CN103551798B - 一种改善高体份金属基复合材料加工表面完整性的方法 - Google Patents

一种改善高体份金属基复合材料加工表面完整性的方法 Download PDF

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Abstract

一种改善高体份金属基复合材料加工表面完整性的方法，属于航空航天材料加工技术领域。将高体份金属基复合材料用一种特制的烧结金刚石颗粒的磨头刀具进行粗磨铣和精磨铣两次加工。粗磨铣是为了使加工试样基本达到加工要求尺寸，基本保证表面光洁度和表面粗糙度；精磨铣是在粗磨铣的基础上进一步改善材料表面粗糙度，减少表面形貌损伤，实现表面高光洁度，降低表层残余应力。烧结金刚石磨头刀具克服了传统刀具加工时出现的高体份金属基复合材料工件表面损伤严重、表面粗糙度过大、表层残余应力过高及刀具需不断修磨、更换的缺点；与金刚石刀具相比，成本大幅度降低，并可适用于粗加工。

Description

一种改善高体份金属基复合材料加工表面完整性的方法
技术领域
本发明涉及一种改善高体份金属基复合材料加工表面完整性的方法，属于航空航天材料加工技术领域。
背景技术
高体份陶瓷颗粒增强金属基复合材料（尤其是碳化硅颗粒增强铝基复合材料）具有高比刚度、高比强度、尺寸稳定性好，良好的导热性、耐磨性和抗腐蚀性等一系列优点，因此广泛应用于航空、航天、汽车制造、武器、光学精密仪器等领域。但是由于增强相的加入使得复合材料的硬度大幅度提高，一些传统的加工刀具（硬质合金刀具等）和方法（电火花加工、线切割加工等）又会对切削材料表面造成很大的损伤和较大的表面粗糙度以及表面残余应力过高，使加工出的材料表面高温氧化、凹坑、凸起还有划痕现象明显，加工材料表面形貌、表面粗糙度、表面残余应力、表面光洁度等达不到预期的要求；坚硬的增强相颗粒对加工刀具有严重的磨粒磨损作用，刀具寿命过短，加工工件时要不断地修磨刀具，不能达到连续加工的目的；金刚石刀具的使用会大大增加加工成本，并且金刚石刀具不能对工件进行粗加工。因此，在对高体份金属基复合材料加工时如何改善其加工表面完整性，降低加工成本，从而达到在航空航天中的工程应用已成为亟待解决的问题。
发明内容
针对高体份金属基复合材料本身的特点，本发明提供了一种特制的陶瓷烧结金刚石颗粒的磨头刀具和加工工艺，可获得表面粗糙度小，表面形貌损伤层小，表面残余应力低，表面光洁度好的改善高体份金属基复合材料加工表面完整性的方法。
一种改善高体份金属基复合材料加工表面完整性的方法，对高体份金属基复合材料用一种特制的陶瓷烧结金刚石颗粒的磨头刀具进行粗磨铣和精磨铣两次加工。粗磨铣是为了使加工试样基本达到加工要求尺寸，基本保证平整度和表面粗糙度；精磨铣是为了进一步改善材料表面粗糙度，减少表面形貌损伤，降低表层残余应力，实现表面高光洁度。具体加工步骤如下：
粗磨铣：
1）采用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具；
2）采用铣床或加工中心，控制主轴转速在2000-4000r/min、进给速度在400-800mm/min、背吃刀量在0.5-0.8mm；
选用充氮气的方法来冷却加工工件及刀具；
用铣床或加工中心对高体份金属基复合材料进行粗磨铣加工；
对粗磨铣后的试样进行精磨铣：
1）采用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具；
2）采用铣床或加工中心，控制主轴转速在4000-8000r/min、进给速度在200-400mm/min、背吃刀量在0.2-0.5mm；
3）选用充氮气的方法来冷却加工工件及刀具；
4）用铣床或加工中心对高体份金属基复合材料进行精磨铣加工；
（3）精磨铣后对加工表面进行清洗以去除表面上残留的污物和杂质；
粗磨铣和精磨铣加工时，均采用充氮气的方法替代冷却液，减少了切削液带来的腐蚀和杂质的混入。
粗磨铣加工后，高体份金属基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为2.2μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为43.34MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤情况。
精磨铣加工后，高体份金属基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为0.7μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为22.51MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤比较轻微，光洁度良好，无杂质污染。
本发明具有以下优点：
1、一种改善高体份金属基复合材料加工表面完整性的方法，采用一种特制的烧结金刚石颗粒的磨头刀具加工；
2、精磨铣加工选用机床加工参数为主轴转速在4000-8000r/min、进给速度在200-400mm/min、背吃刀量在0.2-0.5mm范围加工，可获得加工表面损伤层小，表面杂质物少，表面光洁度高，最终测得表面粗糙度小于1.6μm，表面残余应力低于30MPa；
3、可加工出的零件表面平行度高；
4、刀具磨损比较小，排屑槽设置合理，排屑方便，保护加工表面不受排屑刮伤；
5、操作方便，自动化程度高，加工精度高；
6、工艺流程简单，成本低，效率高。
附图说明
图1为硬质合金刀具加工表面形貌损伤图；加工表面小孔洞、大凹坑明显，表层划痕严重，出现高温氧化现象，表面平整度很低。
图2为金刚石磨头刀具加工表面形貌损伤图；加工表面孔洞、凹坑较少，表层划痕较浅，基本没有高温氧化现象，表层很平整。
图3为硬质合金刀具加工表面粗糙度三维形貌图。
图4为金刚石磨头刀具加工表面粗糙度三维形貌图。
具体实施方式
本发明是利用一种特制的烧结金刚石颗粒的磨头刀具在铣床或加工中心对高体份金属基复合材料加工的方法。因为材料硬度大，难加工，硬质合金刀具加工出的材料表面形貌损伤很大，粗糙度和表面残余应力不能达到预期的要求，加工出的零件不能运用于特定的环境；而采用金刚石刀具价格昂贵、成本太高。陶瓷烧结金刚石磨头刀具加工出的材料表面质量相对于硬质合金刀具要好很多，加工成本比金刚石刀具要低很多。
实施例1
第一步：采用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具；
第二步：采用铣床或加工中心，控制主轴转速为2000r/min、进给速度为400mm/min、背吃刀量为0.5mm；
第三步：用铣床或加工中心对体份为40%的碳化钛颗粒增强铝基复合材料进行粗磨铣加工；
第四步：选用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具对粗磨铣加工后的试样进行精磨铣加工；
第五步：采用铣床或加工中心，控制主轴转速为4000r/min、进给速度为400mm/min、背吃刀量为0.5mm；
第六步：用铣床或加工中心对体份为40%的碳化钛颗粒增强铝基复合材料进行精磨铣加工；
