CN107052476B - 一种连续纤维增强陶瓷基复合材料螺纹低损伤加工工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续纤维增强陶瓷基复合材料螺纹低损伤加工工艺方法，(一)、利用电镀金刚石平底刀具在连续纤维增强陶瓷基复合材料上加工螺纹大径；(二)、在步骤一已加工螺纹大径圆柱的基础上，利用电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具，根据螺纹仿形铣磨削工艺采取变进给与变切深的方式粗加工螺纹；(三)、在步骤二粗加工螺纹的基础上，利用电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具根据螺纹仿形铣磨削工艺精加工螺纹；上述电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具的螺纹刀具直径为20～40mm，刀具截形夹角为50～60°,刀尖圆角R≤0.1mm；电镀金刚石螺纹刀具中金刚石颗粒的冲击韧性(TI/％)≥80、热冲击韧性(TTI/％)≥76，压制金刚石螺纹刀具中金刚石颗粒的冲击韧性(TI/％)≥76、热冲击韧性(TTI/％)≥74。

Description

一种连续纤维增强陶瓷基复合材料螺纹低损伤加工工艺方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷基复合材料螺纹低损伤加工工艺，特别是涉及一种高硬度、各向异性连续纤维增强陶瓷基复合材料微细螺纹的低损伤、高效率、高精度加工刀具及工艺方法，属于复合材料机械加工领域。
背景技术
连续纤维增强陶瓷基复合材料(Continuous fiber reinforced ceramicsmatrix composites,CFCMC)是在陶瓷基体中引入连续纤维第二相作为增强材料，由纤维作为增强剂抑制陶瓷基体中裂纹的扩展，因而CFCMC的断裂韧度远高于传统的单相陶瓷，在一定程度上克服了陶瓷基复合材料固有的脆性问题。同时，CFCMC具有密度小、比强度高、比模量高、热机械性能和抗热震冲击性能优良、耐烧蚀性能和绝热性能优异等特点。因而，将CFCMC应用于航天防热结构中可实现耐烧蚀、隔热和结构支撑等多功能的材料一体化设计，达到大幅提高任务效能的目的。近年来，新型CFCMC材料倍受西方国家关注并大力开展相关研究，在某些领域中已逐渐取代了传统的碳基与树脂基复合材料。基于FRCMC的热防护***和热结构已成为欧洲空间组织HERMES、MSTP与ARD项目、高推重比航空发动机热端材料等项目的重点研究领域。
然而，高硬度、各向异性连续纤维增强的陶瓷基复合材料属于典型的难加工材料，其结构件具有硬度高、脆性大、导热性差、非均质性、加工冷却条件苛刻等特点，导致该类材料在切削加工时切削力大、刀具寿命低、刀具可靠性差等问题。尤其是连续纤维增强陶瓷基复合材料螺纹属于可设计的纤维编织结构，具有典型的各向异性特点，导致该材料螺纹在精密加工中存在螺纹损伤严重、螺纹牙型保持率低、加工效率低下、加工成本高、刀具磨损严重等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种各向异性CFCMC螺纹低损伤加工工艺方法。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：一种连续纤维增强陶瓷基复合材料螺纹低损伤加工工艺方法，包括如下步骤：
步骤(一)、利用电镀金刚石平底刀具在连续纤维增强陶瓷基复合材料上加工螺纹大径；
步骤(二)、在步骤一已加工螺纹大径圆柱的基础上，利用电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具，根据螺纹仿形铣磨削工艺采取变进给与变切深的方式粗加工螺纹；
步骤(三)、在步骤二粗加工螺纹的基础上，利用电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具根据螺纹仿形铣磨削工艺精加工螺纹；
上述电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具的螺纹刀具直径为20～40mm，刀具截形夹角为50～60°,刀尖圆角R≤0.1mm；电镀金刚石螺纹刀具中金刚石颗粒的冲击韧性(TI/％)≥80、热冲击韧性(TTI/％)≥76；压制金刚石螺纹刀具中金刚石颗粒的冲击韧性(TI/％)≥76、热冲击韧性(TTI/％)≥74。
进一步的，电镀金刚石平底刀具所采用的金刚石颗粒粒度为100～130目，金刚石浓度为90～150％。
