改进工艺提升复合材料内螺纹加工质量

■ 湖北三江航天红阳机电有限公司 （湖北孝感 432100） 阎 杰

高硅氧玻璃纤维复合材料作为防/隔热一体化材料被广泛地应用于航空航天领域，其成形工艺简单、成本低且防热性能适中，主要被应用到固体火箭发动机热防护结构中。该复合材料基体相是热固性酚醛树脂，其密集处脆性大，切削时容易崩裂，固化时有小分子挥发物生成，强度较高但均匀性较差。增强相为高纯度氧化硅非晶体连续纤维，具有较高的耐热性。高硅氧玻璃纤维属难切削材料，切削温度高，导热性差，层间剪切强度相对较低，导致加工螺纹时，刀具磨损快，比面、孔加工更易产生分层、劈裂及掉渣等缺陷，螺纹精度难以保证。

1. 高硅氧玻璃纤维复合材料螺纹加工特性

（1）高硅氧玻璃纤维材料切削加工特性 高硅氧纤维是高纯度氧化硅非晶体连续纤维的简称，其氧化硅含量为96%～98%，耐高温性能非常好，在1 000℃时能长久保持良好的强度和弹性，其导热系数低，对高热冲击有良好的抵御性能，是一种优良的耐烧蚀材料和隔热材料。

由于高硅氧玻璃纤维复合材料软基体中杂乱无章地分布着硬质点的 SiO2，而且 SiO2的含量又非常高，导热性差，使得切削过程中刀具切削温度高，切削刃烧伤和磨损较严重，而刀具的磨损会造成继续切削困难，切削力加大，使切削质量更差。

玻璃纤维复合材料的弹性模量较低，一般是钢材的1/20～1/10，铝的1/7～1/3.5，因此在切削过程中存在着严重的弹性变形，导致在己加工表面形成过程中的弹性恢复大，其恢复引起螺纹刀具后刀面和己加工表面之间的强烈摩擦，造成复合材料螺纹难以切削加工，加工精度难以保证。

高硅氧玻璃纤维是层压材料，具有纤维方向性，组织结构松散，致密性差，层间剪切强度相对较低，切削加工时不能承受较大的分层力，容易造成组织分层。分析金属材料螺纹加工切削力时，主要考虑切削时刀具受金属材料剪切塑性变形抗力的影响，考虑刀具的强度问题。复合材料由于层间强度低，切削力分析与金属材料有较大区别，主要不是考虑刀具受力影响，而是考虑在切削螺纹牙型时复合材料受刀具切削力产生分层、劈裂等缺陷。

（2）复合材料螺纹加工特性 以某高硅氧玻璃纤维复合材料零件口盖为例（见图1），要求加工两个M16×2-7H螺纹，有效螺纹深12mm，采用数控铣加工螺纹，材料出现严重的分层缺陷，用钳工丝锥攻螺纹，螺纹加工质量同样无法保证，导致零件报废，复合材料零件口盖分层、劈裂缺陷示意如图2所示。

分析比较复合材料加工螺纹与孔时的分层力，孔加工时的分层力为刀具进给时产生的轴向力Fx，只有一个并且在进给方向，而刀具切削螺纹时，由于螺纹牙型的特殊形状，不仅有一个轴向力Fx，径向力Fy在牙尖处还产生两个同样大小的、方向相反的使复合材料分层的轴向力，说明复合材料螺纹加工时产生的分层力比孔加工时大，切削条件更为不利，导致螺纹刀具在切削时较复合材料的面、孔等更易产生分层、劈裂缺陷，螺纹牙型出现掉尖、掉渣等缺陷，螺纹精度难以保证。

图1 零件口盖

图2 零件口盖分层、劈裂缺陷示意

2. 选用合适丝锥提高复合材料内螺纹加工质量

由于高硅氧玻璃纤维复合材料本身的层间强度低，不能承受较大分层力的特性与螺纹加工时产生较大分层力的特点存在冲突，使复合材料进行螺纹加工时产生严重缺陷，因此主要从解决这些冲突着手改进。

（1）丝锥材料选择 材料导热性差，螺纹攻制条件恶劣，切屑呈碎末状，在孔内起到研磨料的作用， 剧烈摩擦产生的热能增加了切削刃的烧蚀程度，加剧了切削刃的磨损，因此加工复合材料螺纹丝锥应选用粉末冶金高性能高速钢、含钴或含铝的超硬高速钢涂层丝锥或硬质合金涂层丝锥，通过降低切削摩擦力和切削热，提高丝锥耐热、耐磨性，保持切削刃锋利，延长丝锥使用寿命，提高螺纹加工精度。

（2）丝锥切削角度选择 复合材料切削具有一定收缩性，导致摩擦力大，因此丝锥切削刃要锋利，前角和后角采用较大值，选取丝锥前角γ为10°～15°，切削部分后角α为15°～20°。

