CN107671495A - 高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法 - Google Patents

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刘晓
陈风帆
张余升
王炜
赵光志
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P13/00—Making metal objects by operations essentially involving machining but not covered by a single other subclass

Abstract

本发明供的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法包括：在电弧铣削机床上，使用管状中空电极辅以高压内冲液，进行粗加工；在加工中心上，使用电镀金刚石铣磨工具进行半精加工；在加工中心上，使用陶瓷结合剂金刚石铣磨工具进行精加工。本发明以电弧铣削与铣磨相结合的复合加工方法取代传统铣削加工，结合了电弧铣削加工材料去除率高与铣磨加工表面质量好的优点，解决了高体积分数SiCp/Al复合材料结构件铣削加工中的效率低下、表面完整性差的问题。

Description

高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法
技术领域
本发明涉及复合材料加工领域，具体涉及高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法。
背景技术
高体积分数SiCp/Al复合材料由于其比强度与比刚度高、热膨胀系数小以及使役精度保持性好等优异特性，在各类武器装备中得到广泛应用。红外光学系统的性能直接关系到战术武器能否顺利准确追踪目标，而高体积分数SiCp/Al复合材料极佳的热稳定性可以确保红外光学系统在战术武器高速飞行状态下的尺寸稳定性，从而保证其追踪目标的综合性能。
高体积分数SiCp/Al复合材料中的SiC颗粒增强相体积分数达到50%以上，其硬度非常高，材料整体脆性大，使用传统铣削工艺进行加工，存在刀具磨损严重、加工效率低下、表面完整性差等一系列问题。加工中即使采用金刚石涂层刀具，刀具寿命也难以超过30分钟；而传统铣削工艺中产生的切削力，极易造成棱边崩碎、已加工表面耕犁等加工缺陷。
电弧铣削本质属于电加工，其依靠加载于工件与管状中空电极上的大功率电源，在二者间产生电弧，同时在电极高速旋转与内径高压冲液的作用下，实现断弧冷却，避免电弧持续作用而烧伤工件。在多轴数控系统的驱动下，管状管状中空电极以类似多轴铣削的方式运动，实现复杂几何特征的加工。电弧铣削的功率密度远高于传统电火花加工，且不受工件材料特性限制，无宏观切削力，是难切削材料高效低成本粗加工的一种新颖的解决途径。美国发明专利8471167描述了一种用于流道粗加工的电腐蚀（electroerosion）加工方法，其将工件作为正极，中空管状电极作为负极，以多轴铣削的方式进行加工，加工过程中工作液自管状电极内部冲出。美国通用电气公司已将该专利用于航空发动机高温合金叶轮的粗加工，其效率与成本均优于传统铣削加工。然而，对于高体积分数SiCp/Al复合材料的电弧加工，缺乏报道。
铣磨加工以磨具代替铣刀，在多轴数控系统的驱动下，以铣削的方式完成复杂特征的磨削加工。铣磨加工既具备磨削加工多刃切削降低切削力的优势，也拥有多轴铣削可加工复杂特征的特点，适用于硬脆材料的加工。中国发明专利CN102717342A提及了一种可实现无机复合材料高效加工的铣磨工具，其将金刚石磨料电镀在钢制刀柄上，并设计了四条均布的螺旋槽用于排屑。文献“SiCp_Al窄槽的铣磨实验研究_表面粗糙度”中指出，使用带有排屑槽的铣磨工具加工SiCp/Al复合材料，在改善排屑效果的同时，会造成加工铣磨力波动，影响表面粗糙度，并有可能产生崩边等加工缺陷；另一方面，铣磨加工的磨削特点，决定了其切深与进给速度有限，其切深通常不超过0.1mm，进给速度不高于100mm/min，对于大去除量粗加工，效率难以保证。
因此，针对高体积分数SiCp/Al复合材料结构件传统铣削加工中的效率低下、表面完整性差的问题，需要提出新型的高效精密加工方法。
发明内容
本发明解决的问题是提供了一种高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，解决了现有技术的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件传统铣削加工中的效率低下、表面完整性差的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，包括：
在电弧铣削机床上，使用管状中空电极辅以高压内冲液，进行粗加工；
在加工中心上，使用电镀金刚石铣磨工具进行半精加工；
在加工中心上，使用陶瓷结合剂金刚石铣磨工具进行精加工。
可选地，所述的SiCp/Al复合材料中，SiC颗粒增强相的体积分数为50%。
可选地，粗加工采用外径10mm，内径6mm的管状中空电极，在电弧铣削机床上进行，单边余量1mm。
可选地，所述电弧铣削机床的加工方式为层铣方式。
可选地，所述电弧铣削机床进行电弧铣削粗加工时，工作液自管状中空电极内部高压冲出。
可选地，所述电弧铣削机床进行电弧铣削粗加工时，管状中空电极作为正极。
可选地，所述电弧铣削机床的电弧电源脉冲宽度8ms，峰值电流300A，管状中空电极冲液压力0.8Mpa，电极转速800rpm，进给速度300mm/min，切深2mm。
可选地，半精加工采用颗粒度80目的电镀金刚石铣磨工具，在加工中心上进行，单边余量0.2mm。
可选地，精加工采用颗粒度240目的陶瓷结合剂金刚石铣磨工具，在加工中心上进行
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明以电弧铣削与铣磨相结合的复合加工方法取代传统铣削加工方法，利用电弧铣削进行粗加工，实现大去除量高效加工，降低刀具成本；利用铣磨进行半精加工与精加工，降低切削力，避免棱边崩碎等表面缺陷的产生，提高表面粗糙度。本发明有效解决了高体积分数SiCp/Al复合材料结构件加工中的效率低下、表面完整性差的问题。
附图说明
