CN111037212B - 一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，步骤为1)加工高体积分数铝基碳化硅零件至单边2mm余量；2)在高体积分数铝基碳化硅材料上加工塞孔；3)在钛柱表面加工螺旋线；4)对孔内表面进行观察；5)对复合材料底孔预涂覆钎料；6)酒精清洗钛合金表面，钛柱表面涂覆钎料；7)对钛柱和高体积分数铝基碳化硅进行钎焊；8)焊接后进行去应力热处理；9)高体积分数铝基碳化复合材料与钛合金柱的钎焊完成后，将端面加工至最终尺寸；10)高体积分数铝基碳化复合材料与钛合金柱的钎焊后，对焊缝表观用50倍视频显微镜和X射线对焊缝进行检测是否合格；11)在焊接后的钛柱上加工相应规格的螺纹孔底孔并进行攻丝。

Description

一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料精密加工领域，具体涉及一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，属于精密(特种)加工等相关技术领域。

背景技术

铝基碳化硅复合材料，尤其是高体分铝基碳化硅材料具有高比强度和比刚度、低热膨胀系数(≤8×10^-6/℃)、低密度、高微屈服强度、良好的尺寸稳定性、导热性(≥190W/m/K)以及耐磨、耐疲劳等优异的力学性能和物理性能，在航空航天、兵器、汽车等领域得到了广泛的应用，如军用电子产品封装壳体、军用高稳定光机结构件、军用光学/电子载荷热控产品、深空探测产品关键抗磨与高稳定性结构、汽车刹车片等。但是高体积分数碳化硅铝基复合材料上加工小孔螺纹一直是个难题，加工过程中底孔加工，尤其是丝锥攻螺纹时丝锥磨损严重，扭矩很大，经常折断，螺纹的加工精度和质量无法保证，而且即使是加工出的螺纹在经常需要拆卸的场合往往拆卸一次，螺纹的螺牙磨损量大，多次拆卸后的螺纹往往极易发生脱扣。材料的一系列优异性能的获得是以牺牲复合材料的塑性韧性和切削加工性为代价的，该材料由于塑性低以及在微观上的不均匀性而难于机械加工，特别体现在刀具磨损快和加工表面缺陷多等方面，尤其是其上螺纹的加工，由于其上含有大量坚硬的碳化硅颗粒，且微观不均匀，65％体分的材料其颗粒通常达60微米，加工过程刀具设计不合理和加工参数不当，易产生孔洞、凹坑、微裂纹、沟痕、螺纹崩边、基体撕裂等缺陷；对于细小孔及螺纹，刀具的研制、修形、修磨困难，磨损快、成本相对较高且效率极低，严重制约了高体积分数铝基碳化硅材料的大面积推广使用。碳化硅铝基复合材料精密加工是一项具有高难度和高技术含量的挑战，然而该材料的精密加工既是一种高代价高投入的工艺技术又是高增值高回报的工艺技术，世界工业先进国家都把它放在国家尖端技术和经济振兴的重要位置。

对于高体积分数铝基碳化硅材料上的螺纹加工，采用直接在母材上攻螺纹可以通过设计定制专用的PCD钻头、PCD丝锥来降低刀具磨损对螺纹加工的影响，加工效率低，且该类螺纹孔往往无法适用频繁拆卸的场合，3-5次使用后螺牙磨损严重，甚至会发生脱扣；通过打螺纹底孔攻头锥二锥后镶嵌钢丝螺套的方式来加工螺纹可降低螺牙的磨损，但该类螺纹孔往往精度较低，而且螺牙的多次使用，母体的牙同样会存在磨损掉屑，经验显示在55％体分的铝基碳化硅材料上加工M3的内螺纹，镶嵌钢丝螺套后，使用一次，母体的小径会减小0.03～0.05，无法适应多次拆卸的场合。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了解决高体积分数铝基碳化硅材料上加工螺纹尤其是小螺纹时易产生加工缺陷，且即使加工出螺纹无法适应反复拆卸的场合应用，提供一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，通过在高体积分数铝基碳化硅材料上钎焊钛合金柱，并在钛柱上攻螺纹孔，通过控制塞孔和钛柱的尺寸来达到精确控制钛合金含量，在不明显降低其材料线膨胀系数和增加材料质量属性的前提下大幅提高螺纹的加工精度、质量和效率。

