CN112356313B - 一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，属于复合材料机械加工领域；包括如下步骤：步骤一、制作用于陶瓷基复合材料微细内螺纹车削加工的聚晶金刚石刀具；步骤二、通过聚晶金刚石刀具，采用变转速与变切深的刀路粗加工微细内螺纹；步骤三、通过聚晶金刚石刀具，精加工微细内螺纹，成型；本发明通过低损伤车削刀具设计及车削加工工艺参数优化，陶瓷基复合材料微细内螺纹的牙型保持率、产品合格率及加工效率得到显著提高，更好的满足了螺纹连接件产品高精密、低损伤和高效率的迫切加工需求。

Description

一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法
技术领域
本发明属于复合材料机械加工领域，涉及一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法。
背景技术
近年来，陶瓷基复合材料螺纹连接结构件在工程上得到了广泛的应用和发展。为了联接和固定各种结构，经常需要在材料结构上采用大量的螺纹联接。在大型结构的应用中，复合材料的连接技术尤其是复合材料螺纹紧固技术成为制造高可靠性大型构件的关键技术之一。相对于金属紧固件，复合材料螺纹紧固件可以在高温氧化环境中保持较好的刚度和强度，而且能更好的匹配材料相同的复合材料结构件。随着复合材料螺纹紧固件研究和制造技术的成熟，逐渐代替高温合金成为高温结构连接的紧固件。
复合材料螺纹的几何参数如螺纹牙型、螺纹直径、有效长度以及螺栓光杆部分的直径和螺纹的成型方法与螺栓强度有很大影响。虽然复合材料具有优异的热物理性能，然而其独特的非均质性、各向异性等特点，导致在钻孔、螺纹加工等过程中极易产生无法修复多尺度加工损伤，给高端空天装备的高可靠、长寿命的使役性能带来安全隐患。目前并没有合适的螺纹加工方法，可以减少材料损伤，提高螺纹的表面质量，从而提高螺纹使用寿命。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，通过低损伤车削刀具设计及车削加工工艺参数优化，陶瓷基复合材料微细内螺纹的牙型保持率、产品合格率及加工效率得到显著提高，更好的满足了螺纹连接件产品高精密、低损伤和高效率的迫切加工需求。
本发明解决技术的方案是：
一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，包括如下步骤：
步骤一、制作用于陶瓷基复合材料微细内螺纹车削加工的聚晶金刚石刀具；
步骤二、通过聚晶金刚石刀具，采用变转速与变切深的刀路粗加工微细内螺纹；
步骤三、通过聚晶金刚石刀具，精加工微细内螺纹，成型。
在上述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，所述步骤一中，聚晶金刚石刀具的制作方法为：
制作刀头和刀体，并将刀头焊接在刀体上；其中刀头采用聚晶金刚石材料；刀体采用K10的硬质合金材料。
在上述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，所述刀头为水平放置的块状结构；刀头的后角a为10°，刀头的前角为0°，刀头的刃倾角为0°；刀头的轴向前端沿竖直方向设置有向后端的倾角b，倾角b为7°；刀头的刀尖角c为60°；且刀头的主偏角和副偏角均为60°；刀头的刀尖处设置有倒圆，倒圆半径r为0.11mm；所述刀头的刀尖处距刀体轴线的水平距离d为4mm；刀头的刀尖伸出长度e为1mm。
在上述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，所述刀体为变径柱状结构；刀体的大径柱段直径L1为10mm；刀体的小径柱段直径L2为7mm；刀体的大径柱段与小径柱段对接处设置有椎体过渡段，椎体过渡段的夹角f为90°；刀头安装在刀体小径柱段的头端，且刀头外端面与刀体的大径柱段轴向端面的距离g大于16mm。
在上述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，所述步骤二中，粗加工微细内螺纹加工的切削用量为：直线插补内公差与外公差均为0.03mm，进给量为微细内螺纹连接产品的螺距，旋转方向为正方向。
