CN111300537B - 一种无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械加工技术领域，公开了一种无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法，包括以下步骤：S1：无机酚醛气凝胶热防护层加工切削刀具与切削温度参数的选择：使用一般切削参数，选用硬质合金刀具进行无机酚醛气凝胶热防护层及叠层加工；S2：无机酚醛气凝胶热防护层加工切削力参数的确定：选取进给速度为F50，转速为S800工艺参数进行叠层钻孔加工；S3：按照步骤S1、S2中确定的加工参数对热防护层进行加工，加工过程中对加工参数进行优化；本申请通过无机酚醛气凝胶热防护层的机械加工工艺研究，以确认加工过程最优切削参数、切削温度、刀具的选用，从而使无机酚醛气凝胶的产品得到良好的实际加工效果。

Description

一种无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，它尤其是一种无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法。

背景技术

无机酚醛气凝胶(IPA)作为一种由纳米颗粒交联而成的三维网络结构，以其超低密度，高孔隙率，低热/电导率等优势受到越来越多的关注。

由于无机酚醛气凝胶的孔体积、孔径分布及比表面积等都在可控的范围内，因此拥有较高比表面积和孔隙率，卓越的热学和力学性，成功应用在超级电容器、吸附材料、催化剂载体等方面。无机酚醛气凝胶作为最有前途的新型高效绝热材料之一，已成为航空航天领域的首选材料。

20世纪90年代，美国NASA Ames研究中心以酚醛树脂为基体，碳纤维为增强体，通过聚合物相分离原理，开发了具有多孔结构的低密度烧蚀材料，成功应用于“星尘号”返回舱和“猎户座计划”的大面积热防护结构，开启了多孔材料在太空探索领域的应用。

由于无机酚醛类树脂复合材料层间剪切强度相对较低，脆性大，易掉渣，易变形，机加过程中由于材料特殊性不能使用冷却液，刀具磨损严重，为防止机加过程中材料产生变形对装夹工具要求较高，机加过程与金属材料相比，其走刀过程、吃刀量的控制要求也比较复杂。

发明内容

本发明解决的技术问题是：通过对无机酚醛气凝胶机加(铣削)、叠层加工(铣削、钻孔)进行相关试验，对切削力、切削温度进行了检测，最终确定了无机酚醛气凝胶的最优的机加参数。

本发明的技术解决方案是：一种无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法，包括以下步骤：

S1：无机酚醛气凝胶热防护层加工切削刀具与切削温度参数的选择：使用一般切削参数，选用硬质合金刀具进行无机酚醛气凝胶热防护层及叠层加工；

S2：无机酚醛气凝胶热防护层加工切削力参数的确定：选取进给速度为F50，转速为S800工艺参数进行叠层钻孔加工；

S3：按照步骤S1、S2中确定的加工参数对热防护层进行加工，加工过程中对加工参数进行优化。

进一步地，步骤S1中，通过不同刀具对无机酚醛气凝胶进行机械加工试验，从加工表面质量，刀具磨损度、切削温度综合要素评价，来确定切削刀具与切削温度参数。通过工艺试验，可知IPA材料钻削温度较低。并对钻孔、铣削加工后的刀具在超景深显微镜下进行观察，硬质合金铣刀仅有轻微磨损，推断对于IPA材料的铣削钻孔加工，控制切削温度对于提高IPA材料的加工质量具有重要意义。

进一步地，步骤S2中，通过调整无机酚醛气凝胶机械加工时的切削参数，以切削力小于粘合力的20％-40％标准，来确定切削力参数。调整时尽可能的提高转速从而使切削速度达到一定程度，以抑制毛刺，经过试验得知，在进给速度为100mm/min时，转速n＝2000r/min时的轴向力最小，均可将切削力控制在小于粘合力20％-40％范围内。

进一步地，切削力控制在小于粘合力20％-40％时，粘接面积低于不影响粘接强度的最小粘接面积时，采用降低切宽或切深的方法减小切削力。

进一步地，步骤S2中，叠层钻孔时，钻头采用“啄钻”方式进给，每向下3mm然后退刀排屑，再切削3mm然后再退，不断循环直到底部，通过这种断续进刀的方式，一方面可以降低连续切削的热量，另一方面可以将切屑由连续长切屑变为断续切屑，防止切屑太长划伤已加工表面。

