CN111468844A - 一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法及设备 - Google Patents

一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明适用于激光加工技术领域，提供了一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法及设备，该方法包括：根据安装定位孔的定位要求，在金属支撑块上加工通孔；将陶瓷基复合材料装入金属支撑块中部的安装腔内；将金属支撑块固定在定位装置上，并将定位装置放置在激光设备的镜头下方，激光设备发射的激光穿过通孔并聚焦在所述陶瓷基复合材料表面；激光蚀刻陶瓷基复合材料表面形成所述安装定位孔，加工完第一个所述安装定位孔后，所述定位装置带动所述金属支撑块旋转至下一个所述安装定位孔的加工位置进行加工。本发明相对于传统的机械加工方法激光，直接透过金属支撑块的通孔作用于陶瓷基复合材料上，不需要将材料拆分开加工，且易于实现自动化加工。

Description

一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法及设备
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法及设备。
背景技术
陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites，简称CMCs)是指在陶瓷基体中引入作为增韧材料的第二相材料形成多相复合材料。和常规材料相比，陶瓷基复合材料具有巨大的优势，其密度比金属小很多，但强度大、耐磨，尤其是其良好的耐高温、抗高温蠕变性能使其在高温领域的应用越来越广，在航空航天的热端部件上的应用具有巨大的优势，许多国家已将陶瓷基复合材料作为新型的战略材料。碳纤维增强碳化硅(C/C-SiC)复合材料作为新型刹车材料，和传统材料相比，具有磨擦系数稳定、磨擦损耗量小、制动范围大和寿命长等特点，其作为新一代刹车材料具有广阔的应用前景。
碳纤维增强碳化硅复合材料作为新型刹车材料在进行耐磨测试时需要与金属支撑块固定安装，其安装定位孔的加工成为难点，往往需要将金属支撑块和材料分开加工再组装，并且传统的机械加工方法因加工应力的存在可能使复合材料产生裂纹甚至断裂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法及设备，旨在解决现有技术中加工安装定位孔需要将金属支撑块和材料分开加工再组装以及复合材料容易产生裂纹甚至断裂的问题。
本发明实施例第一方面提供了一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，用于加工陶瓷基复合材料上的安装定位孔，所述安装定位孔用于实现陶瓷基复合材料与金属支撑块之间的固定安装，所述方法包括：
根据所述安装定位孔的定位要求，在金属支撑块上加工若干个与所述安装定位孔对应的通孔；
将所述陶瓷基复合材料装入所述金属支撑块中部的安装腔内，所述陶瓷基复合材料抵接所述安装腔的腔壁且所述通孔位于所述腔壁上；
将所述金属支撑块固定在定位装置上，并将所述定位装置放置在激光设备的镜头下方，所述激光设备发射的激光穿过所述通孔并聚焦在所述陶瓷基复合材料表面；
根据预设的激光加工工艺参数和激光加工路径，所述激光蚀刻所述陶瓷基复合材料表面形成所述安装定位孔，加工完第一个所述安装定位孔后，所述定位装置带动所述金属支撑块旋转至下一个所述安装定位孔的加工位置进行加工。
进一步地，所述激光设备为超短脉冲激光器。
进一步地，所述超短脉冲激光器发射的超短脉宽激光波长为1030～1064nm，脉宽为5～25ps。
进一步地，所述根据预设的激光加工工艺参数和激光加工路径，所述激光蚀刻所述陶瓷基复合材料表面形成所述安装定位孔，加工完第一个所述安装定位孔后，所述定位装置带动所述金属支撑块旋转至下一个所述安装定位孔的加工位置进行加工，之前还包括：
根据所述安装定位孔的尺寸和形状，在打标软件上编辑加工图档。
进一步地，加工所述安装定位孔时，根据所述安装定位孔的尺寸大小控制所述激光以多角度填充圆、内缩圆或绕线圆的方式走向从而优化所述安装定位孔的圆度。
进一步地，所述定位装置为定位治具，所述定位治具设置有驱动所述金属支撑块旋转的旋转平台，所述金属支撑块通过气动夹紧的方式固定在所述旋转平台上。
进一步地，所述定位装置为机械手。