第七步：精磨铣后对加工表面进行清洗以去除表面上残留的污物和杂质；
粗磨铣和精磨铣加工时，均采用充氮气的方法替代冷却液，减少了切削液带来的腐蚀和杂质的混入。
粗磨铣加工后，体份为40%的碳化钛颗粒增强铝基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为2.5μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为43.34MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤情况。
精磨铣加工后，体份为40%的碳化钛颗粒增强铝基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为1.9μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为32.36MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤比较轻微，光洁度良好，无杂质污染。
实施例2
第一步：采用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具；
第二步：采用铣床或加工中心，控制主轴转速为3000r/min、进给速度为300mm/min、背吃刀量为0.3mm；
第三步：用铣床或加工中心对体份为50%的氮化硼颗粒增强铜基复合材料进行粗磨铣加工；
第四步：选用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具对粗磨铣加工后的试样进行精磨铣加工；
第五步：采用铣床或加工中心，控制主轴转速为6000r/min、进给速度为300mm/min、背吃刀量为0.3mm；
第六步：用铣床或加工中心对体份为50%的氮化硼颗粒增强铜基复合材料进行精磨铣加工；
第七步：精磨铣后对加工表面进行清洗以去除表面上残留的污物和杂质；
粗磨铣和精磨铣加工时，均采用充氮气的方法替代冷却液，减少了切削液带来的腐蚀和杂质的混入。
粗磨铣加工后，体份为50%的氮化硼颗粒增强铜基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为2.3μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为39.34MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤情况。
精磨铣加工后，体份为50%的氮化硼颗粒增强铜基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为1.2μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为28.47MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤比较轻微，光洁度良好，无杂质污染。
实施例3
第一步：采用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具；
第二步：采用铣床或加工中心，控制主轴转速为3500r/min、进给速度为350mm/min、背吃刀量为0.4mm；
第三步：用铣床或加工中心对体份为60%的硼化钛颗粒增强镁基复合材料进行粗磨铣加工；
第四步：选用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具对粗磨铣加工后的试样进行精磨铣加工；
第五步：采用铣床或加工中心，控制主轴转速为7000r/min、进给速度为350mm/min、背吃刀量为0.4mm；
第六步：用铣床或加工中心对体份为60%的硼化钛颗粒增强镁基复合材料进行精磨铣加工；
第七步：精磨铣后对加工表面进行清洗以去除表面上残留的污物和杂质；
粗磨铣和精磨铣加工时，均采用充氮气的方法替代冷却液，减少了切削液带来的腐蚀和杂质的混入。
粗磨铣加工后，体份为60%的硼化钛颗粒增强镁基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为2.2μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为36.04MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤情况。
精磨铣加工后，体份为60%的硼化钛颗粒增强镁基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为1.1μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为24.51MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤比较轻微，光洁度良好，无杂质污染。
实施例4
第一步：采用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具；
第二步：采用铣床或加工中心，控制主轴转速为4000r/min、进给速度为200mm/min、背吃刀量为0.2mm；
第三步：用铣床或加工中心对体份为70%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行粗磨铣加工；
第四步：选用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具对粗磨铣加工后的试样进行精磨铣加工；
第五步：采用铣床或加工中心，控制主轴转速为8000r/min、进给速度为200mm/min、背吃刀量为0.2mm；
第六步：用铣床或加工中心对体份为70%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行精磨铣加工；
第七步：精磨铣后对加工表面进行清洗以去除表面上残留的污物和杂质；
粗磨铣和精磨铣加工时，均采用充氮气的方法替代冷却液，减少了切削液带来的腐蚀和杂质的混入。
粗磨铣加工后，体份为70%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为2.0μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为34.04MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤情况。
精磨铣加工后，体份为70%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料试样经过清洗后，采用三维共聚焦表面形貌仪测得的表面粗糙度Sa约为0.7μm，采用Proto-iXRD便携式残余应力分析***测得表面残余应力为22.51MPa，用S4800冷场发射扫描电子显微镜观察加工表面形貌损伤比较轻微，光洁度良好，无杂质污染。