选用螺旋槽丝锥，加大实际切削前角，降低切削热，减少切削刃磨损，另外丝锥刀背宽度选较小值，减少丝锥与复合材料的摩擦。

（3）其他 钻孔时复合材料孔径有一定收缩，螺纹底孔孔径可以适当增大为φ14.05～φ14.1 mm，同时适当增大孔口两端倒角为1.3mm×45°，减少螺纹孔口掉渣缺陷。

口盖M16×2-7H螺纹是盲孔螺纹，丝锥攻螺纹时需要控制丝锥切入深度，防止丝锥前端与盲孔底面已经接触时，进给还在继续，造成复合材料劈裂。采用测量、标识及深度定位套等方法，控制丝锥进入深度，防止丝锥切入螺纹孔过深，导致孔底产生分层、劈裂等缺陷。

3. 改善复合材料螺纹切削加工条件

（1）构件加强法 复合材料层间强度相对较低，在复合材料制备工艺方面努力提高层间强度的同时，可以通过在外部对复合材料进行构件加强的方法，应对复合材料层间强度低和螺纹切削加工时较大分层力的冲突，减少材料分层、劈裂等缺陷。

对复合材料进行构件加强，就是在零件外部螺纹切削加工的方向上，通过采取一定措施，如压、夹等将结构件紧固在复合材料的外表面，通过在零件外表面的压力，使复合材料在螺纹切削加工前，内部就产生一定的抗分层力，能够较大程度地提高复合材料在切削时的层间强度，从而有效地应对螺纹切削加工时较大的分层力，减少材料分层、劈裂等缺陷。

丝锥加工螺纹或车、铣加工复合材料螺纹时，都适合采用构件加强方法，改善复合材料螺纹切削加工条件。对复合材料进行构件加强时，压紧力不可太大，避免零件外形、孔等已加工内容由于较大外力发生变形、劈裂。

（2）内螺纹引导工装 在手动攻螺纹时，在铰杠上不仅要施加一个力偶，还需施加一个适当大小且朝向螺纹孔的压力，使丝锥切削锥部分顺利地螺旋切入被加工零件孔口，这个压力的大小手工操作不易控制，对塑性好的金属材料来说不难，丝锥会继续螺旋切入零件材料，但对强度比较高或塑性差的材料，会出现丝锥不易切入材料的问题，或者螺纹孔口周围材料牙型被带掉。由于复合材料层间强度较低，导致丝锥在刚开始切削时就使复合材料表层向外发生劈裂等缺陷，无法继续引导丝锥顺利地螺旋切入，因此还要改善手工攻螺纹时丝锥刚切入时的条件。

改善丝锥刚切入时的条件，可以在使用构件加强法的基础上，与螺纹引导工装相结合。在需要加工螺纹孔处相对应的加强构件上加工相同尺寸、精度的螺纹，使其同时成为螺纹引导工装。丝锥通过其引导加工螺纹时，不仅可以起到较高精度的定位、导向作用，还能在丝锥旋转刚切入材料时，通过工装的螺纹牙型引导丝锥产生稳定向下的、螺旋切入零件材料内部的力，从而减少零件表层向外发生劈裂等缺陷，减少丝锥加工螺纹时手工操作的不稳定性，提高螺纹的垂直度精度，同时可以避免在需要丝锥多次攻入时，螺纹孔口出现的烂牙现象。

（3）具体改进方法 加工零件口盖外形、孔后，在零件螺纹孔加工厚度方向上、下各垫一加强板，厚度约20mm，宽度方向尺寸比零件稍小，长度方向尺寸比零件大约80mm，上加强板上有两个M16×2mm的起引导作用的螺纹孔，下加强板上有两个φ10mm孔，孔距加工与零件一致，使用两个台阶定位销将零件和上、下加强板定位后，通过上、下加强板两端的紧固螺栓将零件固定在中间，钳口夹紧零件两侧，拆下其中一处台阶定位销后，就可以用丝锥加工该处螺纹，构件加强和螺纹引导工装如图3所示。

图3 构件加强和螺纹引导工装

加工复合材料螺纹，还可以采用数控螺纹铣刀，因为在刀具材料、结构和加工方式上螺纹刀铣削加工优于丝锥加工，可以通过调整切入、进给方式和切削参数等，适合不同材料的螺纹加工，减少切削分层力。因此为保证螺纹加工质量，在加工条件允许的情况下，建议优先选用数控铣削加工大直径内孔螺纹。

4. 结语

作为难加工材料，高硅氧玻璃纤维复合材料层间强度低，不能承受较大分层力的特性与螺纹加工时产生较大分层力的特点存在冲突，通过构件加强和螺纹引导工装的工艺改进方法，可以较大程度地改善丝锥加工复合材料螺纹时的切削加工条件，减少分层、劈裂缺陷，提高复合材料螺纹加工质量。