在上述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，所述步骤二中，整个车削过程分为余量去除阶段和螺纹成形阶段；
余量去除阶段时，刀路数为8-14，转速为300-500r/min，切削深度为0.04-0.08mm；
螺纹成形阶段时，刀路数为2-4，转速为500-700r/min，切削深度为0.01-0.02mm。
在上述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，所述步骤三中，细加工微细内螺纹加工的切削用量为：直线插补内公差与外公差均为0.005mm，进给量为微细内螺纹连接产品的螺距，旋转方向为正方向，刀路数为1-4，转速为500-700r/min，切削深度为0.001-0.002mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明针对陶瓷基复合材料微细内螺纹加工中存在螺纹牙型损伤较严重、牙型保持率过低等问题，通过设计制备的陶瓷基复合材料微细内螺纹加工的聚晶金刚石(PCD)刀具，并根据实验数据优化刀具的材料、结构参数，使所制备的刀具与陶瓷基复合材料产品的微细内螺纹有优良的匹配性，进而获得满足表面完整性要求、大幅提高牙型保持率的微细内螺纹连接产品；
(2)本发明根据实验的大数据设计了车削的工艺参数，并对车削的工艺参数进行了变转速、变切深的优化，避免了切削力对微细内螺纹螺牙的损伤，采用优化后的工艺加工的螺纹牙型保持率≥95％。
附图说明
图1为本发明微细内螺纹低损伤车削流程图；
图2为本发明聚晶金刚石刀具轴向侧视图；
图3为本发明聚晶金刚石刀具主视图；
图4为本发明刀头俯视图；
图5为本发明聚晶金刚石刀具俯视图；
图6为本发明微细内螺纹成型示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，针对高硬度、高耐磨性、非均质和各向异性等陶瓷基复合材料的难加工特性，首先在刀具材料和结构两方面设计出适用于陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削加工专用刀具；其次，通过设计并优化陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削加工工艺及切削参数。通过低损伤车削刀具设计及车削加工工艺参数优化，陶瓷基复合材料微细内螺纹的牙型保持率、产品合格率及加工效率得到显著提高，更好的满足了螺纹连接件产品高精密、低损伤和高效率的迫切加工需求。
陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤一、制作用于陶瓷基复合材料微细内螺纹车削加工的聚晶金刚石刀具；聚晶金刚石刀具的制作方法为：
制作刀头和刀体，并将刀头焊接在刀体上；其中刀头采用聚晶金刚石材料；刀体采用K10的硬质合金材料。如图2、图3、图4、图5所示，刀头为水平放置的块状结构；刀头的后角a为10°，刀头的前角为0°，刀头的刃倾角为0°；刀头的轴向前端沿竖直方向设置有向后端的倾角b，倾角b为7°；刀头的刀尖角c为60°；且刀头的主偏角和副偏角均为60°；刀头的刀尖处设置有倒圆，倒圆半径r为0.11mm；所述刀头的刀尖处距刀体轴线的水平距离d为4mm；刀头的刀尖伸出长度e为1mm。
刀体为变径柱状结构；刀体的大径柱段直径L1为10mm；刀体的小径柱段直径L2为7mm；刀体的大径柱段与小径柱段对接处设置有椎体过渡段，椎体过渡段的夹角f为90°；刀头安装在刀体小径柱段的头端，且刀头外端面与刀体的大径柱段轴向端面的距离g大于16mm。
步骤二、通过聚晶金刚石刀具，采用变转速与变切深的刀路粗加工微细内螺纹；粗加工微细内螺纹加工的切削用量为：直线插补内公差与外公差均为0.03mm，进给量为微细内螺纹连接产品的螺距，旋转方向为正方向。整个车削过程分为余量去除阶段和螺纹成形阶段；
余量去除阶段时，刀路数为8-14，转速为300-500r/min，切削深度为0.04-0.08mm；
螺纹成形阶段时，刀路数为2-4，转速为500-700r/min，切削深度为0.01-0.02mm。
