CN108588636A - 一种提高脆性材料机械加工表面完整性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高脆性材料机械加工表面完整性的方法。具体的，采用多弧离子渗金属技术结合在工件边缘涂覆环氧树脂AB胶的工艺方法，将金属元素快速浸渍到脆性材料工件表面层，改善脆性材料的表面微观缺陷，抑制材料去除过程中脆性裂纹的产生；同时，在工件边缘涂覆环氧树脂AB胶，提供辅助支撑，增强局部支撑刚性，优化应力分布，抑制工件边缘处脆性裂纹的扩展和边缘塌陷现象的发生。对脆性材料切削加工过程中的表面脆性崩裂和边缘塌陷的问题实现全面的抑制和改善，既提高了脆性材料的切削加工过程的稳定性，又保证了零件加工表面及边缘的完整性，极具有工业化制备和应用前景。

Description

一种提高脆性材料机械加工表面完整性的方法

技术领域

本发明涉及一种在脆性材料切削加工过程中提高工件表面完整性的方法，属于改善脆性材料的机械加工表面加工质量的技术领域。

背景技术

脆性材料在承受拉伸、冲击等外力作用时，仅发生很小的变形即产生断裂。常见金属脆性材料包括铸铁、TiAl基合金、Ti₃Al基合金，非金属脆性材料包括陶瓷，玻璃等；TiAl基合金、Ti₃Al基合金、陶瓷等脆性材料具有硬度高、膨胀系数小、隔热，耐磨损，以及化学稳定性好等特点，这使其成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的材料，近年来得到了广泛的关注和应用。

由于脆性材料具有低断裂韧性的特点，在切削加工时表面及边缘发生脆性断裂，造成加工表面完整性差，表现为加工表面粗糙度大，边缘崩塌，难以满足加工表面技术要求，尺寸精度无法保障，严重时造成废品。

目前有通过离子注入将特定离子打入到脆性材料基体中，改变脆性材料基体的成分和组成结构，提高断裂韧性，抑制脆性崩裂的方法。但是离子注入的改性层深度往往很浅，均匀性也难以保证，脆性材料的拉伸断裂极限并没有得到很大的提高，对于边缘塌陷的问题尚无法有效的解决。

而在零件边缘涂覆一层辅助支撑材料，增加加工过程中工件边缘处的结构强度，提供辅助支撑，从而抑制崩边断裂的方法，则无法解决在脆性材料工件的其他位置上的材料去除过程中的脆性裂纹扩展崩裂等问题。

发明内容

为克服现有技术方法的不足，改善脆性材料的机械加工表面加工质量，本发明特提出一种提高脆性材料机械加工表面完整性的方法，具体的，采用多弧离子渗金属技术结合在工件边缘涂覆环氧树脂AB胶的工艺方法，将金属元素快速浸渍到脆性材料工件表面层，改善脆性材料的表面微观缺陷，抑制材料去除过程中脆性裂纹的产生；同时，在工件边缘涂覆环氧树脂AB胶，提供辅助支撑，增强局部支撑刚性，优化应力分布，抑制工件边缘处脆性裂纹的扩展和边缘塌陷现象的发生。对脆性材料切削加工过程中的表面脆性崩裂和边缘塌陷的问题实现全面的抑制和改善，既提高了脆性材料的切削加工过程的稳定性，又保证了零件加工表面及边缘的完整性，极具有工业化制备和应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种提高脆性材料机械加工表面完整性的方法，包括：

S1.将经过前处理后的脆性材料进行多弧离子渗金属；

S2.在步骤S1.制备得到的脆性材料表面涂覆环氧树脂AB胶；

S3.待环氧树脂AB胶固化后，对脆性材料进行切削加工；

S4.去除脆性材料表面涂覆的环氧树脂AB胶得脆性材料加工工件。

本发明的第二个方面，提供了上述方法制备得到的脆性材料加工工件。

本发明的工作原理：

脆性材料内部及表面层都存在着孔隙等微观缺陷，这些微观缺陷在切削加工中成为裂纹源，在载荷作用下，裂纹扩展，进而造成脆性断裂，通过多弧离子渗金属技术充填表层材料中的孔隙，使孔隙得到封堵，抑制了微观缺陷，减少了裂纹源，使脆性材料的断裂韧度增加，可减少切削过程中脆性裂纹的产生和扩展；另外在工件被加工表面边缘涂覆一层环氧树脂AB胶起到支撑作用，增强脆性材料工件边缘的刚性，可抑制边缘塌陷现象。