进一步地，加工所述安装定位孔时，所述激光设备的激光头随所述安装定位孔深度的增大而逐渐降低，所述激光的焦点始终位于所述陶瓷基复合材料的表面上。
本发明实施例第二方面提供一种应用于上述陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法加工设备，包括：
数控机床，用于在所述金属支撑块上加工若干个所述通孔；
定位装置，用于固定所述金属支撑块；
激光设备，用于发射所述激光并加工所述安装定位孔；
控制器，所述定位装置和所述激光设备分别与所述控制器电连接，所述控制器分别对所述定位装置和所述激光设备进行控制。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明相对于传统的机械加工方法，没有加工刀具的损耗，激光直接透过金属支撑块的孔作用于陶瓷基复合材料上，不需要将材料拆分开加工，且易于实现自动化加工。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明第一实施例的流程步骤示意图；
图2是本发明第一实施例中的陶瓷基复合材料和金属支撑块的结构示意图；
图3是图2的部分剖切示意图。
在附图中，各附图标记表示：
1、金属支撑块；11、通孔；12、腔壁；2、陶瓷基复合材料；21、安装定位孔。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明第一实施例提供了一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，用于加工陶瓷基复合材料2上的安装定位孔21，安装定位孔21用于实现陶瓷基复合材料2与金属支撑块1之间的固定安装。该制作方法的具体步骤如下：
S101、根据安装定位孔21的定位要求，在金属支撑块1上加工若干个与所述安装定位孔21对应的通孔11。
S102、将陶瓷基复合材料2装入金属支撑块1中部的安装腔内，陶瓷基复合材料2抵接安装腔的腔壁12且通孔11位于腔壁12上。
陶瓷基复合材料2上的安装定位孔21与金属支撑块1上的通孔11对应，当安装定位孔21加工完成时，往通孔11内旋入螺钉，螺钉能够分别穿过通孔11以及安装定位孔21，以此实现陶瓷基复合材料2和金属支撑块1的固定安装。
S103、将所述金属支撑块1固定在定位装置上，并将所述定位装置放置在激光设备的镜头下方，所述激光设备发射的激光穿过所述通孔11并聚焦在所述陶瓷基复合材料2表面。
本实施例的激光设备为超短脉冲激光器。优选的，超短脉冲激光器发射的超短脉宽激光波长为1030～1064nm，脉宽为5～25ps。纳秒级脉宽以上的激光主要通过晶格/电子热传导使材料熔化直至汽化将材料去除的方式，不可避免的热影响区、热应变裂纹和熔渣残渣堆积等问题限制了加工精度，而本发明实施例的超短脉冲激光脉宽可小于10ps，小于晶格/电子热传导时间，所以抑制了热效应，可以较好地解决传统激光加工所产生的挂渣、微裂纹以及热影响区等问题。
S104、根据预设的激光加工工艺参数和激光加工路径，激光蚀刻陶瓷基复合材料2表面形成安装定位孔21，加工完第一个安装定位孔21后，定位装置带动金属支撑块1旋转至下一个安装定位孔21的加工位置进行加工。
在其中一种实施方式中，定位装置为定位治具，定位治具设置有驱动金属支撑块1旋转的旋转平台，金属支撑块1通过气动夹紧的方式固定在旋转平台上。当加工完第一个安装定位孔21后旋转平台驱动金属支撑块1旋转至下一个安装定位孔21的加工位置进行加工，以此将剩余的安装定位孔21加工完成。在另一种实施方式中，定位装置为机械手，通过机械手抓取金属支撑块1的方式，也可以改变金属支撑块1的位置，从而对剩余的安装定位孔21进行加工。
另外，本实施例加工安装定位孔21时，激光设备的激光头随安装定位孔21深度的增大而逐渐降低，使得激光的焦点始终位于陶瓷基复合材料2的表面上。本实施例的激光加工工艺参数中，功率控制在60％～100％，打标速度为50mm/s～300mm/s,频率控制在300KHZ～500KHZ范围中，通过控制激光打孔参数可加快打孔效率。
优选的，在步骤S104之前，还包括：根据安装定位孔21的尺寸和形状，在打标软件上编辑加工图档。可选的，在打标软件上编辑加工图档，可以在步骤S101之前，也可以在步骤S101和步骤S102之间、步骤S102和步骤S103之间或步骤S103和步骤S104之间完成，本实施例对此不做限制。优选的，本实施加工安装定位孔21时，根据安装定位孔21的尺寸大小控制激光以多角度填充圆、内缩圆或绕线圆的方式走向从而优化安装定位孔21的圆度。