进一步的，电镀金刚石螺纹刀具适用于无冷却状态下的干式切削过程，金刚石颗粒粒度为200～300目，金刚石浓度为90～120％。
进一步的，压制金刚石螺纹刀具适用于有冷却状态下的湿式切削过程，金刚石粒度为250～300目，金刚石浓度为150～250％。
进一步的，压制金刚石螺纹刀具的结合剂组份配比为WC 30～40wt％，Ni19～35wt％，Co 20～30wt％，Mn 15～20wt％，Cr 5～10wt％，Nb 0.5～1wt％。
进一步的，压制金刚石螺纹刀具的制备工艺：热压烧结温度为800～1050℃、保温时间为3～10min、热压压力15～25MPa。
进一步的，步骤(一)中加工螺纹大径值至d1，d1＝d-Td/2；其中，d1为螺纹实际加工大径；d为螺纹设计大径；Td为螺纹大径公差。
进一步的，步骤(二)螺纹仿形铣磨削粗加工的切削用量为：插补内公差与外公差为0.003～0.01mm，主轴转速为3000～5000r/min，切削方式为顺铣；
将整个切削过程分为余量去除切削与螺牙成形切削两个阶段，余量去除切削阶段的刀路数为8～20，进给量为1500～2000mm/min，切削深度为0.04～0.1mm；螺牙成形切削阶段的刀路数为4～8，进给量为800～1200mm/min，切削深度为0.01～0.05mm。
进一步的，步骤(三)中螺纹仿形铣磨削精加工切削用量为：插补内公差与外公差为0.0008～0.003mm，主轴转速为4000～6000r/min，刀路数为2～4，进给量为800～1000mm/min，切削深度为0.02～0.04mm，单次刀具补偿值≤0.04mm，切削方式为顺铣。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过大量的实验优化设计了仿形铣磨削切削用量并对加工刀路进行了变进给、变切深的变速工艺设计，既提高了大批量生产时的螺纹加工效率，又降低了螺纹成形过程中的切削力并避免了螺牙损伤。采用该工艺加工后的螺纹牙型保持率≥95％，满足了螺纹连接产品低损伤、高精度、高效率的制造及应用需求。
(2)本发明针对高硬度、各向异性CFCMC微细螺纹加工中表现出的螺纹损伤严重、加工成本高、刀具寿命及可靠性低的问题，通过优化刀具制备工艺制造了成套的专用金刚石刀具，并对金刚石颗粒的性能、粒度、结合剂的组份与配比、刀具的制备工艺参数、刀具结构参数等进行了优化设计。所制备的刀具切削性能及使用寿命得到了提高，刀具与各向异性CFCMC有优良的切削匹配性，螺纹加工成本得到了极大降低。
(3)针对航天企业各向异性CFCMC微细螺纹结构件大批量、低损伤、短周期的生产需求，本发明提供了一种产品合格率较高(≥99％)的各向异性CFCMC螺纹低损伤加工工艺方法。该方法实现了高硬度、各向异性CFCMC微细螺纹的低损伤、高效率、高精度切削加工，保证了该类结构件的大批量生产及应用可靠性，满足了该结构件高质量和快速响应的生产制造需求。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中电镀/压制金刚石螺纹刀具结构图；
图3为本发明中螺纹加工后的SEM及超景深显微形貌。
具体实施方式
一种连续纤维增强陶瓷基复合材料螺纹低损伤加工工艺方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤(一)、利用电镀金刚石平底刀具在连续纤维增强陶瓷基复合材料上加工螺纹大径；加工螺纹大径值至d1，d1＝d-Td/2。其中，d1为螺纹实际加工大径；d为螺纹设计大径；Td为螺纹大径公差。
步骤(二)、在步骤一已加工螺纹大径圆柱的基础上，利用电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具，根据螺纹仿形铣磨削工艺采取变进给与变切深的方式粗加工螺纹；螺纹仿形铣磨削工艺为根据螺纹的设计尺寸，依靠三轴数控机床的插补原理使刀刃回转轨迹与螺纹小径d2形成的阿基米德螺旋线做相切运动，最终由刀刃回转轨迹所形成的曲面包络而生成螺纹的曲面廓形。其中，插补内公差与外公差为0.003～0.01mm，主轴转速为3000～5000r/min，切削方式为顺铣。为了减小切削力、提高切削效率及较高的牙型保持率，将整个切削过程分为余量去除切削与螺牙成形切削两个阶段并采取变进给和变切深的刀路设计方法，余量去除切削阶段的刀路数为8～20，进给量为1500～2000mm/min，切削深度为0.04～0.1mm。螺牙成形切削阶段的刀路数为4～8，进给量为800～1200mm/min，切削深度为0.01～0.05mm。