故本发明相比与现有技术，具有如下有益技术效果：

(1)多弧离子渗金属技术相比于离子注入等方法，可以对复杂的工件表面进行金属元素浸渍，特别是曲面，内表面等；

(2)环氧树脂AB胶具有一定的流动性，涂覆过程简单，可以涂覆于复杂的工件表面，如曲面、内表面等；

(3)环氧树脂AB胶易溶于乙酸乙酯，丙酮等有机溶剂中，加工后易于去除，不会对工件表面产生损伤；

(4)通过多弧离子渗金属技术结合在工件边缘涂覆环氧树脂AB胶的方法，既提高了切削过程的稳定性，又保证了工件边缘的完整性，提高了脆性材料机械加工表面完整性，保证获得满足技术要求的加工质量；

(5)通过多弧离子渗金属技术结合在工件边缘涂覆环氧树脂AB胶的方法，可以减轻切削加工过程中脆性材料对刀具的冲击，提高了刀具寿命。

附图说明

图1是通过多弧离子渗金属技术结合在工件边缘涂覆环氧树脂AB胶，提高脆性材料机械加工表面质量的方法原理图。

图2表示车削加工端面时通过多弧离子渗金属在工件表面浸渍Cr。

图3表示车削加工端面时在工件边缘涂覆环氧树脂AB胶涂层。

图4表示铣削加工直线槽时通过多弧离子渗金属在工件表面浸渍Cr。

图5表示铣削加工直线槽时在工件边缘涂覆环氧树脂AB胶涂层

图6表示在乙酸乙酯中去除环氧树脂AB胶涂层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一个具体实施方式中，提供一种提高脆性材料机械加工表面完整性的方法，包括：

S1.将经过前处理后的脆性材料进行多弧离子渗金属；

S2.在步骤S1.制备得到的脆性材料表面涂覆环氧树脂AB胶；

S3.待环氧树脂AB胶固化后，对脆性材料进行切削加工；

S4.去除脆性材料表面涂覆的环氧树脂AB胶得脆性材料加工工件。

本发明的又一具体实施方式中，步骤S1.中，

脆性材料包括但不限于TiAl基合金脆性材料、Ti₃Al基合金脆性材料；进一步优选为Ti-48Al-1V；

前处理方法具体为：将经粗加工处理后的脆性材料工件清洗，去除表面油污等杂质，控干；

多弧离子渗金属是在真空中通过辉光放电等方法使源金属气体分解或通过溅射产生金属原子、离子和粒子，在高温下扩散进入基体表层形成合金渗层的一种方法，在本发明中，根据不同被加工工件脆性材料和机械加工的工况选用适合的源金属元素和多弧离子渗金属工艺控制参数。

本发明的又一具体实施方式中，当脆性材料为Ti-48Al-1V时，

多弧离子渗金属处理条件为：以纯Cr作为阴极靶材，负偏压950～1050V，弧流75～85A，靶材与工件距离110～130mm，处理时间20～40分钟，保温时间15～30分钟；

本发明的又一具体实施方式中，多弧离子渗金属处理条件为：以纯Cr作为阴极靶材，负偏压1000V，弧流80A，靶材与工件距离120mm，处理时间30分钟，保温时间20分钟；由于多弧离子渗金属处理过程中，是采用辉光放电等方法使源金属气体分解或通过溅射产生金属原子、离子和粒子，在高温下扩散进入基体表层形成合金渗层，在此过程中，受金属离子渗入和基体热膨胀系数差异等影响极易造成脆性材料残余热应力显著增加，从而进一步造成脆性材料在应力状况下裂纹扩张，使得脆性材料断裂韧度非但没有增加，反而降低；发明人通过不断调整工艺参数，发现在Ti-48Al-1V中，采用上述多弧离子渗金属处理条件使得Ti-48Al-1V的断裂韧度显著提高20～30％，显著提高了脆性材料机械加工表面完整性。

