CN112496680B - 一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，在体积分数高于50％的铝基碳化硅材料上加工标准规格的螺纹孔，利用基于多维超声振动的铣磨一体复合加工方法，充分将难加工材料的优势加工方法磨、超声振动加工与螺纹的高精度铣削加工方法相结合，通过刀具设计和工艺参数优化，减轻目前加工技术中因加工过程中的SiC颗粒脱落、破碎等原因造成的不利的加工影响，提升螺纹加工质量与效率。

Description

一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法

技术领域

本发明属于精密加工领域，涉及一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，尤其涉及一种SiC体积分数高于50％的铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法。

背景技术

铝基碳化硅(SiCp/Al)是兼具铝基体和SiC颗粒增强项优良性能的的一种颗粒增强金属基复合材料，具有高比强度和比模量、耐高温、耐磨、低热膨胀系数等优良特性，在航空航天、武装装备等领域具有迫切的应用需求和广阔应用前景。但随着SiC体积分数的不断增加，材料的硬度、脆性、耐磨性能也随之增加，这使得SiC体积分数高于50％以上的SiCp/Al成为一种典型的难加工材料。SiCp/Al材料中因含有较硬的SiC增强颗粒，在切削刀刃的作用下一般会发生颗粒粘、几个相邻颗粒在相互作用下的整体脱落、颗粒压入基体和颗粒碎裂，造成加工过程中刀具钝化、磨损剧烈，零件表面完整性差、甚至存在潜在裂纹，加工中能出现烧伤、崩边、开裂等突出问题的发生。

螺纹孔是机械零件的典型特征，目前在现有技术中通常采用钻孔+攻丝的方式进行加工，攻丝的手段主要分为丝锥攻丝和螺纹铣削两种方式。由于螺纹孔空间封闭、结构复杂，高体分SiCp/Al材料硬度高、脆性大，在利用现有技术加工过程中，存在刀具磨损剧烈、螺孔崩牙崩边、精度和螺牙齿形精度难以保证、螺牙强度不足、加工效率低等突出问题，严重影响产品的加工质量与效率。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法。

本发明的技术解决方案是：

一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，该方法的步骤包括：

步骤一，对高体分铝基碳化硅材料进行粗加工及高温退火热处理；

步骤二，对步骤一处理后的材料进行半精加工，半精加工时，除加工零件外形外，还利用机床钻孔功能加工螺纹底孔，并利用超声振动设备附加纵向往复微小振动；

步骤三、零件半精加工完成后，进行去应力退火处理，消除加工应力；

步骤四、利用铣磨刀具进行螺纹切削加工；

刀具基体采用钢材或合金钢，在刀体及切削刃上利用铜基结合剂烧结磨料，磨粒选择人造金刚石，金刚石粒度选

刀具末端开有对称斜槽，刀具搭载在常用的超声纵振换能器上，通过对称斜槽转换作用，将纵向振动转换为纵向振动与扭转振动两种振动叠加状态；纵向振动仍沿着刀具轴向，扭转振动以刀具轴线为中心沿着刀具圆周方向振动，通过变幅杆对振动幅度放大，两种叠加的振动能够传递到刀具末端；

步骤五、基于机床铣削功能设计螺纹加工刀具轨迹；

所述刀具轨迹包括刀具的切入、切出圆弧参数，在螺旋铣磨过程中，刀具绕孔中心旋转一周的同时沿轴向进给，将螺纹大径D处的圆柱面展开，刀具尖端上任意一点运动轨迹为斜向下的一条直线；

步骤六、通过机床设备螺旋差补功能形成步骤五所述的刀具轨迹，完成螺纹外形加工。

所述高体分铝基碳化硅材料是指SiC体积分数高于50％的铝基碳化硅材料。

所述步骤二中，利用超声振动设备附加的为15～20KHz的纵向往复微小振动。

所述步骤四中，刀具砂轮磨削部分形貌与螺纹牙形相同。

所述步骤五中，刀具直径的一半与螺纹大径相等。

所述步骤六中，铣磨刀具在进行高速旋转的同时，纵向振动仍在竖直方向振动，振动方程为：

扭转振动变为横向振动，振动方程为：

公式中A为纵向振动幅值，B为扭转振动幅值，ω₁为纵向振动角频率，ω₂为扭转振动角频率，

为纵向振动运动初始相位、

为扭转振动运动初始相位，ω₁＝ω₂、

纵向振动和扭转振动为一直线。

当

时，振动方向与刀具进给方向一致，其中P为螺距。

在实现螺纹切削的同时，对加工表面进行往复的微量磨削，能够提高牙型表面质量。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明针对目前的高体分铝基碳化硅螺纹孔加工中中存在的螺孔崩牙崩边、精度和螺牙齿形精度难以保证的问题，提供了一种可以提高螺纹孔加工质量的方法。通过设计专用的刀具及工艺参数，将铣、磨、超声振动集合于一体，完成螺纹的高质量、高效率加工。

