CN109351999B - 一种用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件钻孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件钻孔的钻头及钻孔方法，属于复合材料机械加工领域。本发明既提高了高硬度纤维增强陶瓷基复合材料钻孔加工效率及加工表面质量，提高了PCD钻头切削性能与使用寿命，满足了高硬度纤维增强陶瓷基复合材料低损伤、高精度、高效率的制造机应用需求。

Description

一种用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件钻孔方法
技术领域
本发明涉及一种用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件钻孔的钻头及钻孔方法，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的低损伤、高效率、高精度钻孔加工工艺方法，属于复合材料机械加工领域，所述的高硬度纤维增强陶瓷基复合材料是指以二氧化硅、氮化硅或碳化硅为基体、连续纤维增强的陶瓷基复合材料。
背景技术
纤维增强陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入连续纤维第二相作为增强材料，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，成为新型耐高温结构复合材料的代表，同时成为航天、航空以及核工业等行业耐高温结构件的首选材料，如高超声速飞行器的升降副翼结构板、固定整流罩、机翼俯仰舵面和稳定翼舵面等部件。
但是以二氧化硅、氮化硅、碳化硅为基体、连续纤维增强的陶瓷基复合材料是典型的难加工材料，此材料具有硬度高、各向异性、强度大、导热性差以及加工冷却条件苛刻等特点，纤维增强陶瓷基复合材料在传统的加工过程中易产生如撕裂、分层、拉丝、毛刺、崩块等缺陷，会导致工件加工表面粗糙度较大，由于尺寸控制比较困难，甚至导致工件报废。在切削加工时由于刀具温度很高导致磨损严重，需经常更换刀片或刃磨。这种加工方式效率低、精度低、刀具磨损严重、成本高，难以满足纤维增强陶瓷基复合材料的加工需求，因此如何加工高硬度纤维增强陶瓷基复合材料以达到高精密度、低刀具磨损、提高效率质量、降低成本的加工要求已经成为一个急需解决的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件钻孔的钻头及方法。
本发明的技术解决方案是：
一种用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件钻孔的钻头，该钻头为一实心圆柱体，实心圆柱体的一个端面上沿轴向开有一凹槽；凹槽中注入金刚石粉与粘结剂的混合物；
实心圆柱体的材料为硬质合金；
凹槽的宽0.2-0.4mm，凹槽的深度为2-4mm；
所述的粘合剂为所述的粘合剂为钴，以金刚石粉与粘结剂的质量和为 100％计算，钴的质量含量为15％-20％；金刚石粉的平均粒度为4微米；
钻头的制备方法：在一硬质合金材料的实心圆柱体的一个端面上沿轴向开一凹槽，然后将金刚石粉与粘结剂混合后注入凹槽内，并在高温高压下烧结，得到钻头的毛坯件，对毛坯件进行磨制，得到需要几何形状的钻头，钻头顶角 118-120°、螺旋角25-30°、前角6°、后角6°、横刃(3)0.5-1.0mm、钻心径向偏心为实心圆柱体直径的0.5％-1％，高温高压烧结温度1450℃-1500℃、压力5.5-6.0GPa、烧结时间1-3min。
一种用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件钻孔的装置，该装置包括钻头、千斤顶和衬板。
一种用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件钻孔方法，该包括高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件为一带有开口的盒型件，即敞口盒型件；该敞口盒型件为薄壁变厚度盒型件，方法的步骤包括：
步骤(一)，使用千斤顶(6)支撑盒型件(5)的内腔，并在需要钻孔位置(8)的出口处与千斤顶之间塞入衬板(7)，保证支撑稳定的同时避让钻孔出口位置；
步骤(二)，采用变转速与进给的变参数加工方式在需要钻孔位置(8)处进行钻孔加工，完成高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件的钻孔。
