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金属加工|如何提升复合材料内螺纹加工质量？

编者按
本文针对高硅氧玻璃纤维复合材料在内螺纹加工时质量不易控制 ， 螺纹孔出现分层、劈裂及掉渣等缺陷 ， 螺纹精度难以保证 ， 对内螺纹加工进行工艺方法改进 ， 通过构件加强和螺纹引导工装的方法 ， 改善丝锥加工复合材料螺纹的切削加工条件 ， 减少分层、劈裂缺陷 ， 提高复合材料螺纹加工质量 。
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 ， 其成型工艺简单、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加工材料 ， 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 ， 较面、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96%～98% ， 耐高温性能非常好 ， 在1000℃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 ， 而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、劈裂缺陷示意图如图2所示 。
金属加工|如何提升复合材料内螺纹加工质量？
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金属加工|如何提升复合材料内螺纹加工质量？
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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 。
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选用合适丝锥提高加工复合材料内螺纹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的产生较大分层力特点存在冲突 ， 使复合材料进行螺纹加工时产生严重缺陷 ， 故主要从解决这些冲突着手改进 。


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