CN110091222A - 一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法，制孔的方法如下：通过磨削刀具以磨削的方式对SiCp/Al复合材料进行制孔，并结合超声辅助磨削使得磨削刀具中刀头在超声振动、机械磨削以及超声空化的共同作用下不断冲击、划擦被加工表面，使被加工材料被粉碎成细小的微粒进行去除，实现对SiCp/Al复合材料的超声辅助磨削制孔。本发明中的磨削方法使得刀具的使用寿命长，加工精度高，磨削热低，工件的加工精度高。

Description

一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法

技术领域

本发明涉及复合材料精密加工技术领域，更具体的说是涉及一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法。

背景技术

采用SiCp/Al复合材料制成的零件具有密度小、高比刚度、高比强度、良好的疲劳性能、耐热性和耐磨性等优点，被广泛应用于航天、航空等领域。但是，由于SiCp/Al复合材料在加工时脆性大、刀具磨损剧烈、加工效率低，容易产生加工缺陷，对加工的零件造成影响。

目前，主要采用麻花钻制孔的方法对SiCp/Al复合材料进行加工，在加工过程中存在以下问题：制孔过程中磨削热量不易排出，使得磨削区域温度逐渐升高，刀具寿命变短，同时还易造成加工材料的热损伤，形成加工缺陷。

因此，研究出一种刀具使用寿命长，加工精度高的对SiCp/Al复合材料进行磨削的制孔方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种刀具使用寿命长，加工精度高，磨削热低的对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法，制孔的方法如下：

步骤(1)，通过磨削刀具以磨削的方式对SiCp/Al复合材料进行制孔，所述磨削刀具包括：刀头、刀柄；所述刀头与所述刀柄固定连接；

所述刀头(12)由磨料和结合剂混合而成；在所述刀头的外表面上开设多个排屑槽，所述刀头在磨削过程中产生的切削粉末能够通过所述排屑槽及时排出；

步骤(2)超声辅助磨削加工系统的组成：超声辅助磨削加工系统包括：超声电源、控制部和超声刀柄；所述超声电源分别与所述控制部、超声刀柄电性连接，所述控制部和超声刀柄电性连接；超声电源产生的高频电信号会传输到控制部中，再通过控制部将高频电信号传输到超声刀柄中；

控制部将高频电能转化成相应频率的机械振动，通过超声刀柄将控制部产生的高频机械振动振幅进行放大，并传递给磨削刀具，最终作用于被加工工件表面，实现超声振动辅助磨削；

步骤(3)在超声辅助磨削加工过程中，磨削刀具在进行旋转的同时沿垂直于旋转轴的方向进行超声振动；使得磨削刀具中刀头在超声振动、机械磨削以及超声空化的共同作用下不断冲击、划擦被加工表面，使被加工材料被粉碎成细小的微粒进行去除，实现对SiCp/Al复合材料的超声辅助磨削制孔。

采用上述技术方案的有益效果是，本发明中在磨削过程中引入超声振动，可以降低磨削刀具与工件之间的摩擦力，减少磨削刀具与工件的接触时间，增强磨削刀具对工件的磨削去除作用，从而有效地提高了材料的去除率，减小磨削力，降低磨削热，减少磨削刀具磨损，改善工件的加工精度和质量。

优选的，所述步骤(1.1)中磨料选用比SiC颗粒硬度高的金刚石作为磨料，其中，金刚石磨料的颗粒度范围为60#-120#。

采用上述技术方案的有益效果是，金刚石的硬度比SiC颗粒硬度高，可以对SiCp/Al复合材料进行磨削，由于磨料的颗粒度直接影响磨削加工表面的粗糙程度，选用颗粒度在60#-120#范围内的金刚石可以保证对SiCp/Al复合材料表面加工精度的要求。

优选的，所述步骤(1)中结合剂选用的陶瓷结合剂。

优选的，所述步骤(1)中的排屑槽呈螺旋状，均匀的排布在所述磨刀的表面。

采用上述技术方案的有益效果是，排屑槽的开设可以及时将磨削过程中产生的粉末状切削屑排出，防止切削屑吸附在磨削刀具表面造成堵塞。

优选的，所述步骤2中超声电源(2)产生的高频电信号大于15kHz，超声刀柄(4)的振幅产生1～10μm。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用以磨代切的方法进行制孔，轴向磨削力减小，磨削孔出口处出现崩边现象概率减小，且孔壁的加工精度高；