进一步地，步骤S3中，参数优化包括减小进给速度、减少切深，以降低切削过程的切削力，减小加工过程中的震动。

进一步地，热防护层靠近加工部位增加辅助紧固随形工装和卡箍，卡箍和随形工装内侧用橡胶或柔软材料进行保护，一方面增加防热层刚性，另一方面减小切削力可能对防护层造成的影响。

进一步地，加工过程都采用顺铣，并且采用从外向内的加工方式，避免出现向外的力使涂层脱粘。

本发明与现有技术相比的优点在于：本申请通过无机酚醛气凝胶热防护层的机械加工工艺研究，以确认加工过程最优切削参数、切削温度、刀具的选用，从而使无机酚醛气凝胶的产品的加工效率提高，产品的精度、表面质量提高，合格率提高。

附图说明

图1a、1b、1c为不同刀具钻孔切削温度曲线。

图2为不同进给速度钻孔切削温度曲线。

图3a、3b为不同主轴转速钻孔切削温度曲线。

图4a、4b为不同钻孔铣削刀具磨损情况观察结果。

图5a、5b、5c为IPA材料钻孔采用一般切削参数时切削力曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本申请中的IPA为指无机酚醛气凝胶的简称。

本申请通过无机酚醛气凝胶(IPA)热防护层的无机酚醛气凝胶机加(铣削)、叠层加工(铣削、钻孔)加工工艺研究，以确认加工过程最优切削参数、切削温度、刀具的选用，从而使无机酚醛气凝胶(IPA)的产品得到良好的实际加工效果。

本发明的IPA热防护层机械加工方法，包括以下步骤：

S1：IPA热防护层加工切削刀具与切削温度参数的选择：

由于在复合材料的钻削过程中，切削温度直接影响着工件的切削质量，因此本申请首先对采用一般切削参数下使用不同刀具材料的切削温度曲线进行比较，分别对使用HSS，PCD和硬质合金刀具的切削温度曲线进行了比较，图1a、1b、1c所示，分别为使用直径为6mm的HSS，PCD和硬质合金刀具在转速为3000r/min，f＝50mm/min的切削参数下的切削温度曲线。上述的一般切削参数是指采用机床对一般的复合材料及其他材料进行切削加工时会采用的切削参数。

从图1可以看出，在采用上述切削参数时，使用上述三种刀具的切削温度均在40-70℃之间，切削温度较低，切削温度对加工质量影响不大。相比之下，使用HSS钻头时的切削温度高于PCD和硬质合金钻头，后两者的切削温度相差不大。PCD和硬质合金钻头采用转速n＝3000r/min时，改变进给速度的切削温度曲线如图2所示，从图中可看出二者切削温度相近，f＝100mm/min的切削温度略低于f＝50mm/min的切削温度，这是由于当f＝100mm/min时，切削所用时间更短，切削热积累时间较短，因此切削温度略低于f＝50mm/min的切削温度。

采用f＝50mm/min时，改变主轴转速的切削温度曲线如附图3a、3b所示，从图中可看出n＝3000r/min和n＝4000r/min的切削温度相近，均在60-70℃之间。

综上所述，IPA材料的切削温度较低。使用HSS刀具切削温度相对最高，其次为PCD，硬质合金刀具最低，在40-50℃之间，且改变切削参数对切削热影响不大。因此，使用一般切削参数，切削温度较低，对加工质量影响不大。

选用Φ6mm硬质合金麻花钻和Φ8mm硬质合金铣刀分别对IPA材料进行钻孔、铣削加工，然后将钻孔、铣削加工后的刀具在超景深显微镜下进行观察，观察结果如图4a、4b所示，Φ6mm硬质合金麻花钻和Φ8mm硬质合金铣刀仅有轻微磨损，由此推断对于IPA材料的钻孔加工，控制切削温度对于提高IPA材料的加工质量具有重要意义。