步骤(三)、在步骤二粗加工螺纹的基础上，利用电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具根据螺纹仿形铣磨削工艺精加工螺纹，并利用螺纹环规进行检测至合格。螺纹仿形铣磨削精加工切削用量为：插补内公差与外公差为0.0008～0.003mm，主轴转速为4000～6000r/min，刀路数为2～4，进给量为800～1000mm/min，切削深度为0.02～0.04mm，单次刀具补偿值≤0.04mm，切削方式为顺铣。
上述电镀金刚石平底刀具优选方案是：采用的金刚石颗粒粒度为80～150目，金刚石浓度为90～150％，刀具基体为WC-Co硬质合金，电镀层采用镍钴钛合金。当然该平底刀具可以采用目前已有的电镀金刚石平底刀具。
上述电镀金刚石螺纹刀具优选方案是：所采用的金刚石颗粒冲击韧性(TI/％)≥80、热冲击韧性(TTI/％)≥76，粒度为200～300目，金刚石浓度为90～120％，刀具基体为WC-Co硬质合金，电镀层采用镍猛钴合金。如图2所示，螺纹刀具直径L为20～40mm，刀具截形夹角θ为50～60°，刀尖圆角R≤0.1mm。该刀具适用于无冷却状态下的干式切削过程。
上述压制金刚石螺纹刀具所采用的金刚石颗粒的冲击韧性(TI/％)≥76、热冲击韧性(TTI/％)≥74，粒度为250～300目，金刚石浓度为150～250％，刀具基体为WC-Co硬质合金，结合剂组份配比为WC 30～40wt％，Ni 19～35wt％，Co20～30wt％，Mn 15～20wt％，Cr 5～10wt％，Nb 0.5～1wt％，热压烧结温度为800～1050℃、保温时间为3～10min、热压压力15～25MPa。螺纹刀具直径L为20～40mm，刀具截形夹角θ为50～60°,刀尖圆角R≤0.1mm。该刀具适用于有冷却状态下的湿式切削过程。
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
实施例1
加工对象为正交三向C纤维增强的陶瓷基复合材料M10×1.5-6h螺纹连接件，加工方式为干式切削。
(1)、设计并制造电镀金刚石平底刀具与电镀金刚石螺纹刀具。其中，电镀金刚石平底刀具所采用的金刚石颗粒粒度为85目，金刚石浓度为100％，刀具基体为WC-Co硬质合金，电镀层采用镍钴钛合金。电镀金刚石螺纹刀具所采用的金刚石颗粒粒度为250目，金刚石浓度为110％，刀具基体为WC-Co硬质合金，电镀层采用镍猛钴合金。螺纹刀具直径为28mm，刀具截形夹角为59.3°，刀尖圆角R＝0.09mm。
(2)、利用电镀金刚石平底刀具加工螺纹大径至9.882mm。
(3)、利用电镀金刚石螺纹刀具根据螺纹仿形铣磨削工艺粗加工螺纹，切削用量为：插补内公差与外公差均为0.005mm，主轴转速为3500r/min，切削方式为顺铣。余量去除切削阶段刀路数为13，进给量为1700mm/min，切削深度为0.05mm。螺牙成形切削阶段刀路数为4，进给量为1000mm/min，切削深度为0.03mm。
(4)、利用电镀金刚石螺纹刀具根据螺纹仿形铣磨削工艺精加工螺纹，切削用量为：插补内公差与外公差均为0.001mm，主轴转速为4500r/min，刀路数为3，进给量为950mm/min，切削深度为0.03mm，单次刀具补偿值为0.02mm，切削方式为顺铣。螺纹加工后利用M10×1.5-6h螺纹环规检测至合格。
通过本实施例中螺纹的大批量加工与检验，如图3所示，结果表明利用该方法加工的正交三向C纤维增强的陶瓷基复合材料M10×1.5-6h螺纹连接件牙型保持率≥96％，产品合格率≥99.3％，刀具寿命平均值可达18小时。
实施例2
加工对象为细编穿刺SiO2纤维增强的陶瓷基复合材料M8×1.25-6h螺纹连接件，加工方式为湿式切削，冷却介质为去离子水。
(1)、设计并制造电镀金刚石平底刀具与压制金刚石螺纹刀具。其中，电镀金刚石平底刀具所采用的金刚石颗粒粒度为100目，金刚石浓度为95％，刀具基体为WC-Co硬质合金，电镀层采用镍钴钛合金。压制金刚石螺纹刀具所采用的金刚石颗粒粒度为300目，金刚石浓度为200％，刀具基体为WC-Co硬质合金，结合剂组份配比为WC 32wt％，Ni 22wt％，Co21wt％，Mn 17wt％，Cr 7.2wt％，Nb 0.8wt％。热压烧结温度为950℃Z保温时间为5min、热压压力20MPa。螺纹刀具直径为25mm，刀具截形夹角为59.5°,刀尖圆角R＝0.08mm。
(2)、利用电镀金刚石平底刀具加工螺纹大径至7.894mm。
(3)、利用电镀金刚石螺纹刀具根据螺纹仿形铣磨削工艺粗加工螺纹，切削用量为：插补内公差与外公差为0.005mm，主轴转速为4500r/min，切削方式为顺铣。余量去除切削阶段刀路数为10，进给量为1600mm/min，切削深度为0.05mm。螺牙成形切削阶段刀路数为7，进给量为850mm/min，切削深度为0.02mm。
