CN107138960A - 用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具，属于复合材料机械加工、材料改性技术领域。本发明公开的复合加工方法，采用将铣刀和搅拌头一体化复合集成的加工刀具，利用复合加工刀具铣刀对工件待加工层进行一次材料去除加工，通过复合加工刀具搅拌头对铣削刚形成的加工表面立即进行搅拌摩擦二次加工。本发明公开的复合加工工具，包括铣刀部分，包括刀体、可转位铣刀片、刀片螺钉、刀垫、刀垫螺钉、凹端接口，搅拌头部分，凸端接口，固定销，锁紧滑销，锁紧螺钉，限位螺钉。本发明能够实现高速铣削和搅拌摩擦加工一体式复合加工，进而改善颗粒增强型金属基复合材料的加工质量，提高加工精度和效率。

Description

用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具
技术领域
本发明涉及一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具，尤其涉及一种集成铣削和搅拌摩擦加工的复合加工方法及加工工具，属于复合材料机械加工、材料改性技术领域。
背景技术
颗粒增强型金属基复合材料由于具有高的比刚度、比强度、比模量、耐高温、耐磨损、良好的导热导电性、耐磨性好、良好的耐疲劳性能及断裂韧度等一系列优良的特点，使得其在航空、航天、精密仪器、汽车及兵器等领域获得了非常广泛的应用前景。目前，对于颗粒增强型金属基复合材料加工方法而言，由基体中增强相的存在，用传统的铣削加工方法(以及高速切削加工技术)很难或者需要很高的成本才能达到所要求的加工精度和表面质量，成为典型的难加工材料，严重制约着该类复合材料的广泛应用。
搅拌摩擦加工是一种新型的材料改性技术，通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。同时，它操作过程简单、成本低廉、搅拌过程中不需要额外使用保护气体，增强体可以在基材中均匀分布，并且加工温度相对较低的优点，且加工工程中材料发生动态再结晶，晶粒更加细小，加工后残余应力及弹性恢复较小。因此，搅拌摩擦加工在细化晶粒、改善制造缺陷、提高综合性能等方面具有显著的效果。
如图1(a)所示，由于增强相颗粒1的加入，使得复合材料切削的去除情况与普通弹塑性材料有所不同。如图1(b)所示，切削过程中，在铣刀3作用下金属基复合材料工件1发生弹塑性变形，基体材料包裹着增强相颗粒产生位错运动，并伴随着增强相颗粒的断裂破碎(4)、剥落(5)和压入(6)现象，从而形成质量较差的已加工表面(7)。如果增强相颗粒在加工前就存在微裂纹等缺陷，那么就可能发生颗粒的破碎(4)，颗粒的断裂或者破碎剪切区的金属基体(2)在局部区域产生位错滑移，形成微小的剪切变形，此时，基体夹裹着部分碎屑在剪切应力的作用下向前滑移形成切屑。增强相颗粒对基体材料的位错运动产生的阻碍作用导致应力集中，当应力达到增强相颗粒断裂强度之前，界面可能已经断裂并发生颗粒剥落(5)，处于切削加工路径上方的增强相颗粒会在刀具的作用下被拔出基体，脱落的颗粒还可能与已加工表面之间形成滑擦磨损并在已加工表面上形成划痕，在划痕附近产生微裂纹并向四周的基体扩展，而处于切削加工路径下方的增强相颗粒，在刀具的作用下发生旋转并在合金基体中滑移而留下沟痕，最后在基体中形成颗粒压入(6)现象，最终形成质量较差的加工表面(7)。
综上所述，现有传统制造方式在增强型金属基复合材料加工方面存在以下不足：由于增强相颗粒的大小、形状、排列分布以及缺陷和强度存在很多不均匀性和随机性，导致实际的加工过程的不可控性，随着加工表面上颗粒断裂、剥落和压入，演变为增强相断裂破碎、增强相剥落形成的表面局部凹坑以及增强相未完全压入形成的表面局部凸起等缺陷，使得该类金属基复合材料加工表面质量及表层力学性能较差。因此，如何解决并改善颗粒增强型金属基复合材料切削所面临的机加工问题，成为该类金属基复合材料加工制造领域内的一种重要技术难题，也具有重大的现实意义和应用价值。
发明内容