(2)采用超声振动辅助磨削制孔，降低了磨削刀具与工件之间的摩擦力，减少了刀具与工件的接触时间，增强了刀具对工件的磨削去除作用，从而有效地提高了材料去除率，减小磨削力，降低磨削热，减少刀具磨损，改善加工精度和质量。

需要说明的是，在上述步骤中，应用了很多建筑领域的专业术语，在此一一进行解释：

超声空化：当超声波能量足够高时，就会产生"超声空化"现象，即指存在于液体中的微小气泡(空化核)在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的磨削刀具的结构示意图；

图2附图为本发明提供的超声辅助磨削加工系统的结构示意图；

图3附图为传统麻花钻加工的结构示意图；

图4附图为本发明中磨削刀具加工的结构示意图。

其中，图中，

1-磨削刀具；

11-刀柄；12-刀头；13-排屑槽；

2-超声电源；3-控制部；4-超声刀柄；5-工件；6-普通磨削刀具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明实施例公开了一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法，制孔的方法如下：

步骤(1)，通过磨削刀具以磨削的方式对SiCp/Al复合材料进行制孔，磨削刀具1包括：刀头12、刀柄11；刀头12与刀柄11固定连接；

刀头12由磨料和结合剂混合而成；

在进行磨削加工前需要对刀头12进行选择，主要从磨料、结合剂与粒度三个方面考虑对刀头12进行选择；

磨料的选择：SiCp/Al复合材料中的增强体为SiC颗粒，其硬度非常高，为了保证磨削刀具1的耐磨性，提高其使用寿命，需选用比SiC颗粒硬度更高的金刚石作为磨料，其中，如图1所示的磨削刀具1中金刚石磨料的颗粒度范围为80#；

结合剂的选择：刀头12在实际的加工过程中需要承受较大的摩擦力，并且在磨削过程中磨削区的温度会不断升高，磨削得到的工件还需要保证其磨削精度的准确性；因此，需要选择能够承受很高的磨削力，且耐用度高，热稳定性好，易于控制磨精度的陶瓷结合剂。目前常用的磨削刀具1的结合剂有电镀、树脂结合剂、金属结合剂及陶瓷结合剂等。其中，树脂结合剂的容屑空间较小，排屑状态不佳时易造成磨具堵塞，不适用于制造磨削刀具1；电镀磨削刀具的容屑空间较大，不易产生堵塞，且电镀成本相对较低，适用于磨粒颗粒度较大的磨削刀具的制造，用于粗加工；而陶瓷结合剂能承受更高的磨削力，耐用度更高，且热稳定性较为出色，易于控制磨精度，因此，选用陶瓷结合剂制造磨粒颗粒度较小的磨削刀具，用于精加工。

在刀头12的外表面上均匀开设3个螺旋状排屑槽13，排屑槽13螺旋角为45°，间距为1.5mm，刀头12在磨削过程中产生的切削粉末能够通过排屑槽13及时排出；冷却液也能够通过排屑槽13对磨削区域进行冷却。

步骤(2)，超声辅助磨削加工系统的组成：为了减小磨削力，降低磨削温度，提高磨削刀具1寿命，在磨削加工中采用超声振动辅助磨削制孔；超声辅助磨削加工系统包括：超声电源2、控制部3和超声刀柄4；超声电源2分别与控制部3、超声刀柄4电性连接，所述控制部3和超声刀柄4电性连接；超声电源2产生大于15kHz的高频电信号会传输到控制部3中，再通过控制部3将高频电信号传输到超声刀柄4中；

控制部3将高频电能转化成相应频率的机械振动，通过超声刀柄4将控制部产生的高频机械振动振幅进行放大，产生1～10μm的振幅，并传递给磨削刀具1，最终作用于被加工工件表面，实现超声振动辅助磨削；

步骤(3)，磨削刀具1在进行旋转的同时沿垂直于旋转轴的方向进行超声振动；使得磨削刀具1中刀头12在超声振动、机械磨削以及超声空化的共同作用下不断冲击、划擦被加工表面，使被加工材料被粉碎成细小的微粒进行去除，实现对SiCp/Al复合材料的超声辅助磨削制孔。

进一步地，超声辅助磨削加工过程中，通过磨削刀具1对被加工材料的机械和超声复合作用，使磨削刀具1与被加工材料的接触状态和作用机制发生变化，主要通过机械磨削作用、高频微撞击作用以及超声空化作用等进行材料去除。由于超声振动的引入，改变了材料去除机理，降低了磨削刀具1与工件之间的摩擦力，减少了磨削刀具1与工件的接触时间，增强了磨削刀具1对工件的磨削去除作用，从而有效地提高了材料去除率，减小磨削力，降低磨削热，减少刀具磨损，改善加工精度和质量。