因此，从加工表面质量，刀具磨损度、切削温度等综合要素评价，确定选用硬质合金刀具进行IPA热防护层及叠层加工。

S2：IPA热防护层加工切削力参数的确定：

具体的，通过调整无机酚醛气凝胶机械加工时的切削参数，同时尽可能的提高主轴的转速从而使切削速度达到一定程度，以抑制毛刺。经过采用不同的切削参数得知，在进给速度为100mm/min时，转速n＝2000r/min时的轴向力最小，均可将切削力控制在小于粘合力20％-40％范围内，此时，产品的表面加工质量最高；粘接面积低于不影响粘接强度的最小粘接面积时，采用降低切宽或切深的方法减小切削力。

1)叠层钻孔加工时切削力参数的确定：由于复合材料钻孔加工过程中，轴向力占比重最大，而且轴向力对加工缺陷、刀具磨损影响最大，因此本申请主要考察加工参数对钻削轴向力的影响。

在进给速度一定的条件下，改变主轴转速，轴向力如图5a所示，从图中可看出，采用f＝100mm/min，n＝2000r/min时，轴向切削力相对最小，n＝1000r/min、3000r/min、4000r/min时，轴向切削力略有增加，但变化不大。

在主轴转速一定的条件下，改变进给速度，轴向力如图5b所示。从图中可看出，采用n＝3000/min，f＝50mm/min时，钻孔时间最长，但轴向切削力最小，进给速度增大时，轴向力随之增大。

在主轴转速和进给速度一定的条件下，分别使用不同材料刀具的切削，轴向力曲线如图5c所示，从图中可看出，使用PCD，高速钢和硬质合金刀具时轴向切削力相近，硬质合金刀具略低。

综上所述，IPA材料的轴向力较小，在进给速度为100mm/min，n＝2000r/min时的轴向力最小，主轴转速增大，轴向力随之增大。主轴转速一定时，进给速度越大，轴向力越大。使用PCD、硬质合金，高速刚刀具时的轴向力相近，硬质合金略低。

由于叠层的钻孔加工需一次加工到位，参考IPA钻削与铝合金钻削工艺需求，同时尽可能的提高转速从而使切削速度达到一定程度，以抑制毛刺，因此选取进给速度为F50，转速为S800的工艺参数进行叠层的钻孔加工，实际产品加工效果较好。

2)铣削加工时切削力参数的确定：选用常用的立铣刀Φ10R0，Φ10R5对IPA热防护层本体进行铣削，测出不同切宽下径向和轴向的切削力，如表1所示。

表1不同切宽条件下铣削加工的切削力

拟认定IPA胶层的拉剪强度为2MPa＝2N/mm²，切削力在粘合力的20-60％范围内，铣削将不对胶层强度造成影响。取上表x，y方向最大径向力，计算切削参数对应的最小粘接面积数据如表2所示。

表2切削参数对应的最小粘合面积

综上所述，因切削力较小，对整体粘接或共固化后的IPA热防护层及叠层加工，均可将切削力控制在小于粘合力20％-40％范围内，如果粘接面积低于不影响粘接强度的最小粘接面积时，可采用降低切宽或切深的方法减小切削力。

S3：按照上述步骤S1、S2中确定的加工参数对热防护层进行加工，加工过程中根据上述步骤S1、S2中的试验结果对IPA机加方法进行进一步的工艺优化，包括确定将IPA产品通过卧式加工的形式，并明确所有加工过程都采用顺铣，减小加工过程中的震动；并且采用从外向内的加工方式，避免出现向外的力使涂层脱粘。加工时，在热防护层靠近加工部位增加辅助紧固随形工装和卡箍，卡箍和随形工装内侧用橡胶或柔软材料进行保护，一方面增加防热层刚性，另一方面减小切削力可能对防护层造成的影响。