本发明的又一具体实施方式中，步骤S2.中，

所述环氧树脂AB胶分为A和B组分。其中A组分优选为双酚A型环氧树脂，是由双酚A、环氧氯丙烷在碱性条件下缩合，经水洗、脱溶剂精制而成的高分子化合物，其化学结构式如下所示，其环氧值为0.1～0.47mol/100g，为低相对分子量树脂，常温下为液体，便于充分和固化剂混合。

B组分为改性脂肪胺类固化剂，优选为三甲基六亚甲基二胺，化学结构式如下所示，缩写为TMD，常温下为无色液体，对固化的环氧树脂具有增韧的作用。

所述的环氧树脂AB胶的A组分双酚A型环氧树脂和B组分改性脂肪胺类固化剂混合，搅拌均匀，可以在室温下发生反应。三甲基六亚甲基二胺可以与双酚A型环氧树脂分子结构中含有的活泼的环氧基团发生交联反应而形成不溶的具有三向网状结构的高聚物，其具有很强的内聚力，分子结构致密，力学性能高，具有较高的强度和一定的韧性，可以提供抑制裂纹扩展的支撑强度。

所述环氧树脂AB胶的配置工艺根据不同的脆性材料确定；

本发明的又一具体实施方式中，当脆性材料为Ti-48Al-1V时，

环氧树脂AB胶配制方法为：

在室温下，把A组分双酚A型环氧树脂和B组分改性脂肪胺类固化剂三甲基六亚甲基二胺按质量比2～3：1称量；混合并搅拌均匀，反应时间为4～6min；

本发明的又一具体实施方式中，环氧树脂AB胶配制方法为：

在15～25℃下，把A组分双酚A型环氧树脂和B组分改性脂肪胺类固化剂三甲基六亚甲基二胺按质量比2.5：1称量；混合并搅拌均匀，反应时间为5min。

本发明的又一具体实施方式中，所述涂覆环氧树脂AB胶的厚度为0.5～3mm。若涂覆厚度较小，则涂层不易涂覆均匀且易在后续切削加工过程中易出现开裂；若涂覆厚度较大，则会增加切削过程的加工难度。

本发明的又一具体实施方式中，步骤S3.中，

环氧树脂AB胶在常温下即可完成固化作用，为加速固化速度，减少固化时间，可以选择对涂覆环氧树脂AB胶的脆性材料进行升温处理，温度控制在80～100℃；

本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S4.中，

去除涂覆的环氧树脂AB胶的方法为：将切削加工完成后的脆性材料置于有机溶剂中使环氧树脂AB胶溶解、清洗、干燥，得脆性材料加工工件；

本发明的又一具体实施方式中，所述有机溶剂包括但不限于乙酸乙酯、丙酮、甲苯或正丁醇。

本发明的又一具体实施方式中，提供了上述方法制备得到的脆性材料加工工件。

以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。下列实施例中，使用的脆性材料为同一批次生产的Ti-48Al-1V。

实施例1

以在TiAl基合金脆性材料Ti-48Al-1V表面上车削加工端面，详细阐述工艺过程。

本实施例包括下面6个步骤：

(1)前处理：将TiAl基合金脆性材料Ti-48Al-1V工件粗加工后，清洗，烘干。

(2)多弧离子渗金属：以纯Cr作为阴极靶材，负偏压1000V，弧流80A，靶材与工件距离120mm，处理时间30分钟，保温时间20分钟。将Cr元素快速浸渍到TiAl基合金脆性材料工件表面，如图2所示。

(3)配制环氧树脂AB胶：在15～25℃下，把A组分双酚A型环氧树脂和B组分改性脂肪胺类固化剂三甲基六亚甲基二胺按质量比2.5：1称量；混合并搅拌均匀，反应时间为5min。

(4)涂覆环氧树脂AB胶：将配制好的环氧树脂AB胶涂覆到工件表面，涂覆环氧树脂AB胶的厚度为1mm，如图3所示。

(5)加工：升温至80～100℃，促进环氧树脂AB胶的固化速度，待完全固化后，车削加工工件端面。

(6)去除涂覆的环氧树脂AB胶：把加工好的工件置于乙酸乙酯溶剂中，并在超声波清洗机中，溶解30分钟左右(注意通风)，用棉棒轻柔擦拭涂层表面，可去除大块涂层。再把工件置于乙酸乙酯溶剂腐蚀20分钟左右。随后把工件放在水中冲洗，低温下烘干，得到被加工零件，如图6所示。

