CN109702488B - 壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，首先粗车铝基复合材料管材外圆，其次去应力热处理，然后利用专用刀具粗镗内孔，然后再去应力热处理，然后半精车铝基复合材料管材外圆后去应力热处理，再然后利用专用刀具精镗内孔，最后精车外圆。本发明所述的一种壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，能够生产大长径比薄壁管材，且壁厚均匀性、直线度以及同轴度得到保证。

Description

壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法

技术领域

本发明属于薄壁铝基复合材料管材加工技术领域，尤其是涉及一种壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法。

背景技术

铝基复合材料大长径比薄壁管材是一种重要的铝基复复合材料结构件，可应用于航空航天、机械电子、武器装备等行业。细长薄壁管材由于长径比大、刚度小，常规机械加工方法难以保证机械加工后管材的壁厚均匀性、同轴度、直线度等，从而影响管材的使役性能。

目前，铝基复合材料薄壁管材生产方式主要是采用热挤压提供管坯，然后通过冷拔或冷轧获得所需规格的成品管材，然而通过毛坯管材结合冷拔或冷轧制备薄壁管材的方法，难以生产大长径比薄壁管材，且壁厚均匀性、直线度以及同轴度难以保证。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，能够生产大长径比薄壁管材，且壁厚均匀性、直线度以及同轴度得到保证。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，包括以下步骤：

1)粗车铝基复合材料管材外圆，采用聚晶金刚石车刀粗车管材外圆，粗车后管材壁厚减小0.5mm-1mm；

2)去应力热处理，将步骤1粗车外圆后的管材进行去应力热处理，加热至工艺要求温度，然后保温；

3)保温完成后，粗镗内孔，利用专用内孔镗刀粗镗管材内孔；

4)重复步骤2的操作，将步骤3的镗内孔后的铝基复合材料管材进行去应力热处理，加热至工艺要求温度，然后保温；

5)保温完成后，半精车铝基复合材料管材外圆，以粗镗后的管材内孔为基准，采用聚晶金刚石车刀半精车管材外圆，半精车后管材壁厚减小0.5mm-1mm；

6)重复步骤2操作，将步骤5半精车外圆后的铝基复合材料管材进行去应力热处理，加热至工艺要求温度，然后保温；

7)保温完成后，精镗内孔，采用专用内孔镗刀精镗管材内孔；

8)精车外圆，以精镗后的管材内孔为基准，采用聚晶金刚石车刀精车外圆，精车至所要求尺寸。

进一步的，所述加工方法中所用到的专用内孔镗刀包括圆柱状镗刀杆和两个镗刀片，两个镗刀片设置在圆柱状镗刀杆的头部，圆柱状镗刀杆的尾部为镗刀尾锥，在所述的圆柱状镗刀杆的头部背对背开设两个容屑槽，在每个容屑槽的前端均安装一镗刀片安装座，两个所述的镗刀片分别安装在两个镗刀片安装座的前端，在容屑槽和刀柄尾椎之间的圆柱状镗刀杆上背对背开设两个减轻槽，每个减轻槽与一个容屑槽相连通，在圆柱状镗刀杆表面靠近头部处设有两组限位凸台，两组所述限位凸台沿圆柱状镗刀杆轴向方向设置，每组限位凸台均包括位于同一圆周上的四个限位凸台，且两两相对设置在两个减轻槽的四个槽边上，每组限位凸台所在圆的直径与镗刀片的刀尖所在圆的直径均相同，在减轻槽内安装高压气枪管，高压气枪管伸至镗刀片处。