本发明所采用的技术方案如下：一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，步骤如下：

1)加工高体积分数铝基碳化硅零件至单边2mm余量后；

2)在高体积分数铝基碳化硅材料上加工塞孔；

3)在钛柱表面加工螺旋线，螺旋线螺距为0.75mm，深0.15mm；外形公差按照(-0.15，-0.1)加工；钛柱高度比塞孔多1.5mm-2mm，钛柱直径比要加工的螺纹孔或销钉孔单边大1.5mm-2mm；

4)采用放大镜并辅以高强照明设备对孔内表面进行观察，完全呈现出金属光泽，并进入步骤5)；如果没有金属光泽，则返回步骤2) 重新进行塞孔加工；

5)对复合材料底孔预涂覆钎料，涂覆后采用放大镜并辅以高强照明设备对孔内表面钎料涂层进行观察；判断孔内壁表面钎料涂层是否均匀，并呈现出金属光泽，如果呈现出金属光泽，则进入步骤6)，否则对复合材料底孔重新进行预涂覆，直至满足要求；

6)钛柱表面涂覆钎料，酒精清洗钛合金表面；涂覆钎料后，采用肉眼和光学显微镜对钛合金柱表面钎料涂层进行观测，判断是否满足涂覆要求；如果满足要求，则进入步骤7)，否则对钛柱表面重新进行涂覆，直至满足要求；

7)对钛柱和高体积分数铝基碳化硅进行钎焊；钎焊过程采用超声波辅助方法；

8)焊接后进行去应力热处理；

9)高体积分数铝基碳化复合材料与钛合金柱的钎焊完成后，将端面加工至最终尺寸后，对焊缝表观用50倍视频显微镜进行检测是否合格，若不满足要求，则进行修补焊接，直至满足要求；

10)高体积分数铝基碳化复合材料与钛合金柱的钎焊完成后，将端面加工至最终尺寸后，采用X射线对焊缝区域进行无损检测，若不满足要求，则进行修补焊接，直至满足要求；

11)在焊接后的钛柱上加工相应规格的螺纹孔底孔，并进行攻丝。

所述钛合金柱原材料采用TC4R钛合金棒材。

所述步骤2)中塞孔边沿铝基碳化硅厚度不小于2.5-3mm。

所述步骤2)中所述螺纹孔尺寸与塞孔、钛合金柱直径尺寸精度按照以下原则执行：

e)M8以下螺纹孔的塞孔或钛合金柱直径D比钛合金柱内设计螺纹孔大径d大3mm，M5以下螺纹塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制，M6、M7螺纹塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制；

f)M8、M10螺纹孔的塞孔或钛合金柱直径D比钛合金柱内设计螺纹孔大径d大5mm，塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制；

g)M12、M14螺纹孔的塞孔或钛合金柱直径D比钛合金柱内设计螺纹孔大径d大6mm，塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制；

h)M16螺纹孔的塞孔或钛合金柱直径D比钛合金柱内设计螺纹孔大径d大8mm，塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制。

所述步骤6)中的要求为：

1、涂层厚度均匀，不允许存在凸起褶皱现象；

2、呈现金属光泽，不允许存在区域发黑现象。

所述步骤7)中所述超声波辅助方法的超声波参数采用：频率 20-30kHz，振幅10-30μm，功率1kW；其中功率为发生器输出电功率，超声波频率和振幅均采用激光干涉仪测试，测试位置有超声波工具头端面和待焊接表面，保证焊接区域超声波施加效果。

所述步骤7)中钎焊过程中加热温度要求380℃-460℃左右，采用热电偶测量进行实时控制，控温精度范围2℃；采用红外测温仪辅助测试，保证加热区域温度场均匀性，控制区域温差不高于10℃。

所述步骤9)中是否合格的标准为：

1、焊缝无裂纹；

2、不允许存在未填充缺陷；

3、不允许尺寸为0.5-1mm的气孔数多于2个。

所述步骤10)中进行无损检测的合格标准为：射线源位于工件前部，胶片位于另一侧，尺寸为0.5-1mm的气孔数不多于2个。

和现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明使用钎焊钛柱来代替直接攻螺纹或镶嵌钢丝螺套加工小螺纹，在其他相同的使用条件下，在不明显降低其材料线膨胀系数和增加材料质量属性的前提下大幅提高螺纹的加工精度、质量和效率，满足高体积分数铝基碳化硅材料在反复拆卸场合下使用需求。