叠层钻孔时，钻头先穿过复合材料层、再穿过铝合金层，宏观上不区分加工界面；但在具体钻孔时，钻头采用“啄钻”方式进给，即每向下3mm然后退刀排屑，再切削3mm然后再退，如此不断循环直到钻至底部。通过这种断续进刀的方式，一方面可以降低连续切削的热量，另一方面可以将切屑由连续长切屑变为断续切屑，防止切屑太长划伤已加工的工件表面。

实施例1：

以某舱段产品IPA外防热层的机械加工为例，此舱段产品经IPA外防热层包覆后的加工状态为舱段前后各有15-20毫米的IPA延长段，需加工此延长段使IPA与金属表面齐平。

某舱段产品IPA外防热层的机械加工方法包括：

1)加工设备的选择：

采用6米龙门加工中心，配第四轴数控转台和直角铣头。

2)加工流程：

随形工装的装夹：用自制垫铁垫金属表面，根据其内腔特征进行固定装夹。采用铣刀底齿进行铣削加工，加工两端面的IPA外防热层，使其与金属端面接平。

铣刀刀具的选择及加工参数：选用Ф20铝用铣刀，进给速度为F3000，转速为S3000，切深为0.5，双向铣削加工。

零件保护：加工时严禁油、液、气，用专用除尘设备。

在加工过程中，优化切削参数：减小进给速度，减少切深，以降低切削过程的切削力，减小加工过程中的震动；热防护层靠近加工部位增加辅助紧固随形工装和卡箍，卡箍和随形工装内侧用橡胶或柔软材料进行保护，一方面增加防热层刚性，另一方面减小切削力可能对防护层造成的影响。明确所有加工过程都采用顺铣，并且采用从外向内的加工方式，避免出现向外的力使涂层脱粘。

叠层钻孔时，钻头先穿过复合材料层、再穿过铝合金层，宏观上不区分加工界面；但在具体钻孔时，钻头采用“啄钻”方式进给，即每向下3mm然后退刀排屑，再切削3mm然后再退，不断循环直到底部，通过这种断续进刀的方式，一方面可以降低连续切削的热量，另一方面可以将切屑由连续长切屑变为断续切屑，防止切屑太长划伤已加工表面。

由于无机酚醛气凝胶的特殊结构，本申请通过研究对无机酚醛气凝胶特殊结构材料在机械加工性能上的影响，为新型高效轻质的防隔热一体化烧蚀材料的机械加工方法提供了理论借鉴。

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 (6)

1.一种无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：无机酚醛气凝胶热防护层加工切削刀具与切削温度参数的选择：使用切削参数，选用硬质合金刀具进行无机酚醛气凝胶热防护层及叠层加工；

S2：无机酚醛气凝胶热防护层加工切削力参数的确定：通过调整无机酚醛气凝胶机械加工时的切削参数，以切削力小于粘合力的20%-40%标准，来确定切削力参数，选取进给速度为F50，转速为S800工艺参数进行叠层钻孔加工；

S3：按照步骤S1、S2中确定的加工参数对热防护层进行加工，加工过程中对加工参数进行优化，包括确定将产品通过卧式加工的形式，并明确所有加工过程都采用顺铣，减小加工过程中的震动；并且采用从外向内的加工方式。

2.根据权利要求1所述的无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法，其特征在于：步骤S1中，通过不同刀具对无机酚醛气凝胶进行机械加工试验，从加工表面质量，刀具磨损度、切削温度综合要素评价，来确定切削刀具与切削温度参数。

3.根据权利要求2所述的无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法，其特征在于：切削力小于粘合力20%-40%时，粘接面积低于不影响粘接强度的最小粘接面积时，采用降低切宽或切深的方法减小切削力。

4.根据权利要求2或3所述的无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法，其特征在于：步骤S2中，叠层钻孔时，每向下3mm然后退刀排屑，再切削3mm然后再退，不断循环直到底部。

5.根据权利要求1所述的无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法，其特征在于：步骤S3中，参数优化包括减小进给速度、减少切深。

6.根据权利要求4所述的无机酚醛气凝胶热防护层的加工方法，其特征在于：热防护层靠近加工部位增加辅助紧固随形工装和卡箍，卡箍和随形工装内侧用柔软材料进行保护。

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