进一步的，所述的镗刀片安装座上加工有拉长孔，通过螺钉固定在圆柱状镗刀杆上，镗刀片安装座在圆柱状镗刀杆上径向可调以调整刀片的安装位置。

进一步的，所述步骤3中的利用专用内孔镗刀粗镗管材内孔时，具体步骤如下：

a、先将步骤2去应力处理后的管材的一端通过车床卡盘夹紧固定，距离另一端三分之一处采用中心架固定管材外圆，保证管材与卡盘旋转轴同轴，在步骤2去应力处理后的管材的另一端车削出镗刀导引孔，导引孔的内径与镗刀片所在圆直径相同；

b、将镗刀片安装在粗镗刀杆上后，将粗镗刀杆的镗刀尾椎插入车床尾座上，并保证与管材同轴；

c、开动车床，切削速度为10-20m/min，切削深度为内孔加工余量的60％-80％，车床尾座进给速度为15-25mm/min，同时通过高压气枪管向镗刀片处通入高压空气。

进一步的，所述步骤7中的利用专用内孔镗刀精镗管材内孔时，具体步骤如下：

a、将粗镗刀杆替换成精镗刀杆，将镗刀片安装在精镗刀杆上后，将精镗刀杆的镗刀尾椎插入车床尾座上，并保证与管材同轴；

b、开动车床，切削速度为10-20m/min，切削深度为内孔加工余量的20％-40％，车床尾座进给速度为15-25mm/min，同时通过高压气枪管向镗刀片处通入高压空气。

进一步的，所述加工方法中的铝基复合材料管材的初始尺寸为：内径为40mm-80mm，内径有1.5mm-3mm的加工余量，壁厚为4mm-7mm，长度为100mm-1200mm，直线度优于1.0mm。

进一步的，所述步骤2、步骤4和步骤6中所涉及的去应力热处理的方法均为：加热至工艺要求温度150℃-200℃，然后保温1h-3h。

相对于现有技术，本发明所述的壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法具有以下优势：

本发明所述的壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，

(1)设计了内孔镗加工专用镗刀，通过粗镗和精镗，保证了内孔具有高的直线度，为后续采用内孔作为基准加工外圆、保证管材壁厚均匀性、直线度和同轴度打下了基础；

(2)在粗车、粗镗、精车、精镗等工序间进行多次去应力热处理，既保证了管材加工精度，又使得加工后的管材具有较高的强韧性和较小的内应力，保障了加工后的尺寸稳定性。

(3)通过调整车、镗的工艺参数和专门的高压气体去除车屑方法，保证了复合材料管材内外表面具有较小的表面粗糙度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中加工壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的内孔时的结构示意图；

图2为专用刀具的结构示意图；

图3为图2的A向示图；

图4为专用刀具头部放大示意图；

图5为专用刀具尾部结构示意图；

图6为镗刀片安装座与圆柱状镗刀杆安装位置示意图。

附图标记说明：

1-车床尾座，2-高压气枪管，3-纵向滚珠丝杠，4-进给箱，5-镗刀，501-镗刀片，502-刀片安装锥形螺钉，503-镗刀片安装座，504-镗刀片安装座螺钉，505-容屑槽，506-圆柱状镗刀杆，507-减轻槽，508-第一组限位凸台，509-第二组限位凸台，510-镗刀尾椎，511-塞尺，512-刀片安装孔，513-拉长孔，6-管材，7-车床卡盘，8-中心架，9-床腿。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，

1)粗车铝基复合材料管材外圆。待加工的铝基复合材料管材的内径为40mm-80mm，内径有1.5mm-3mm的加工余量，壁厚为4mm-7mm，长度为100mm-1200mm，直线度优于1.0mm。复合材料中碳化硅晶须(SiCw)体积含量为15-30vol.％。采用聚晶金刚石车刀粗车管材外圆，进给速度30-50mm/min,切削深度125μm-250μm，切削速度V＝50-80m/min，粗车后管材壁厚减小0.5mm-1mm。