2、本发明提供了一种可大幅提高螺纹的螺牙强度的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法。

3、本发明钎焊后的螺纹加工为常规加工，刀具具有通用性，无需特殊定制刀具，节约了加工成本。

附图说明

图1为一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法；

图2为焊接钛柱加工示意图；

图3为M3螺纹钛柱与母材的尺寸控制要求；

图4表观检测示意图；

图5X射线无损检测示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种在高体积分数铝基碳化硅复合材料上加工螺纹的方法。以55％体分以上铝基碳化硅材料上加工M2、M2.5、M3、 M4、M5、M6等内螺纹，从销钉钛合金柱的加工尺寸和精度控制，结合铝基碳化硅材料上加工的内孔工艺要求，到钎焊过程实施，以及加工后的螺纹孔的质量检测控制，最终实现在高体分铝基碳化硅材料上加工M2、M2.5、M3、M4、M5、M6等内螺纹，并满足其反复拆装和连接强度的要求。

下面结合附图，对本发明的一种优选的实施方式做详细的说明描述。

(1)如图1所示，加工高体积分数铝基碳化硅零件至单边 2mm余量。工艺过程控制如下，以铣削零件为例，对于高体积分数铝基碳化材料典型的薄壁弱刚性零件，采用粗加工预留单边3mm余量后进行高温退火，消除产品内应力，之后进行分别按2mm余量、 1mm余量、0.5mm余量进行半精铣，中间穿插两道热处理去应力，在精铣前进行一道尺寸稳定化热处理，最低限度地减小零件的变形对尺寸精度的影响。对于基准面高平面度要求及其各个侧面的垂直度，采用磨削加工。钎焊钛柱在半精加工后单边2mm余量后实施。

(2)在高体积分数铝基碳化硅材料上加工塞孔，孔边沿铝基碳化硅厚度不小于2.5-3mm。钛合金柱内设计螺纹孔尺寸与塞孔和钛合金柱直径尺寸精度按照表1执行。

表1钛合金柱内设计螺纹孔尺寸与塞孔和钛合金柱直径尺寸精度关系表

(3)如图2所示，加工钛合金柱，钛合金柱原材料采用TC4R 钛合金棒材，表面加工螺旋线，螺旋线螺距为0.75mm，深0.15mm，外形公差按照(-0.15，-0.1)加工。钛柱高度比塞孔多1.5mm-2mm，直径要求比要加工的螺纹孔或销钉孔单边大1.5-2mm。

(4)如图3所示为M3螺纹钛柱与母材的尺寸控制要求。

(5)采用放大镜并辅以高强照明设备对孔内表面进行观察，完全呈现出金属光泽，并进入步骤(6)；如果没有金属光泽，则返回步骤(2)重新进行塞孔加工。

(6)对复合材料底孔预涂覆钎料，涂覆后采用放大镜并辅以高强照明设备对孔内表面钎料涂层进行观察；判断孔内壁表面钎料涂层是否均匀，并呈现出金属光泽，如果呈现出金属光泽，则进入步骤 (7)，否则对复合材料底孔重新进行预涂覆，直至满足要求。

(7)钛柱表面涂覆钎料，酒精清洗钛合金表面；涂覆钎料后，采用肉眼和光学显微镜对钛合金柱表面钎料涂层进行观测；保证满足以下要求：1、涂层厚度均匀，不允许存在凸起褶皱现象；2、呈现金属光泽，不允许存在区域发黑现象；如果满足要求，则进入步骤(8)，否则对钛柱表面重新进行涂覆，直至满足要求。

(8)对钛柱和高体积分数铝基碳化硅进行钎焊；钎焊过程均采用超声波辅助方法；超声波参数采用：频率20-30kHz，振幅10-30 μm，功率1kW。其中功率为发生器输出电功率，超声波频率和振幅均采用激光干涉仪测试，测试位置有超声波工具头端面和待焊接表面，保证焊接区域超声波施加效果；

优选采用：塞焊过程中加热温度是重要工艺参数，要求380℃ -460℃左右，需要实时控制，采用热电偶测量进行控制，控温精度范围2℃。采用红外测温仪辅助测试，保证加热区域温度场均匀性，控制区域温差不高于10℃。

(9)焊接后进行去应力热处理。

(10)如图4，高体积分数铝基碳化复合材料与钛合金柱的钎焊完成后，将端面加工至最终尺寸后，对焊缝表观用50倍视频显微镜进行检测，合格标准为：1、焊缝无裂纹；2、不允许存在未填充缺陷；3、不允许尺寸为0.5-1mm的气孔数多于2个；若不满足要求，则进行修补焊接，直至满足要求。