实施例2

下面以在TiAl基合金脆性材料Ti-48Al-1V表面上铣削加工直线槽，详细阐述工艺过程。

本实施例包括下面6个步骤：

(1)前处理：将TiAl基合金脆性材料Ti-48Al-1V工件粗加工后，清洗，烘干。

(2)多弧离子渗金属：以纯Cr作为阴极靶材，负偏压1000V，弧流80A，靶材与工件距离120mm，处理时间30分钟，保温时间20分钟。将Cr元素快速浸渍到TiAl基合金脆性材料工件表面，如图4所示。

(3)配制环氧树脂AB胶：在15～25℃下，把A组分双酚A型环氧树脂和B组分改性脂肪胺类固化剂按质量比2.5：1称量；混合并搅拌均匀，反应时间为5min。

(4)涂覆环氧树脂AB胶：将配制好的环氧树脂AB胶涂覆到工件表面，涂覆环氧树脂AB胶的厚度为3mm，如图5所示。

(5)加工：升温至80～100℃，促进环氧树脂AB胶的固化速度，待完全固化后，铣削加工直线槽。

(6)去除涂覆的环氧树脂AB胶：把加工好的工件置于乙酸乙酯溶剂中，并在超声波清洗机中，溶解30分钟左右(注意通风)，用棉棒轻柔擦拭涂层表面，可去除大块涂层。再把工件置于乙酸乙酯溶剂腐蚀20分钟左右。随后把工件放在水中冲洗，低温下烘干，得到被加工零件，如图6所示。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高脆性材料机械加工表面完整性的方法，其特征在于，包括：

S1.将经过前处理后的脆性材料进行多弧离子渗金属；

S2.在步骤S1.制备得到的脆性材料表面涂覆环氧树脂AB胶；

S3.待环氧树脂AB胶固化后，对脆性材料进行切削加工；

S4.去除脆性材料表面涂覆的环氧树脂AB胶得脆性材料加工工件。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1.中，

脆性材料包括但不限于TiAl基合金脆性材料、Ti₃Al基合金脆性材料；优选为Ti-48Al-1V。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，前处理方法具体为：将经粗加工处理后的脆性材料工件清洗，控干。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，当脆性材料为Ti-48Al-1V时，

多弧离子渗金属处理条件为：以纯Cr作为阴极靶材，负偏压950～1050V，弧流75～85A，靶材与工件距离110～130mm，处理时间20～40分钟，保温时间15～30分钟。

5.如权利要求4所述方法，其特征在于，

多弧离子渗金属处理条件为：以纯Cr作为阴极靶材，负偏压1000V，弧流80A，靶材与工件距离120mm，处理时间30分钟，保温时间20分钟。

6.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S2.中，

环氧树脂AB胶配制方法为：

在室温下，把A组分双酚A型环氧树脂和B组分改性脂肪胺类固化剂三甲基六亚甲基二胺按质量比2～3：1称量；混合并搅拌均匀，反应时间为4～6min；

涂覆环氧树脂AB胶的厚度为0.5～3mm。

7.如权利要求6所述方法，其特征在于，

环氧树脂AB胶配制方法为：

在15～25℃下，把A组分双酚A型环氧树脂和B组分改性脂肪胺类固化剂三甲基六亚甲基二胺按质量比2.5：1称量；混合并搅拌均匀，反应时间为5min。

8.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S3.中，

对涂覆环氧树脂AB胶的脆性材料进行升温处理，优选的，温度控制在80～100℃。

9.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S4.中，

去除涂覆的环氧树脂AB胶的方法为：将切削加工完成后的脆性材料置于有机溶剂中使环氧树脂AB胶溶解、清洗、干燥，得脆性材料加工工件；

优选的，所述有机溶剂为乙酸乙酯、丙酮、甲苯或正丁醇。

10.权利要求1-9任一项所述方法制备得到的脆性材料加工工件。