2)去应力热处理。将步骤1粗车外圆后的管材进行去应力热处理，方法是加热至150℃-200℃；保温1h-3h。

3)粗镗内孔。将步骤2去应力热处理后的管材一端，车削出镗刀导引孔，导引孔内孔比镗刀所在圆的直径大0.1mm-0.5mm、长度40mm-50mm。

镗内孔时需要利用专用内孔镗刀进行加工，如图2-图6所示，专用内孔镗刀包括圆柱状镗刀杆506和两个镗刀片501，两个镗刀片501设置在圆柱状镗刀杆506的头部，圆柱状镗刀杆506的尾部为镗刀尾锥510，在所述的圆柱状镗刀杆506的头部背对背开设两个容屑槽505，在每个容屑槽505的前端均安装一镗刀片安装座503，两个所述的镗刀片501分别安装在两个镗刀片安装座503的前端，在容屑槽505和刀柄尾椎510之间的圆柱状镗刀杆506上背对背开设两个减轻槽507，每个减轻槽507与一个容屑槽505相连通，在圆柱状镗刀杆506表面靠近头部处设有两组限位凸台，分别为第一组限位凸台508和第二组限位凸台509，两组所述限位凸台沿圆柱状镗刀杆506轴向方向设置，每组限位凸台均包括位于同一圆周上的四个限位凸台，且两两相对设置在两个减轻槽507的四个槽边上，每组限位凸台所在圆的直径与镗刀片501的刀尖所在圆的直径均相同，在减轻槽507内安装高压气枪管2，高压气枪管2伸至镗刀片501处，镗刀片501通过刀片安装锥形螺钉502安装在镗刀片安装座503上，镗刀片安装座503加工有沿圆柱状镗刀杆506径向的拉长孔513，通过镗刀片安装座螺钉504安装在圆柱状镗刀杆506上，刀片的安装位置调整的具体方法为：根据刀片安装位置的需要，在镗刀片安装座503和圆柱状镗刀杆506之间夹持不同厚度的塞尺511，利用螺钉504穿过镗刀片安装座503上的拉长孔513，将镗刀片安装座503与镗刀杆506固定，从而实现镗刀片安装座503在圆柱状镗刀杆506上径向可以调节，以调整镗刀片501的安装位置。

本发明设计的专用内孔镗刀具有如下优点：

(1)采用减轻槽设计，在圆柱对称位置加工直角形减轻槽，设计减轻槽一是在保证高的刚度的基础上，减小刀杆自重，避免刀头端自重下垂。另外减轻槽可以作为高压气枪管道的通道。

(2)为了保证镗刀加工出的管材内孔直线度高，在距离刀头端设计两组限位凸台，限位凸台通过外圆磨削加工而成，与刀杆具有很高的同轴度；每组共有四个凸台，通过尺寸设计，既保证凸台能起到很好的限位作用，又尽量减小凸台与内壁之间的摩擦力；凸台所在圆的直径与刀尖所在圆的直径相同，因此当两组凸台与加工后的内孔匹配时，由于刀杆的刚度很大，刀杆保持恒定的直线状态，可以保证加工出的内孔具有良好的直线度。

(3)采用对称刀具设计，在180°位置安装刀具，保证切削过程中力的平衡。

(4)为了避免加工的车屑落入刀杆与管材内孔之间的缝隙、特别是限位凸台与内孔之间的缝隙，通过高压气枪将车屑向前方吹出，也能有效降低刀具的温度。

(5)设计镗刀片安装座，镗刀固定在安装座上，安装座上加工有沿径向的拉长孔，安装座通过螺钉固定在镗刀柄上，安装座可以在径向调节，从而可以调整刀片位置，实现两镗刀片所在圆与刀杆、限位凸台保持良好的同轴度。

镗内孔装配图如图1所示：将管材6一端通过车床卡盘7夹持固定，管材6的外圆固定于中心架8上，中心架8有三个滚轮，滚轮与管材6的外圆之间为滚动接触，以管材6内孔为基准调节中心架8，使管材6内孔处于旋转中心。将镗刀片安装到粗镗刀刀杆上后，将粗镗刀圆锥一端插入车床尾座1上，并保证与管材6同轴。开动车床，切削速度为10-20m/min，切削深度为内孔加工余量的60％-80％，车床尾座1进给速度为15-25mm/min。粗镗过程中高压气枪的高压气枪管2通过减轻槽507通到镗刀片处，既吹除镗下的碎屑、又降低镗刀和材料温度，防止碎屑造成管材内表面刮伤并提高刀具使用寿命。车床尾座1通过纵向滚珠丝杠3带动移动，纵向滚珠丝杠3由进给箱4提供动力，车床底部设有床腿9支撑。

