CN111958185A - 一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，通过使用粘接钛柱来代替直接攻螺纹或镶嵌钢丝螺套加工小螺纹，在不明显降低其材料线膨胀系数和增加材料质量属性的前提下大幅提高螺纹的加工精度、质量和效率，满足高体积分数铝基碳化硅材料在反复拆卸场合下使用需求，解决了高体积分数铝基碳化硅材料上加工螺纹尤其是小螺纹时易产生加工缺陷、加工后螺纹无法适应反复拆卸的场合应用的问题，适用性更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，属于精密零件加工领域。
背景技术
铝基碳化硅复合材料，尤其是高体分铝基碳化硅材料具有高比强度和比刚度、低热膨胀系数、低密度、高微屈服强度、良好的尺寸稳定性、导热性以及耐磨、耐疲劳等优异的力学性能和物理性能，在航空航天、兵器、汽车等领域得到了广泛的应用，如军用电子产品封装壳体、军用高稳定光机结构件、军用光学/电子载荷热控产品、深空探测产品关键抗磨与高稳定性结构、汽车刹车片等。但是高体积分数碳化硅铝基复合材料上加工小孔螺纹一直是个难题，加工过程中底孔加工，尤其是丝锥攻螺纹时丝锥磨损严重，扭矩很大，经常折断，螺纹的加工精度和质量无法保证，而且即使是加工出的螺纹在经常需要拆卸的场合往往拆卸一次，螺纹的螺牙磨损量大，多次拆卸后的螺纹往往极易发生脱扣。材料的一系列优异性能的获得是以牺牲复合材料的塑性韧性和切削加工性为代价的，该材料由于塑性低以及在微观上的不均匀性而难于机械加工，特别体现在刀具磨损快和加工表面缺陷多等方面，尤其是其上螺纹的加工，由于其上含有大量坚硬的碳化硅颗粒，且微观不均匀，65％体分的材料其颗粒通常达60微米，加工过程刀具设计不合理和加工参数不当，易产生孔洞、凹坑、微裂纹、沟痕、螺纹崩边、基体撕裂等缺陷；对于细小孔及螺纹，刀具的研制、修形、修磨困难，磨损快、成本相对较高且效率极低，严重制约了高体积分数铝基碳化硅材料的大面积推广使用。碳化硅铝基复合材料精密加工是一项具有高难度和高技术含量的挑战，然而该材料的精密加工既是一种高代价高投入的工艺技术又是高增值高回报的工艺技术，世界工业先进国家都把它放在国家尖端技术和经济振兴的重要位置。
对于高体积分数铝基碳化硅材料上的螺纹加工，采用直接在母材上攻螺纹可以通过设计定制专用的PCD钻头、PCD丝锥来降低刀具磨损对螺纹加工的影响，加工效率低，且该类螺纹孔往往无法适用频繁拆卸的场合，3-5次使用后螺牙磨损严重，甚至会发生脱扣；通过打螺纹底孔攻头锥二锥后镶嵌钢丝螺套的方式来加工螺纹可降低螺牙的磨损，但该类螺纹孔往往精度较低，而且螺牙的多次使用，母体的牙同样会存在磨损掉屑，经验显示在55％体分的铝基碳化硅材料上加工M3的内螺纹，镶嵌钢丝螺套后，使用一次，母体的小径会减小0.03～0.05，无法适应多次拆卸的场合。
因此，寻求一种简单高效的、能够大幅提高螺纹的螺牙强度的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，具有重要的应用意义。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，高体积分数铝基碳化硅材料上加工螺纹尤其是小螺纹时易产生加工缺陷，同时即使完成加工后螺纹无法适应反复拆卸的场合应用的问题，提出了一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，步骤如下：
(1)对铝基碳化硅零件加工，直至铝基碳化硅零件单边均有0.5mm空间余量；
(2)于铝基碳化硅零件上以预设尺寸加工钛柱塞孔；
(3)采用TC4R钛合金棒材按照预设外形公差加工端面设置有螺纹孔的钛合金柱，于钛合金柱表面喷丸，保证喷丸后粗糙度大于预设阈值；
(4)利用砂纸对铝基碳化硅零件的钛柱塞孔底部进行打磨，并利用砂纸蘸取究竟进行清洗晾干，通过放大镜以高强度照明进行孔内观察，直至钛柱塞孔底部呈现金属光泽；
(5)利用砂纸对钛合金柱顶端粘接处进行打磨，并利用砂纸蘸取究竟进行清洗晾干，通过放大镜以高强度照明进行观察，直至钛合金柱顶端呈现金属光泽；