所述的步骤(一)中，衬板优选同基体复合材料或选用硬度相近且对产品无污染的材料，如玻璃钢、聚四氟乙烯、石墨等材料；衬板根据盒型件内腔钻孔出口平面角度进行设计，保证千斤顶稳定支撑；
所述的步骤(二)中，钻孔加工过程分为入口、稳定以及出口三个阶段，入口阶段的主轴转速1200-1600r/min、进给量50-75mm/min、深度范围从 0mm到(h+0.25)mm；稳定阶段的主轴转速800-1000r/min、进给量 75-100mm/min、深度范围从(h+0.25)mm到(H-h-1.25)mm；出口阶段的主轴转速1600-1800r/min、进给量20-50mm/min、深度范围从(H-h-1.25) mm到Hmm；其中h为钻头主切削刃(4)高度、H为板厚。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过大量试验及有限元仿真优化设计了整体烧结PCD钻头钻削高硬度纤维增强陶瓷基复合材料的加工参数，并对加工过程进行了变转速与变进给工艺设计，既提高了纤维增强陶瓷基复合材料批量、连续制孔时的加工效率，又降低了钻孔加工过程中的轴向切削力，同时避免了崩边、毛刺等缺陷。采用该工艺钻孔后的孔径、孔表面质量合格率均≥99％，满足了高硬度纤维增强陶瓷基复合材料低损伤、高精度、高效率的制造机应用需求。
(2)本发明针对高硬度纤维增强陶瓷基复合材料钻孔过程中易出现表面缺陷、损伤，刀具寿命低等问题，通过优化钻头结构设计制造了专用的整体烧结 PCD钻头。PCD钻头切削性能与使用寿命得到了提高，与高硬度纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的匹配性，降低了钻孔加工的成本。
(3)本发明涉及一种高硬度纤维增强陶瓷基复合材料钻孔加工方法，设计并制造适用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料钻削加工的整体烧结PCD钻头；使用千斤顶(6)支撑薄壁变厚度盒型件内腔，并在需要钻孔位置的出口处与千斤顶塞入衬板，保证支撑稳定的同时避让钻孔出口位置；采用变转速与进给的变参数加工方式进行钻孔加工。
(4)本发明既提高了高硬度纤维增强陶瓷基复合材料钻孔加工效率及加工表面质量，提高了PCD钻头切削性能与使用寿命，满足了高硬度纤维增强陶瓷基复合材料低损伤、高精度、高效率的制造机应用需求。
附图说明
图1为PCD钻头毛坯示意图；
图2为钻孔示意图；
图3为薄壁变厚度盒型件钻孔示意图。
具体实施方式
一种高硬度纤维增强陶瓷基复合材料钻孔加工方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(一)、设计并制造适用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料钻削加工的整体烧结PCD钻头；
步骤(二)、使用千斤顶6支撑薄壁变厚度盒型件5内腔，并在需要钻孔位置8的出口处与千斤顶塞入衬板7，保证支撑稳定的同时避让钻孔出口位置；
步骤(三)、在步骤(二)装夹、支撑稳定的基础上，采用变转速与进给的变参数加工方式进行钻孔加工。
步骤(一)中制备的整体烧结PCD钻头是在整体硬质合金钻头毛坯1上开 0.3mm宽的横槽2，将金刚石粉与粘结剂混合后注入槽内，并在高温高压下烧结研制成型，研制得到“三明治”结构的PCD钻头毛坯，再根据材料匹配性将钻尖磨制成需要的几何形状。
步骤(一)中制备的整体烧结PCD钻头顶角120°、螺旋角28°、前角6°、后角6°、横刃0.7mm、钻心径向偏心0.05mm。
步骤(二)中使用的支撑衬板优选同基体复合材料，或可选用硬度相近且对产品无污染的材料，如玻璃钢、聚四氟乙烯、石墨等材料。
步骤(二)中使用的支撑衬板根据薄壁变厚度盒型件内腔钻孔出口平面角度进行设计，保证千斤顶稳定支撑。
步骤(三)中采用的变参数钻孔加工过程分为入口、稳定以及出口三个阶段。入口阶段的主轴转速1200-1600r/min、进给量50-75mm/min、深度范围从0mm到(h+0.25)mm；稳定阶段的主轴转速800-1000r/min、进给量 75-100mm/min、深度范围从(h+0.25)mm到(H-h-1.25)mm；出口阶段的主轴转速1600-1800r/min、进给量20-50mm/min、深度范围从(H-h-1.25) mm到Hmm。其中h为钻头主切削刃4高度、H为高硬度纤维增强陶瓷基复合板料厚度。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为PCD钻头毛坯图，其中1为整体硬质合金钻头毛坯，2为金刚石横槽；