本发明公开一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法，并公开用于实现一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工工具，本发明要解决的技术问题为：实现高速铣削和搅拌摩擦加工一体式复合加工，进而改善颗粒增强型金属基复合材料的加工质量，提高加工精度和效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法，采用将铣刀和搅拌头一体化复合集成的加工刀具，利用复合加工刀具铣刀对工件待加工层进行一次材料去除加工，通过复合加工刀具搅拌头对铣削刚形成的加工表面立即进行搅拌摩擦二次加工，通过搅拌摩擦二次加工实现下述作用：①破碎增强相使增强相更均匀分布的弥散强化作用，即将颗粒剥落后的凹坑缺陷压平；将大体积增强相压入缺陷搅碎并压平；将断裂破碎缺陷的碎颗粒压入金属基体中。②细化金属基体晶粒的细晶强化作用。通过铣刀部分一次材料去除加工及搅拌头对铣削刚形成的加工表面立即进行搅拌摩擦二次加工，即实现对工件表层材料进行双重强化改性加工，从而形成高质量的加工表面及力学性能显著提高的表层，进而改善颗粒增强型金属基复合材料的加工质量，提高加工精度和效率。
为进一步提高复合材料尤其是脆性较大复合材料的机加工性，工件的夹具选用预压力装置，预压应力加载装置为X-Y二轴预应力装置，同时在机加工时加工工具与工作台一起形成一个等效的Z轴压应力结构，使复合材料在三轴压缩状态下呈现良好的塑性和流动性。
所述的采用将铣刀部分和搅拌头一体化复合集成的加工刀具即为本发明公开的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工工具，优选如下结构，包括铣刀部分，包括刀体、可转位铣刀片、刀片螺钉、刀垫、刀垫螺钉、凹端接口，搅拌头，凸端接口，固定销，锁紧滑销，锁紧螺钉，限位螺钉。搅拌头通过凸端接口，固定销，锁紧滑销，锁紧螺钉，限位螺钉与铣刀刀体相连。搅拌头大端面直径为端面铣刀直径的2/5～3/5，铣刀部分的刀头根据不同用途和需求选用圆柱形铣刀、或者面铣刀、或者立铣刀。
根据实际加工需要，所述的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工工具将铣刀部分和搅拌头一体化复合集成选用一体化加工或可拆卸的分体式加工。当铣刀和搅拌头一体化加工时，刀具材料优先采用硬质合金、或者立方氮化硼(CBN)材料。当铣刀和搅拌头采用可拆卸的分体式加工时，铣刀刀体材料优先采用硬质合金、高速钢、或者CBN材料，刀片材料优先采用PCD材料、或者CBN材料，搅拌头材料优先采用高速钢、热作模具钢、工具钢或者硬质合金。
搅拌头优选螺纹型、等三斜面螺纹、同心环纹或等三斜面同心环纹搅拌头。
本发明公开一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法优先用于下述用途：
用于增强型铝镁铜基金属基复合材料的铣削加工，或用于金属和合金材料的加工，或非金属材料的加工。所述的增强型铝镁铜基金属基复合材料为SiC颗粒、SiO2颗粒、Al2O3颗粒、Ti颗粒碳纳米管或非晶增强型铝镁铜基金属基复合材料。
用于飞机转向架、机身盖板的加工，汽车传动轴、活塞、连杆、汽缸内衬、变速箱轴承，铁道车辆制动盘的加工，其他类板片状结构的加工，军工产品，如坦克装甲的加工，以及其他要求表面强化的军民用产品的加工。也可用于飞机航空航天及核工业设备等材料的制备，也可用于具有表面强化层的复合材料、金属材料及合金材料的制备。
有益效果：
1、本发明公开的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具，采用将铣刀和搅拌头一体化复合集成的加工刀具，利用复合加工铣刀部分进行一次材料去除加工，通过复合加工刀具搅拌头对铣削刚形成的加工表面立即进行搅拌摩擦二次加工，即实现对工件表层材料进行双重强化改性加工，从而形成高质量的加工表面及力学性能显著提高的表层，进而改善颗粒增强型金属基复合材料的加工质量，提高加工精度。实现了将铣削加工与搅拌摩擦加工的多工序、多工位加工技术转变为一次加工净成型的制造工艺，减小了制造周期和加工成本，提高了加工效率，是一种绿色环保、高效、稳定、节能复合加工技术。
2、本发明公开的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具，为进一步提高复合材料尤其是脆性较大复合材料的机加工性，工件的夹具选用预压力装置，使复合材料在三轴压缩状态下呈现良好的塑性和流动性。