4)重复步骤2操作，将步骤3镗内孔后的铝基复合材料管材进行去应力热处理，加热至150℃-200℃；保温1h-3h。

5)半精车铝基复合材料管材外圆。以粗镗后的管材内孔为基准，采用聚晶金刚石车刀粗车外圆，进给速度20-40mm/min,切削深度60μm-125μm，切削速度V＝50-80m/min，粗车后管材壁厚减小0.5mm-1mm。

6)重复步骤2操作，将步骤5镗内孔后的铝基复合材料管材进行去应力热处理，加热至150℃-200℃；保温1h-3h。

7)精镗内孔。在管材一端车削出镗刀导引孔，导引孔内径比镗刀片所在圆直径大0.1mm-0.5mm，导引孔长度40mm-50mm。将镗刀片安装到精镗刀刀杆上后，将精镗刀圆锥一端插入车床尾座1上，并保证与管材6同轴。开动车床，切削速度为5-10m/min，切削深度为内孔加工余量的20％-40％，车床尾座1的进给速度为10-15mm/min。精镗过程中高压气枪的高压气枪管2通过减轻槽507通到镗刀片处，既吹除镗下的碎屑、又降低镗刀和材料温度，防止碎屑造成管材内表面刮伤并提高刀具使用寿命。

8)精车外圆。以精镗后的管材内孔为基准，采用聚晶金刚石车刀粗车外圆，进给速度10-30mm/min，切削深度30-80μm，切削速度V＝80-120m/min，粗车后管材壁厚减小0.5mm-1mm。

下面给出利用此机械加工方法及专用内孔镗刀加工铝基复合材料管材的示例，具体内容如下：

待加工的两种规格SiCw/6061Al铝基复合材料挤压管材内径分别为46mm(A管材)和50mm(B管材)，壁厚均为5mm；加工后的管材内径分别为48mm(A管材)、52mm(B管材)，壁厚均为1.4mm。其中，A管材加工两根，长度分别为1090mm(A1管材)、697mm(A2管材)；B管材加工两根，长度分别为685mm(B1管材)、717mm(B2管材)。

两种管材分别采用粗镗刀和精镗刀进行加工，尺寸规格如表1所示。

表1两种内孔粗镗和精镗刀具的尺寸(单位：mm)

利用表1中两种内孔粗镗刀具和精镗刀具对A管材和B管材进行加工后，加工后的SiCw/6061Al铝基复合材料管材加工后的直线度、同轴度以及尺寸具体如表2所示，表2中的A端和B端是指加工管材的两端。

从表2中可以得出：加工后的管材满足管材的长径比达13.4-21.0，壁厚1.42mm-1.60mm，属于细长薄壁管材；加工后的管材两端内孔同轴度≤φ0.009mm；外圆直线度≤φ0.084mm；壁厚1.42mm-1.60mm，说明该加工方法可获得表面质量良好且壁厚均匀的复合材料管材。

通过对机械加工态不同长径比SiCw/6061Al铝基复合材料薄壁管材进行CT扫描后可以看出，加工后的管材壁厚比较均匀，管材内外表面和内部无加工引起的缺陷，这也说明该加工方法可获得表面质量良好且壁厚均匀的复合材料管材。

表2 SiCw/6061Al铝基复合材料管材加工后的直线度、同轴度以及尺寸

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）粗车铝基复合材料管材外圆，采用聚晶金刚石车刀粗车管材外圆，粗车后管材壁厚减小0.5mm-1mm；