(6)配置胶液，并均匀涂抹于钛柱塞孔底部，通过放大镜以高强度照明对钛柱塞孔底部涂胶层进行观察，若满足涂胶层合格要求则进入步骤(7)；否则清除涂胶层重新涂胶；
(7)将胶液均匀涂抹于钛合金柱表面，并通过放大镜以高强度照明对钛合金柱涂胶层进行观察，若满足涂胶层合格要求则进入步骤(8)；否则清除涂胶层重新涂胶；
(8)将涂胶后的钛合金柱压入铝基碳化硅材料的钛柱塞孔中，利用沙袋加压并室温放置168小时，并于静置胶接完成后对胶接端面进行加工，对胶接端面的边缘胶面进行视频显微镜检测，若指定尺寸气孔数量达标，则完成螺纹制备，否则重新进行胶接。
所述钛柱塞孔加工所需预设尺寸、钛合金柱直径均根据铝基碳化硅零件所需螺纹规格确定。
所述钛柱塞孔两侧铝基碳化硅材料粘接处厚度不小于2.5-3mm。
所述钛合金柱喷丸后粗糙度预设阈值为Ra6.3。
所述砂纸为300目砂纸，所述钛合金柱直径大于钛柱塞孔内螺纹直径3mm。
所述胶液为3M环氧2216双组分胶，其组分A与B的容积按A：B＝3：2配置。
所述涂胶层合格要求具体为：涂胶层厚度均匀、不存在胶瘤、涂胶层与钛柱塞孔底部紧密连接、无气泡。
所述步骤(8)中，气孔尺寸为0.5-1mm，若数量多于2个，则胶接完成。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，通过使用粘接钛柱来代替直接攻螺纹或镶嵌钢丝螺套加工小螺纹，在不明显降低其材料线膨胀系数和增加材料质量属性的前提下大幅提高螺纹的加工精度、质量和效率，满足高体积分数铝基碳化硅材料在反复拆卸场合下使用需求，同时胶结粘接后的螺纹加工为常规加工，刀具具有通用性，无需特殊定制刀具，节约了加工成本，适应性好。
附图说明
图1为发明提供的制备方法流程图；
图2为发明提供的粘接钛柱加工示意图；
图3为发明提供的螺纹钛柱与母材的尺寸控制要求示意图；
图4为发明提供的粘接加工检测示意图；
具体实施方式
一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，能够在高体积分数铝基碳化硅复合材料上加工螺纹，以45％体分以上铝基碳化硅材料上加工M2、M2.5、M3、M4、M5、M6等内螺纹，从钛合金柱的加工尺寸和精度控制，结合铝基碳化硅材料上加工的内孔工艺要求，到粘接过程实施，以及加工后的螺纹孔的质量检测控制，最终实现在高体分铝基碳化硅材料上加工M2、M2.5、M3、M4、M5、M6等内螺纹，并满足其反复拆装和连接强度的要求。
下面结合具体实施例进行进一步说明，加工螺纹的具体步骤如下：
(1)如图1所示，加工高体积分数铝基碳化硅零件至单边0.5mm余量；
以铣削零件为例，对于高体积分数铝基碳化零件的薄壁弱刚性零件，采用粗加工预留单边3mm余量后进行高温退火，消除产品内应力，之后进行分别按2mm余量、1mm余量、0.5mm余量进行半精铣，中间穿插两道热处理去应力，在精铣前进行一道尺寸稳定化热处理，最低限度地减小零件的变形对尺寸精度的影响，同时对于基准面高平面度要求及其各个侧面的垂直度，采用磨削加工，粘接钛合金柱在半精铣前留有0.5mm余量时实施，粘接后需进行加压固化；
(2)于铝基碳化硅零件上以预设尺寸加工钛柱塞孔；
钛柱塞孔加工所需预设尺寸、钛合金柱直径均根据铝基碳化硅零件所需螺纹规格确定，钛柱塞孔两侧铝基碳化硅材料粘接处厚度不小于2.5-3mm，钛柱塞孔尺寸控制如下表所示：
(3)如图2、图3所示，采用TC4R钛合金棒材按照预设外形公差加工端面设置有螺纹孔的钛合金柱，于钛合金柱表面喷丸，保证喷丸后粗糙度大于预设阈值；
钛合金柱原材料采用TC4R钛合金棒材，表面喷丸提高结合力，加工时不允许接触任何油，水，不允许裸手直接接触，加工外形公差按照(0，-0.02)加工，钛合金柱喷丸后粗糙度预设阈值为Ra6.3，钛合金柱直径大于钛柱塞孔内螺纹直径3mm；
(4)利用300目砂纸对铝基碳化硅零件的钛柱塞孔底部进行机械打磨，并利用砂纸蘸取究竟进行清洗晾干，通过放大镜以高强度照明进行孔内观察，直至钛柱塞孔底部呈现金属光泽；