实施例2：

以铝基复合材料为试验材料，增强体为SiC颗粒，其体积分数为45％，颗粒尺寸为2～8μm，并采用电镀金刚石磨削刀具。轴向力是影响复合材料制孔质量的重要因素，是引起各种缺陷的直接原因。这主要是由于普通磨削刀具6的主切削刃为磨削刀具前端面，某一时刻磨削刀具端面同时接触材料进行加工如图3所示，所以会产生较大的轴向力。电镀金刚石磨削刀具进行制孔时如图4所示，磨削刀具1的刀头12部分是比SiC硬度更高的金刚石进行磨削，与材料接触面积大，可有效减小轴向力，并且外附三条等间距排屑槽13，利于切屑的排出，防止制孔中造成堵塞现象，在加工结束阶段，磨削材料所需轴向力变小，出现快速下降趋势。在此加工过程中电镀金刚石磨削刀具的轴向磨削力减小，减小了孔出处崩边的现象发生，保证了孔的加工精度。其中，图4中沿磨削刀具1向下表示进给方向，沿磨削刀具1上下表示振动方向。

实施例3：

选用工件材料为SiCp/Al复合材料，使用实施例1中的磨削刀具1在DMU80monoBLOCK5轴高速加工中心上进行加工，由于磨削需要的切削速度比较高，所以主轴转速选用4000RPM，超声频率26KHZ，振幅选取中间数值6μm，加工孔径为8mm，孔深为4mm，在加工过程中每个孔需要加工的时间为6分钟。

本实施例中的加工参数如表所示：

表1

由表1内容可知，本发明中采用超声振动辅助磨削的方法，并选用合适的磨削刀具，可以快速准确的实现对SiCp/Al复合材料的制孔。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法，其特征在于，制孔的方法如下：

步骤(1)，通过磨削刀具(1)以磨削的方式对SiCp/Al复合材料进行制孔，所述磨削刀具(1)包括：刀头(12)、刀柄(11)；所述刀头(12)与所述刀柄(11)固定连接；

所述刀头(12)由磨料和结合剂混合而成；

在所述刀头(12)的外表面上开设多个排屑槽(13)，所述刀头(12)在磨削过程中产生的切削粉末能够通过所述排屑槽(13)及时排出；

步骤(2)，超声辅助磨削加工系统的组成：超声辅助磨削加工系统包括：超声电源(2)、控制部(3)和超声刀柄(4)；所述超声电源(2)分别与所述控制部(3)、超声刀柄(4)电性连接，所述控制部(3)和超声刀柄(4)电性连接；超声电源(2)产生的高频电信号会传输到控制部(3)中，再通过控制部(3)将高频电信号传输到超声刀柄(4)中；

控制部(3)将高频电能转化成相应频率的机械振动，通过超声刀柄(4)将控制部(3)产生的高频机械振动振幅进行放大，并传递给磨削刀具(1)，最终作用于被加工工件(5)表面，实现超声振动辅助磨削；

步骤(3)，在超声辅助磨削加工过程中，磨削刀具(1)在进行旋转的同时沿垂直于旋转轴的方向进行超声振动；使得磨削刀具(1)中刀头(12)在超声振动、机械磨削以及超声空化的共同作用下不断冲击、划擦被加工表面，使被加工材料被粉碎成细小的微粒进行去除，实现对SiCp/Al复合材料的超声辅助磨削制孔。

2.根据权利要求1所述的一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法，其特征在于，所述步骤(1)中的磨料选用比SiC颗粒硬度高的金刚石作为磨料，其中，金刚石磨料的颗粒度范围为60#-120#。

3.根据权利要求1或2所述的一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法，其特征在于，所述步骤(1)中结合剂选用的陶瓷结合剂。

4.根据权利要求3所述的一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法，其特征在于，所述步骤(1)中的排屑槽(13)呈螺旋状，均匀的排布在所述刀头(12)的表面。

5.根据权利要求1所述的一种对SiCp/Al复合材料超声振动辅助磨削的制孔方法，其特征在于，所述步骤2中超声电源(2)产生的高频电信号大于15kHz，超声刀柄(4)的振幅产生1～10μm。