2）去应力热处理，将步骤1）粗车外圆后的管材进行去应力热处理，加热至工艺要求温度，然后保温；

3）保温完成后，粗镗内孔，利用专用内孔镗刀粗镗管材内孔；

4）重复步骤2）的操作，将步骤3）的镗内孔后的铝基复合材料管材进行去应力热处理，加热至工艺要求温度，然后保温；

5）保温完成后，半精车铝基复合材料管材外圆，以粗镗后的管材内孔为基准，采用聚晶金刚石车刀半精车管材外圆，半精车后管材壁厚减小0.5mm-1mm；

6）重复步骤2）操作，将步骤5）半精车外圆后的铝基复合材料管材进行去应力热处理，加热至工艺要求温度，然后保温；

7）保温完成后，精镗内孔，采用专用内孔镗刀精镗管材内孔；

8）精车外圆，以精镗后的管材内孔为基准，采用聚晶金刚石车刀精车外圆，精车至所要求尺寸；

所述加工方法中所用到的专用内孔镗刀包括圆柱状镗刀杆和两个镗刀片，两个镗刀片设置在圆柱状镗刀杆的头部，圆柱状镗刀杆的尾部为镗刀尾锥，在所述的圆柱状镗刀杆的头部背对背开设两个容屑槽，在每个容屑槽的前端均安装一镗刀片安装座，两个所述的镗刀片分别安装在两个镗刀片安装座的前端，在容屑槽和刀柄尾椎之间的圆柱状镗刀杆上背对背开设两个减轻槽，每个减轻槽与一个容屑槽相连通，在圆柱状镗刀杆表面靠近头部处设有两组限位凸台，两组所述限位凸台沿圆柱状镗刀杆轴向方向设置，每组限位凸台均包括位于同一圆周上的四个限位凸台，且两两相对设置在两个减轻槽的四个槽边上，每组限位凸台所在圆的直径与镗刀片的刀尖所在圆的直径均相同，在减轻槽内安装高压气枪管，高压气枪管伸至镗刀片处；

所述加工方法中的铝基复合材料管材的初始尺寸为：内径为40mm-80mm，内径有1.5mm-3mm的加工余量，壁厚为4mm-7mm，长度为100mm-1200mm，直线度优于1.0mm。

2.根据权利要求1所述的壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，其特征在于：所述的镗刀片安装座上加工有拉长孔，通过螺钉固定在圆柱状镗刀杆上，镗刀片安装座在圆柱状镗刀杆上径向可调以调整刀片的安装位置。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，其特征在于：所述步骤3）中的利用专用内孔镗刀粗镗管材内孔时，具体步骤如下：

a、先将步骤2）去应力处理后的管材的一端通过车床卡盘夹紧固定，距离另一端三分之一处采用中心架固定管材外圆，保证管材与卡盘旋转轴同轴，在步骤2）去应力处理后的管材的另一端车削出镗刀导引孔，导引孔的内径与镗刀片所在圆直径相同；

b、将镗刀片安装在粗镗刀杆上后，将粗镗刀杆的镗刀尾椎插入车床尾座上，并保证与管材同轴；

c、开动车床，切削速度为10-20m/min，切削深度为内孔加工余量的60%-80%，车床尾座进给速度为15-25mm/min，同时通过高压气枪管向镗刀片处通入高压空气。

4.根据权利要求3所述的壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，其特征在于：所述步骤7）中的利用专用内孔镗刀精镗管材内孔时，具体步骤如下：

a、将粗镗刀杆替换成精镗刀杆，将镗刀片安装在精镗刀杆上后，将精镗刀杆的镗刀尾椎插入车床尾座上，并保证与管材同轴；

b、开动车床，切削速度为10-20m/min，切削深度为内孔加工余量的20%-40%，车床尾座进给速度为15-25mm/min，同时通过高压气枪管向镗刀片处通入高压空气。

5.根据权利要求1所述的壁厚均匀的细长薄壁铝基复合材料管材的机械加工方法，其特征在于：所述步骤2）、步骤4）和步骤6）中所涉及的去应力热处理的方法均为：加热至工艺要求温度150℃-200℃，然后保温1h-3h。

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