3、本发明公开的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具用途广。
附图说明
图1传统铣削颗粒增强型金属基复合材料加工表面缺陷形成的示意图，其中：(a)加工前(b)加工后。
图2搅拌摩擦加工-铣削复合加工方法改善加工表面质量及表层力学性能示意图。
图3搅拌摩擦加工-铣削复合加工工具及其加工复合材料原理图。
图4搅拌摩擦加工-铣削复合加工工具局部放大结构图。
图5分体式复合加工工具铣刀10与搅拌头11的装配结构图。
图6搅拌摩擦加工-铣削复合加工的蛇形加工刀径示意图。
图7大厚度工件的分层复合加工原理图。
其中：1—增强相、2—金属基体；3—常规铣刀；4—增强相断裂破碎缺陷；5—增强相剥落的凹坑缺陷；6—增强相未完全压入的凸起缺陷；7—常规铣削后的加工表面；8—搅拌摩擦加工-铣削复合加工后的表面；9—搅拌摩擦加工-铣削复合加工工具；10—复合加工工具的铣刀部分；11—复合加工工具的搅拌头；12—搅拌摩擦加工表层；13—待加工层；14—加工工件；15—铣刀凹端接口；16—搅拌头凸端接口；17—固定销；18锁紧滑销；19—锁紧螺钉；20—限位螺钉；21—加工进给路径；22—预压应力装置；23—粗加工层；24—已加工表面。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：轻质装甲用高比分铝基氮化硼铝基复合材料板材加工。
本实施例基于本发明公开的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具，结合实际加工需要实现。
材料为B4Cp/2024Al，其加工毛坯为大尺寸板材，机床初始化，毛坯安装在预压应力加载装置上并通过配套夹具固定于可沿x-y轴向水平运动机床工作台上。机床初始化，毛坯安装在预压应力加载装置上并通过配套夹具固定于可沿x-y轴向水平运动机床工作台上。对于大切削厚度工件，需采用分层加工的方法，如图7所示。首先采用粗加工方式进行预铣削加工采用粗加工方式进行预铣削加工，粗加工采用常规硬质合金铣刀，并用配套的刀柄夹持铣刀部分10，固定于机床的电主轴转子上并保证加工工具与刀柄的同轴度。装夹固定完毕后，进行去除粗加工层23的工作，直至待加工层13厚度小于复合加工刀具9的可加工厚度为止。复合加工刀具采用可转位平头硬质合金铣刀与H13钢搅拌头的分体式加工制造，其中铣刀刃数为四，刃径为15mm；搅拌头上搅拌针为圆锥体，根部大端直径为7.5mm，小端直径为4mm，高度为5.2mm，搅拌针带螺纹，螺距为1.4mm。采用搅拌摩擦加工-铣削复合加工方法对毛坯进行加工，搅拌摩擦加工-铣削复合加工工艺：复合加工铣削速度为55m/min，每齿进给量为0.015mm/z，保护气体流量为10L/min；间歇性进给距离为3.8mm。使用搅拌摩擦加工-铣削的复合加工工具9，采取的加工刀路为蛇形加工进给路径21(如图6所示)，对加工工件的待加工层13进行材料去除，同时通过复合加工工具9上的搅拌头11对表层25进行搅拌摩擦加工，同时对待加工层13铣削后形成的加工表面24进行二次加工。采用该搅拌摩擦加工-铣削复合加工工具及其加工方法加工B4Cp/2024Al复合材料板材，其表面缺陷得到有效控制，表面质量及表层的力学性能得到显著提高。
实施例2：车用铝基碳化硅复合材料制动盘加工。
本实施例基于本发明公开的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具，结合实际加工需要实现。
车用制动盘几何尺寸为Φ480mm×23mm，材料为SiCp/A356铝基复合材料；毛坯为圆柱形，其几何尺寸为Φ300mm×30mm。机床初始化，毛坯安装在预压应力加载装置上并通过配套夹具固定于可沿x-y轴向水平运动机床工作台上。复合加工刀具采用可转位平头硬质合金铣刀与H13钢搅拌头的分体式加工制造，其中铣刀刃数为六，刃径为10.2mm；搅拌头上搅拌针为圆锥体，根部大端直径为6.5mm，小端直径为4.2mm，高度为3.6mm，搅拌针带三斜面螺纹，螺距为1.1mm。采用搅拌摩擦加工-铣削复合加工方法对毛坯进行加工，搅拌摩擦加工-铣削复合加工工艺：1)粗加工铣削速度为220m/min，每齿进给量为0.3mm/z；2)复合加工铣削速度为60m/min，每齿进给量为0.02mm/z，保护气体流量为6L/min；间歇性进给距离为4mm。