图1为高体积分数SiCp/Al复合材料位标器支架三维图；
图2为本发明一个实施例的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法的流程示意图。
图3为电弧铣削加工示意图，其中1为管状中空电极，2为工件，3为带有高压冲液功能的电弧铣削机床主轴，4为电弧铣削机床工作台；
图4为铣磨加工示意图，其中1为铣磨工具，2为工件，3为加工中心主轴，4为加工中心工作台；
图5为用于铣磨半精加工的电镀金刚石铣磨工具，其中1为刀柄，2镀有金刚石磨粒的铣磨头；3为铣磨头上的容屑区。
图6为用于铣磨精加工的陶瓷结合剂金刚石铣磨工具，其中1为刀柄，2为陶瓷结合剂烧结金刚石磨粒的铣磨头；3为铣磨头上的容屑区。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容，下面结合实施例并配合附图对本发明作详细阐述。
以图1中所示战术武器红外光学系统位标器支架为例，结合图2所示的本发明一个实施例的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法的流程示意图。
本发明所提出的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，包括如下步骤：
步骤S1，在电弧铣削机床上，使用管状中空电极辅以高压内冲液，进行粗加工。结合图3，加工中采用材质为颗粒度5μm的石墨电极，其外径为10mm，内径为6mm，以层铣的方式进行加工，单边余量1mm。对于电弧铣削加工，极性效应对加工材料去除率与表面质量的影响至关重要。试验显示，对于高体积分数SiCp/Al复合材料，电极作为正极时，相较于电极作为负极，其加工效率略低，但表面质量提升幅度较大，考虑到铣磨的可加工性，因此在电弧铣削粗加工中以电极作为正极。电弧电源脉冲宽度8ms，峰值电流300A，管状中空电极冲液压力0.8Mpa，电极转速800rpm，进给速度300mm/min，切深2mm。
步骤S2，在加工中心上，使用电镀金刚石铣磨工具进行半精加工。结合图4与图5，加工中采用直径10mm的铣磨工具，其表面电镀颗粒80目的金刚石磨粒，铣磨工具底面设有直径4mm、深2mm的容屑区，用于容纳加工过程中产生的磨屑。加工以侧刃铣削的方式进行，单边余量0.2mm，主轴转速8000rpm，进给速度100mm/min，铣磨深度0.05mm。
步骤S3，在加工中心上，使用陶瓷结合剂金刚石铣磨工具进行精加工。结合图4与图6，加工中采用直径6mm的铣磨工具，其表面由陶瓷结合剂烧结240目的金刚石磨粒，由于陶瓷结合剂的热稳定性好，因此更易于控制铣磨加工精度。铣磨工具底面设有直径2mm、深1mm的容屑区，用于容纳加工过程中产生的磨屑。加工以侧刃铣削的方式进行，主轴转速主轴转速8000rpm，进给速度80mm/min，铣磨深度0.02mm。
试验证明，采用电弧铣削进行粗加工，材料去除率达到6000mm3/min，相较于文献“optimization of cutting parameters for minimizing power consumption andmaximizing tool life during machining of al alloy SiC particle composites”中报道的铣削加工SiCp/Al复合材料去除率2700mm3/min，具有明显优势，且电极成本仅为数百元，远低于数千元的金刚石刀具成本。电弧粗加工后获得的表面粗糙度为Ra12.5μm，适于进行铣磨半精加工；而电弧粗加工形成的再铸层厚度约0.25mm，可以通过铣磨加工予以去除。在铣磨半精加工与精加工过程中，无明显颤振，加工表面完整性好，无棱边崩碎等缺陷，铣磨精加工后的表面粗糙度达到Ra0.8μm，尺寸精度与形位公差均到达0.01mm，符合产品设计要求。
因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，其特征在于，包括：
在电弧铣削机床上，使用管状中空电极辅以高压内冲液，进行粗加工；
在加工中心上，使用电镀金刚石铣磨工具进行半精加工；
在加工中心上，使用陶瓷结合剂金刚石铣磨工具进行精加工。
2.依据权利要求1所述的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，其特征在于，所述的SiCp/Al复合材料中，SiC颗粒增强相的体积分数为50%。
3.依据权利要求1所述的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，其特征在于，粗加工采用外径10mm，内径6mm的管状中空电极，在电弧铣削机床上进行，单边余量1mm。
4.依据权利要求4所述的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，其特征在于，所述电弧铣削机床的加工方式为层铣方式。
5.依据权利要求1所述的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，其特征在于，所述电弧铣削机床进行电弧铣削粗加工时，工作液自管状中空电极内部高压冲出。
6.依据权利要求1所述的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，其特征在于，所述电弧铣削机床进行电弧铣削粗加工时，管状中空电极作为正极。
7.依据权利要求7所述的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，其特征在于，所述电弧铣削机床的电弧电源脉冲宽度8ms，峰值电流300A，管状中空电极冲液压力0.8Mpa，电极转速800rpm，进给速度300mm/min，切深2mm。
8.依据权利要求1所述的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，其特征在于，半精加工采用颗粒度80目的电镀金刚石铣磨工具，在加工中心上进行，单边余量0.2mm。
9.依据权利要求1所述的高体积分数SiCp/Al复合材料结构件高效精密加工方法，其特征在于，精加工采用颗粒度240目的陶瓷结合剂金刚石铣磨工具，在加工中心上进行。
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