如图2所示为钻孔示意图，其中3为钻头横刃，4为钻头主切削刃；
如图3所示为薄壁变厚度盒型件钻孔示意图，其中5为薄壁变厚度盒型件， 6为千斤顶，7为支撑衬板，8为钻孔位置；
实施例
如图1、图2和图3所示，对高硬度纤维增强陶瓷基复合材料的变壁厚薄壁盒型件进行钻孔加工，包括如下步骤：
(1)设计并制造适用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料钻削加工的整体烧结PCD钻头，如图1所示，其中，整体烧结PCD钻头是在整体硬质合金钻头毛坯1上开0.3mm宽的横槽2，金刚石粉与粘结剂混合后注入槽内，并在高温高压下烧结研制成型，研制得到“三明治”结构的PCD钻头毛坯，再根据材料匹配性将钻尖磨制成需要的几何形状。以直径Φ8.5mm整体烧结PCD钻头几何参数为例：钻头顶角120°、螺旋角28°、前角6°、后角6°、横刃3为0.7mm、钻头主切削刃4高度2.5mm、钻心径向偏心0.05mm。
(2)如图3所示，使用千斤顶6支撑薄壁变厚度盒型件5内腔，并在需要钻孔位置8的出口处与千斤顶塞入衬板7，保证支撑稳定的同时避让钻孔出口位置。其中，支撑衬板优选同基体复合材料，或可选用硬度相近且对产品无污染的材料，如玻璃钢、聚四氟乙烯、石墨等材料。另外，支撑衬板根据薄壁变厚度盒型件内腔钻孔出口平面角度进行设计，保证千斤顶稳定支撑。
(3)在装夹、支撑稳定的基础上，采用变转速与进给的变参数加工方式进行钻孔加工。变参数钻孔加工过程分为入口、稳定以及出口三个阶段。以Φ8.5mm整体烧结PCD钻头钻削15mm高硬度纤维增强陶瓷基复合板材为例：入口阶段的主轴转速1200-1600r/min、进给量50-75mm/min、深度范围从0mm到2.75mm；稳定阶段的主轴转速800-1000r/min、进给量75-100mm/min、深度范围从2.75mm到11.25mm；出口阶段的主轴转速 1600-1800r/min、进给量20-50mm/min、深度范围从11.25mm到15mm，如图2所示。
对得到的孔进行尺寸测量，测量结果为8.5±0.05mm，对得到的孔进行内表面粗糙度Ra3.2检测，检测结果表明满足孔径及表面粗糙度要求。

Claims (1)

1.一种用于高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件钻孔方法，其特征在于：该方法中使用的钻孔装置包括钻头、千斤顶和衬板；
钻孔方法的步骤包括：
步骤（一），使用千斤顶支撑高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件的内腔，并在需要钻孔位置的出口处与千斤顶之间塞入衬板，并避让钻孔出口位置；
步骤（二），在需要钻孔位置处进行钻孔加工，完成高硬度纤维增强陶瓷基复合材料件的钻孔；
衬板的材料为硬质合金、玻璃钢、聚四氟乙烯或石墨；
所述的步骤（二）中，钻孔加工过程分为入口、稳定以及出口三个阶段，入口阶段的主轴转速1200-1600r/min、进给量50-75mm/min、深度范围从0mm到（h+0.25）mm；稳定阶段的主轴转速800-1000r/min、进给量75-100mm/min、深度范围从（h+0.25）mm到（H-h-1.25）mm；出口阶段的主轴转速1600-1800r/min、进给量20-50mm/min、深度范围从（H-h-1.25）mm到Hmm；其中h为钻头主切削刃（4）高度、H为板厚；
所述的钻头为一实心圆柱体，实心圆柱体的一个端面上沿轴向开有一凹槽；凹槽中注入金刚石粉与粘结剂的混合物；
实心圆柱体的材料为硬质合金，凹槽的宽0.2-0.4mm，凹槽的深度为2-4mm；
所述的粘合剂为钴，以金刚石粉与粘结剂的质量和为100%计算，钴的质量含量为15%-20%；
钻头的制备方法：在一硬质合金材料的实心圆柱体的一个端面上沿轴向开一凹槽，然后将金刚石粉与粘结剂混合后注入凹槽内，并在高温高压下烧结，得到钻头的毛坯件，对毛坯件进行磨制，得到需要几何形状的钻头；
得到的钻头顶角118-120°、螺旋角25-30°、前角6°、后角6°、横刃0.5-1.0mm、钻心径向偏心为实心圆柱体直径的0.5%-1%；高温高压烧结温度1450℃-1500℃、压力5.5-6.0GPa、烧结时间1-3min。
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