进一步地，本发明第二实施例提供一种应用于上述陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法加工设备，包括：
数控机床，用于在所述金属支撑块1上加工若干个所述通孔11；
定位装置，用于固定所述金属支撑块1；
激光设备，用于发射所述激光并加工所述安装定位孔21；
控制器，所述定位装置和所述激光设备分别与所述控制器电连接，所述控制器分别对所述定位装置和所述激光设备进行控制。
本发明实施例相对于传统的机械加工方法，没有加工刀具的损耗，激光直接透过金属支撑块1的孔作用于陶瓷基复合材料2上，不需要将材料拆分开加工，且易于实现自动化加工。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，用于加工陶瓷基复合材料(2)上的安装定位孔(21)，所述安装定位孔(21)用于实现陶瓷基复合材料(2)与金属支撑块(1)之间的固定安装，其特征在于，包括以下步骤：
根据所述安装定位孔(21)的定位要求，在所述金属支撑块(1)上加工若干个与所述安装定位孔(21)对应的通孔(11)；
将所述陶瓷基复合材料(2)装入所述金属支撑块(1)中部的安装腔内，所述陶瓷基复合材料(2)抵接所述安装腔的腔壁(12)且所述通孔(11)位于所述腔壁(12)上；
将所述金属支撑块(1)固定在定位装置上，并将所述定位装置放置在激光设备的镜头下方，所述激光设备发射的激光穿过所述通孔(11)并聚焦在所述陶瓷基复合材料(2)表面；
根据预设的激光加工工艺参数和激光加工路径，所述激光蚀刻所述陶瓷基复合材料(2)表面形成所述安装定位孔(21)，加工完第一个所述安装定位孔(21)后，所述定位装置带动所述金属支撑块(1)旋转至下一个所述安装定位孔(21)的加工位置进行加工。
2.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，其特征在于，所述激光设备为超短脉冲激光器。
3.如权利要求2所述的陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，其特征在于，所述超短脉冲激光器发射的超短脉宽激光波长为1030～1064nm，脉宽为5～25ps。
4.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，其特征在于，所述根据预设的激光加工工艺参数和激光加工路径，所述激光蚀刻所述陶瓷基复合材料(2)表面形成所述安装定位孔(21)，加工完第一个所述安装定位孔(21)后，所述定位装置带动所述金属支撑块(1)旋转至下一个所述安装定位孔(21)的加工位置进行加工，之前还包括：
根据所述安装定位孔(21)的尺寸和形状，在打标软件上编辑加工图档。
5.如权利要求4所述的陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，其特征在于，加工所述安装定位孔(21)时，根据所述安装定位孔(21)的尺寸大小控制所述激光以多角度填充圆、内缩圆或绕线圆的方式走向从而优化所述安装定位孔(21)的圆度。
6.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，其特征在于，所述定位装置为定位治具，所述定位治具设置有驱动所述金属支撑块(1)旋转的旋转平台，所述金属支撑块(1)通过气动夹紧的方式固定在所述旋转平台上。
7.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，其特征在于，所述定位装置为机械手。
8.如权利要求1所述的陶瓷基复合材料安装定位孔的加工方法，其特征在于，加工所述安装定位孔(21)时，所述激光设备的激光头随所述安装定位孔(21)深度的增大而逐渐降低，所述激光的焦点始终位于所述陶瓷基复合材料(2)的表面上。
9.一种陶瓷基复合材料安装定位孔的加工设备，应用于权利要求1至8中任意一项所述的陶瓷基复合材料(2)安装定位孔(21)的加工方法，其特征在于，包括：
数控机床，用于在所述金属支撑块(1)上加工若干个所述通孔(11)；
定位装置，用于固定所述金属支撑块(1)；
激光设备，用于发射所述激光并加工所述安装定位孔(21)；
控制器，所述定位装置和所述激光设备分别与所述控制器电连接，所述控制器分别对所述定位装置和所述激光设备进行控制。
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