Claims (1)

1.一种改善高体份金属基复合材料加工表面完整性的方法，以铝硅镁铸造铝合金、纯铝、铸造镁合金、2000系变形铝合金、6000系变形铝合金或7000系变形铝合金中的任意一种作为基体材料，以碳化硅颗粒、氧化铝颗粒、碳化钛颗粒、碳化硼颗粒或氮化铝颗粒中的任意一种作为增强体组成高体份颗粒增强金属基复合材料，陶瓷颗粒增强体在复合材料中所占的体份为40％～70％，将高体份金属基复合材料用一种特制的陶瓷烧结金刚石磨头刀具进行粗磨铣和精磨铣两次加工；粗磨铣是为了使加工试样达到加工要求尺寸，保证表面光洁度和表面粗糙度，精磨铣是为了进一步改善材料表面粗糙度，减少表面形貌损伤，降低表面残余应力，实现表面高光洁度，其特征在于，具体加工步骤如下：
粗磨铣：
1)采用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具；
2)采用铣床或加工中心，控制主轴转速在2000-4000r/min、进给速度在400-800mm/min、背吃刀量在0.5-0.8mm；
选用充氮气的方法来冷却加工工件及刀具；
用铣床或加工中心对高体份金属基复合材料进行粗磨铣加工；
对粗磨铣后的试样进行精磨铣：
1)选用均质、高硬度、高平整度的烧结陶瓷金刚石颗粒的磨头刀具；
2)采用铣床或加工中心，控制主轴转速在4000-8000r/min、进给速度在200-400mm/min、背吃刀量在0.2-0.5mm；
选用充氮气的方法来冷却加工工件及刀具；
用铣床或加工中心对高体份金属基复合材料进行精磨铣加工；
精磨铣后对加工表面进行清洗以去除表面上残留的污物和杂质；
粗磨铣和精磨铣加工时，均采用充氮气的方法替代冷却液，减少了切削液带来的腐蚀和杂质的混入。
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