(11)如图5，高体积分数铝基碳化复合材料与钛合金柱的钎焊完成后，将端面加工至最终尺寸后，采用X射线对焊缝区域进行无损检测，合格标准为：射线源位于工件前部，胶片位于另一侧，尺寸为0.5-1mm的气孔数不多于2个；若不满足要求，则进行修补焊接，直至满足要求。

(12)在焊接后的钛柱上加工相应规格的螺纹孔底孔，并进行攻丝。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)加工高体积分数铝基碳化硅零件至单边2mm余量；

2)在高体积分数铝基碳化硅材料上加工塞孔；

3)在钛柱表面加工螺旋线，螺旋线螺距为0.75mm，深0.15mm；外形公差按照-0.15～-0.1加工；钛柱高度比塞孔多1.5mm-2mm，钛柱直径比要加工的螺纹孔或销钉孔单边大1.5mm-2mm；

4)采用放大镜并辅以高强照明设备对孔内表面进行观察，完全呈现出金属光泽，并进入步骤5)；如果没有金属光泽，则返回步骤2)重新进行塞孔加工；

5)对复合材料底孔预涂覆钎料，涂覆后采用放大镜并辅以高强照明设备对孔内表面钎料涂层进行观察；判断孔内壁表面钎料涂层是否均匀，并呈现出金属光泽，如果呈现出金属光泽，则进入步骤6)，否则对复合材料底孔重新进行预涂覆，直至满足要求；

6)钛柱表面涂覆钎料，酒精清洗钛合金表面；涂覆钎料后，采用肉眼和光学显微镜对钛合金柱表面钎料涂层进行观测，判断是否满足涂覆要求；如果满足要求，则进入步骤7)，否则对钛柱表面重新进行涂覆，直至满足要求；

7)对钛柱和高体积分数铝基碳化硅进行钎焊；钎焊过程采用超声波辅助方法；

8)焊接后进行去应力热处理；

9)高体积分数铝基碳化复合材料与钛合金柱的钎焊完成后，将端面加工至最终尺寸后，对焊缝表观用50倍视频显微镜进行检测是否合格，若不满足要求，则进行修补焊接，直至满足要求；

10)高体积分数铝基碳化复合材料与钛合金柱的钎焊完成后，将端面加工至最终尺寸后，采用X射线对焊缝区域进行无损检测，若不满足要求，则进行修补焊接，直至满足要求；

11)在焊接后的钛柱上加工相应规格的螺纹孔底孔，并进行攻丝。

2.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中所述螺纹孔尺寸与塞孔、钛合金柱直径尺寸精度按照以下原则执行：

a)M8以下螺纹孔的塞孔或钛合金柱直径D比钛合金柱内设计螺纹孔大径d大3mm，M5以下螺纹塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制，M6、M7螺纹塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制；

b)M8、M10螺纹孔的塞孔或钛合金柱直径D比钛合金柱内设计螺纹孔大径d大5mm，塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制；

c)M12、M14螺纹孔的塞孔或钛合金柱直径D比钛合金柱内设计螺纹孔大径d大6mm，塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制；

d)M16螺纹孔的塞孔或钛合金柱直径D比钛合金柱内设计螺纹孔大径d大8mm，塞孔直径尺寸公差按

控制，钛合金柱直径尺寸公差按

控制。

3.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：所述步骤6)中的要求为：

1、涂层厚度均匀，不允许存在凸起褶皱现象；

2、呈现金属光泽，不允许存在区域发黑现象。

4.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：所述步骤7)中所述超声波辅助方法的超声波参数采用：频率20-30kHz，振幅10-30μm，功率1kW；其中功率为发生器输出电功率，超声波频率和振幅均采用激光干涉仪测试，测试位置有超声波工具头端面和待焊接表面，保证焊接区域超声波施加效果。

5.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：所述步骤7)中钎焊过程中加热温度要求380℃-460℃，采用热电偶测量进行实时控制，控温精度范围2℃；采用红外测温仪辅助测试，保证加热区域温度场均匀性，控制区域温差不高于10℃。

6.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：所述步骤9)中是否合格的标准为：

1、焊缝无裂纹；

2、不允许存在未填充缺陷；

3、不允许尺寸为0.5-1mm的气孔数多于2个。

7.根据权利要求1所述的一种高体积分数铝基碳化硅复合材料小孔螺纹的制备方法，其特征在于：所述步骤10)中进行无损检测的合格标准为：射线源位于工件前部，胶片位于另一侧，尺寸为0.5-1mm的气孔数不多于2个。

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