除加工路径为环形加工路径，其加工方法与原理与实施例1类似。采用该搅拌摩擦加工-铣削复合加工工具及其加工方法加工SiCp/A356复合材料制动盘，使得表面缺陷得到有效控制，表面质量与表层的抗高温及耐磨性能得到显著提高。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法，其特征在于：采用将铣刀(10)和搅拌头(11)一体化复合集成的加工刀具(9)，利用复合加工刀具(9)铣刀(10)对工件(1)待加工层(13)进行一次材料去除加工，通过复合加工刀具(9)搅拌头(11)对铣削刚形成的加工表面(7)立即进行搅拌摩擦二次加工，通过搅拌摩擦二次加工实现下述作用：①破碎增强相使增强相更均匀分布的弥散强化作用，即将颗粒剥落后的凹坑缺陷(5)压平；将大体积增强相压入缺陷(6)搅碎并压平；将断裂破碎缺陷(4)的碎颗粒压入金属基体中；②细化金属基体晶粒的细晶强化作用；通过铣刀部分(10)一次材料去除加工及搅拌头部分(11)对铣削刚形成的加工表面(7)立即进行搅拌摩擦二次加工，即实现对工件(1)表层材料进行双重强化改性加工，从而形成高质量的加工表面(8)及力学性能显著提高的表层(25)，进而改善颗粒增强型金属基复合材料的加工质量，提高加工精度和效率。
2.如权利要求1所述的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法，其特征在于：为进一步提高复合材料尤其是脆性较大复合材料的机加工性，工件(1)的夹具选用预压力装置，预压应力加载装置(22)为X-Y二轴预应力装置，同时在机加工时加工工具与工作台一起形成一个等效的Z轴压应力结构，使复合材料在三轴压缩状态下呈现良好的塑性和流动性。
3.如权利要求2所述的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法，其特征在于：用于下述用途，
用于增强型铝镁铜基金属基复合材料的铣削加工，或用于金属和合金材料的加工，或非金属材料的加工；所述的增强型铝镁铜基金属基复合材料为SiC颗粒、SiO2颗粒、Al2O3颗粒、Ti颗粒碳纳米管或非晶增强型铝镁铜基金属基复合材料；
用于飞机转向架、机身盖板的加工，汽车传动轴、活塞、连杆、汽缸内衬、变速箱轴承，铁道车辆制动盘的加工；
坦克装甲的加工，以及其他要求表面强化的军民用产品的加工；
用于飞机航空航天及核工业设备材料的制备；
用于具有表面强化层的复合材料、金属材料及合金材料的制备。
4.一种用于改善复合材料加工质量的复合加工工具，为如权利要求1、2或3所述的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法专用复合加工工具，其特征在于：包括铣刀部分(10)，包括刀体、可转位铣刀片、刀片螺钉、刀垫、刀垫螺钉、凹端接口(15)，搅拌头部分(11)，凸端接口(16)，固定销(17)，锁紧滑销(18)，锁紧螺钉(19)，限位螺钉(20)；搅拌头(11)通过凸端接口(16)，固定销(17)，锁紧滑销(18)，锁紧螺钉(19)，限位螺钉(20)与铣刀刀体(10)相连；搅拌头部分(11)大端面直径为端面铣刀直径的2/5～3/5，铣刀部分(10)的刀头根据不同用途和需求选用圆柱形铣刀、或者面铣刀、或者立铣刀。
5.如权利要求4所述的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工工具，其特征在于：根据实际加工需要，将铣刀部分(10)和搅拌头部分(11)一体化复合集成选用一体化加工或可拆卸的分体式加工；当铣刀(10)和搅拌头(11)一体化加工时，刀具材料采用硬质合金、或者立方氮化硼(CBN)材料；当铣刀(10)和搅拌头(11)采用可拆卸的分体式加工时，铣刀刀体材料采用硬质合金、高速钢、或者CBN材料，刀片材料优先采用PCD材料、或者CBN材料，搅拌头材料采用高速钢、热作模具钢、工具钢或者硬质合金。
6.如权利要求5所述的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工工具，其特征在于：搅拌头选螺纹型、等三斜面螺纹、同心环纹或等三斜面同心环纹搅拌头。
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