步骤三、通过聚晶金刚石刀具，精加工微细内螺纹，成型。细加工微细内螺纹加工的切削用量为：直线插补内公差与外公差均为0.005mm，进给量为微细内螺纹连接产品的螺距，旋转方向为正方向，刀路数为1-4，转速为500-700r/min，切削深度为0.001-0.002mm。
实施例
加工对象为陶瓷基复合材料M10×1.5-6H内螺纹产品。
(1)设计并制备陶瓷基复合材料微细内螺纹加工的聚晶金刚石(PCD)刀具。其中，车刀刀头为PCD材料，刀体为K10硬质合金材料，通过焊接牢固可靠。内螺纹车刀总长90mm，刀体直径为10mm，刀体长72mm；刀尖到刀具轴线距离为4mm，刀尖圆角R＝0.11mm。
(2)利用陶瓷基复合材料微细内螺纹加工的聚晶金刚石(PCD)刀具根据内螺纹车削工艺粗加工螺纹，切削用量为：直线插补内公差与外公差均为0.03mm，进给量为微细内螺纹连接产品的螺距，旋转方向为正方向。将整个车削过程分为余量去除与螺纹成形两个阶段并采取变转速和变切深的刀路设计方法，余量去除车削阶段的刀路数为12，转速为300r/min，切削深度为0.06mm。螺纹成形车削阶段的刀路数为3，转速为500r/min，切削深度为0.01mm。
(3)利用陶瓷基复合材料微细内螺纹加工的聚晶金刚石(PCD)刀具根据内螺纹车削工艺精加工螺纹，切削用量为：直线插补内公差与外公差均为0.005mm，进给量为微细内螺纹连接产品的螺距，旋转方向为正方向，刀路数为2，转速为700r/min，切削深度为0.002mm。
利用实施例1中微细内螺纹加工方法批量生产，并对其牙型保持率进行检测，结果表明利用该方法生产的陶瓷基复合材料M10×1.5-6H内螺纹连接产品牙型保持率≥95％，如图6所示。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、制作用于陶瓷基复合材料微细内螺纹车削加工的聚晶金刚石刀具；聚晶金刚石刀具的制作方法为：
制作刀头和刀体，并将刀头焊接在刀体上；其中刀头采用聚晶金刚石材料；刀体采用K10的硬质合金材料；
所述刀头为水平放置的块状结构；刀头的后角a为10°，刀头的前角为0°，刀头的刃倾角为0°；刀头的轴向前端沿竖直方向设置有向后端的倾角b，倾角b为7°；刀头的刀尖角c为60°；且刀头的主偏角和副偏角均为60°；刀头的刀尖处设置有倒圆，倒圆半径r为0.11mm；所述刀头的刀尖处距刀体轴线的水平距离d为4mm；刀头的刀尖伸出长度e为1mm；
步骤二、通过聚晶金刚石刀具，采用变转速与变切深的刀路粗加工微细内螺纹；
步骤三、通过聚晶金刚石刀具，精加工微细内螺纹，成型。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，其特征在于：所述刀体为变径柱状结构；刀体的大径柱段直径L1为10mm；刀体的小径柱段直径L2为7mm；刀体的大径柱段与小径柱段对接处设置有椎体过渡段，椎体过渡段的夹角f为90°；刀头安装在刀体小径柱段的头端，且刀头外端面与刀体的大径柱段轴向端面的距离g大于16mm。
3.根据权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，其特征在于：所述步骤二中，粗加工微细内螺纹加工的切削用量为：直线插补内公差与外公差均为0.03mm，进给量为微细内螺纹连接产品的螺距，旋转方向为正方向。
4.根据权利要求3所述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，其特征在于：所述步骤二中，整个车削过程分为余量去除阶段和螺纹成形阶段；
余量去除阶段时，刀路数为8-14，转速为300-500r/min，切削深度为0.04-0.08mm；
螺纹成形阶段时，刀路数为2-4，转速为500-700r/min，切削深度为0.01-0.02mm。
5.根据权利要求4所述的一种陶瓷基复合材料微细内螺纹低损伤车削方法，其特征在于：所述步骤三中，精加工微细内螺纹加工的切削用量为：直线插补内公差与外公差均为0.005mm，进给量为微细内螺纹连接产品的螺距，旋转方向为正方向，刀路数为1-4，转速为500-700r/min，切削深度为0.001-0.002mm。
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