(5)利用300目砂纸对钛合金柱顶端粘接处进行打磨，并利用砂纸蘸取究竟进行清洗晾干，通过放大镜以高强度照明进行观察，直至钛合金柱顶端呈现金属光泽；
(6)使用3M环氧2216双组分A、B胶，其组分A与B的容积按A：B＝3：2配置，将胶液搅拌均匀，随用随配；并均匀涂抹于钛柱塞孔底部，通过放大镜以高强度照明对钛柱塞孔底部涂胶层进行观察，若满足涂胶层合格要求则进入步骤(7)；否则清除涂胶层重新涂胶；其中，涂胶层合格要求具体为：涂胶层厚度均匀、不存在胶瘤、涂胶层与钛柱塞孔底部紧密连接、无气泡；
(7)将胶液均匀涂抹于钛合金柱表面，并通过放大镜以高强度照明对钛合金柱涂胶层进行观察，若满足涂胶层合格要求则进入步骤(8)；否则清除涂胶层重新涂胶；
(8)如图4所示，将涂胶后的钛合金柱压入铝基碳化硅材料的钛柱塞孔中，利用沙袋加压并室温放置168小时，并于静置胶接完成后对胶接端面进行加工，对胶接端面的边缘胶面进行50倍视频显微镜检测，若指定尺寸气孔数量达标，则完成螺纹制备，否则重新进行胶接；
其中，气孔尺寸为0.5-1mm，若数量多于2个，则胶接完成。
本发明已通过一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于步骤如下：
(1)对铝基碳化硅零件加工，直至铝基碳化硅零件单边均有0.5mm空间余量；
(2)于铝基碳化硅零件上以预设尺寸加工钛柱塞孔；
(3)采用TC4R钛合金棒材按照预设外形公差加工端面设置有螺纹孔的钛合金柱，于钛合金柱表面喷丸，保证喷丸后粗糙度大于预设阈值；
(4)利用砂纸对铝基碳化硅零件的钛柱塞孔底部进行打磨，并利用砂纸蘸取究竟进行清洗晾干，通过放大镜以高强度照明进行孔内观察，直至钛柱塞孔底部呈现金属光泽；
(5)利用砂纸对钛合金柱顶端粘接处进行打磨，并利用砂纸蘸取究竟进行清洗晾干，通过放大镜以高强度照明进行观察，直至钛合金柱顶端呈现金属光泽；
(6)配置胶液，并均匀涂抹于钛柱塞孔底部，通过放大镜以高强度照明对钛柱塞孔底部涂胶层进行观察，若满足涂胶层合格要求则进入步骤(7)；否则清除涂胶层重新涂胶；
(7)将胶液均匀涂抹于钛合金柱表面，并通过放大镜以高强度照明对钛合金柱涂胶层进行观察，若满足涂胶层合格要求则进入步骤(8)；否则清除涂胶层重新涂胶；
(8)将涂胶后的钛合金柱压入铝基碳化硅材料的钛柱塞孔中，利用沙袋加压并室温放置168小时，并于静置胶接完成后对胶接端面进行加工，对胶接端面的边缘胶面进行视频显微镜检测，若指定尺寸气孔数量达标，则完成螺纹制备，否则重新进行胶接。
2.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：
所述钛柱塞孔加工所需预设尺寸、钛合金柱直径均根据铝基碳化硅零件所需螺纹规格确定。
3.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：
所述钛柱塞孔两侧铝基碳化硅材料粘接处厚度不小于2.5-3mm。
4.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：
所述钛合金柱喷丸后粗糙度预设阈值为Ra6.3。
5.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：
所述砂纸为300目砂纸，所述钛合金柱直径大于钛柱塞孔内螺纹直径3mm。
6.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：
所述胶液为3M环氧2216双组分A、B胶，其组分A与B的容积按A：B＝3：2配置。
7.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：
所述涂胶层合格要求具体为：涂胶层厚度均匀、不存在胶瘤、涂胶层与钛柱塞孔底部紧密连接、无气泡。
8.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：
所述步骤(8)中，气孔尺寸为0.5-1mm，若数量多于2个，则胶接完成。
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