(4)、利用压制金刚石螺纹刀具根据螺纹仿形铣磨削工艺精加工螺纹，切削用量为：插补内公差为外公差均为0.001mm，主轴转速为5000r/min，刀路数为3，进给量为900mm/min，切削深度为0.02mm，单次刀具补偿值为0.02mm，切削方式为顺铣。螺纹加工后利用M8×1.25-6h螺纹环规进行检测至合格。
通过本实施例中螺纹的批量加工与检验，结果表明利用该方法加工的细编穿刺SiO2纤维增强的陶瓷基复合材料M8×1.25-6h螺纹连接件牙型保持率≥95％，产品合格率≥99.1％，刀具寿命平均值可达21小时。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种连续纤维增强陶瓷基复合材料螺纹低损伤加工工艺方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(一)、利用电镀金刚石平底刀具在连续纤维增强陶瓷基复合材料上加工螺纹大径；
步骤(二)、在步骤(一)已加工螺纹大径圆柱的基础上，利用电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具，根据螺纹仿形铣磨削工艺采取变进给与变切深的方式粗加工螺纹；
步骤(三)、在步骤(二)粗加工螺纹的基础上，利用电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具根据螺纹仿形铣磨削工艺精加工螺纹；
上述电镀金刚石螺纹刀具或压制金刚石螺纹刀具的刀具直径为20～40mm，刀具截形夹角为50～60°,刀尖圆角R≤0.1mm；电镀金刚石螺纹刀具中金刚石颗粒的冲击韧性(TI/％)≥80、热冲击韧性(TTI/％)≥76；压制金刚石螺纹刀具中金刚石颗粒的冲击韧性(TI/％)≥76、热冲击韧性(TTI/％)≥74。
2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：电镀金刚石平底刀具所采用的金刚石颗粒粒度为100～130目，金刚石浓度为90～150％。
3.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：电镀金刚石螺纹刀具适用于无冷却状态下的干式切削过程，金刚石颗粒粒度为200～300目，金刚石浓度为90～120％。
4.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：压制金刚石螺纹刀具适用于有冷却状态下的湿式切削过程，金刚石颗粒粒度为250～300目，金刚石浓度为150～250％。
5.根据权利要求4所述的工艺方法，其特征在于：压制金刚石螺纹刀具的结合剂组份配比为WC 30～40wt％，Ni 19～35wt％，Co 20～30wt％，Mn 15～20wt％，Cr 5～10wt％，Nb0.5～1wt％。
6.根据权利要求5所述的工艺方法，其特征在于：压制金刚石螺纹刀具的制备工艺：热压烧结温度为800～1050℃、保温时间为3～10min、热压压力15～25MPa。
7.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：步骤(一)中加工螺纹大径值至d1，d1＝d-Td/2；其中，d1为螺纹实际加工大径；d为螺纹设计大径；Td为螺纹大径公差。
8.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：步骤(二)螺纹仿形铣磨削粗加工的切削用量为：插补内公差与外公差为0.003～0.01mm，主轴转速为3000～5000r/min，切削方式为顺铣；
将整个切削过程分为余量去除切削与螺牙成形切削两个阶段，余量去除切削阶段的刀路数为8～20，进给量为1500～2000mm/min，切削深度为0.04～0.1mm；螺牙成形切削阶段的刀路数为4～8，进给量为800～1200mm/min，切削深度为0.01～0.05mm。
9.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：步骤(三)中螺纹仿形铣磨削精加工切削用量为：插补内公差与外公差为0.0008～0.003mm，主轴转速为4000～6000r/min，刀路数为2～4，进给量为800～1000mm/min，切削深度为0.02～0.04mm，单次刀具补偿值≤0.04mm，切削方式为顺铣。
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