量和加工效率。

（4）过程控制

螺纹孔加工过程中及时进行检查，并对机加完成后的螺纹孔进行通止规检查和表面状态进行检查，确保螺纹表面无损伤、缺陷，粗糙度满足要求。

5 加工技术的先进性

采用分层加工方式进行钛钢复合材料螺纹孔的加工方法，比传统丝锥攻丝的方法加工的螺纹孔表面质量更好；比内容屑丝锥攻丝的方法成本低且效果稳定。采用分层铣削方式进行螺纹加工，解决了钛钢复合材料加工性能差异带来的潜在问题，加工效率高、成本适中且质量稳定。

6 结束语

钛钢复合材料的广泛使用，充分发挥了钛材优良的材料性能，降低了材料成本投入。钛钢复合材料螺纹孔的分层加工技术通过试验、产品加工和技术优化，提高了螺纹孔加工质量和效率，有效控制加工成本，为同类结构螺纹孔加工提供借鉴和技术支持。