利用本发明方法，能够使加工表面质量得到有效地保证。铣磨刀具对螺牙进行铣外形加工时，通过附加纵扭复合振动，改善刀具与孔底部、孔壁间的接触状态减缓刀具的磨损，同时利用金刚石磨励对加工表面进行微量磨削处理，进一步提升螺牙表面加工质量和螺牙齿形精度。

附图说明

图1为超声纵扭复合振动示意图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步阐述。

高体分SiCp/Al材料具有典型的硬脆特征，针对目前现有技术，小孔钻削中出口崩边现象严重、螺纹加工因颗粒脱落造成较大面积的表面缺陷等问题，本发明提供一种基于多维超声振动的铣磨一体复合加工方法，通过刀具设计和工艺参数优化减轻不利的加工状态，提升螺纹加工质量与效率。

本发明方法的基本思路在于：螺纹孔在多维超声振动机床上利用铣磨刀具进行加工，加工过程中依靠铣削加工的刀具路径设计完成螺纹加工，利用铣磨刀具上的磨粒微切削功能对加工的内螺纹表面进行表面光整与强化处理，通过超声振动机床附加纵扭复合振动，使刀具沿螺牙切线方向做往复微小振动，改善刀具与孔底部、孔壁间的接触状态减缓刀具的磨损，使刀具保持锋利的切削状态，提高切削的瞬时速度，同时实现对螺牙表面的反复微小磨削处理，可有效改善因SiCp/Al材料中增强颗粒的脱粘脱落等造成的表面质量缺陷。

其基本技术方案如下：

(1)对SiC体积分数高于50％的铝基碳化硅材料进行粗加工，为防止零件因残余应力后续产生较大变形，对零件高温退火热处理。

(2)对零件进行半精加工。除加工零件外形外，利用机床钻孔功能加工螺纹底孔，加工过程中选用钻头钻削加工，同时将其搭载在常用的超声纵振换能器上，并利用超声振动设备附加15～20KHz的纵向往复微小振动，减缓刀具磨损，减少SiC颗粒拔出或脱落现象发生，避免底孔孔口出现崩边现象，加工过程中注意及时排屑。

(3)零件完成半精加工后进行去应力退火处理，消除加工应力。

(4)零件精加工，除加工零件外形外，在高精度尺寸精加工前，基于螺纹底孔对螺纹进行铣磨一体化加工。加工中选用烧结优质人造金刚石的钢材或合金刀具，刀具沿螺旋线加工轨迹利用机床螺旋差补功能完成螺纹外形加工，同时加工过程中利用机床附加的超声振动设备附加纵向微小振动及周向微小振动，在进行螺纹铣削加工的同时，刀具上的人造金刚磨粒沿螺牙方向做往复微小磨削运动，改善刀具与孔底部、孔壁间的接触状态减缓刀具的磨损，提高铣磨刀具铣削加工的瞬时速度，同时实现对螺纹加工表面的微小磨削，提高表面质量。

具体地，利用铣磨刀具进行螺纹切削加工，刀具基体采用钢材或合金钢，在刀体及切削刃上利用铜基结合剂烧结磨料，磨粒选择优质人造金刚石，金刚石粒度选

砂轮磨削部分形貌与螺纹牙形相同，刀具在末端开有对称斜槽，将其搭载在常用的超声纵振换能器上，通过对称斜槽转换作用，将纵向振动转换为纵向振动与扭转振动两种振动叠加状态。纵向振动仍沿着刀具轴向，扭转振动以刀具轴线为中心沿着刀具圆周方向振动，通过变幅杆对振动幅度放大，两种叠加的振动传递到刀具末端。

基于机床铣削功能设计螺纹加工刀具轨迹，设定刀具的切入、切出圆弧参数，一般采用螺纹大径与刀具直径的一半相等，保证刀具下刀、抬刀时不产生干涉，且能完全退出牙形；在螺旋铣磨过程中，刀具绕孔中心旋转一周的同时沿轴向进给，将螺纹大径D处的圆柱面展开，刀具尖端上任意一点运动轨迹为斜向下的一条直线。

通过机床设备螺旋差补功能形成的刀具运动轨迹完成螺纹外形加工。铣磨刀具在进行高速旋转的同时，纵向振动仍在竖直方向振动，振动方程为：

扭转振动在展开右侧图中变为横向振动，振动方程为：

公式中A、B为振动幅值，ω₁、ω₂为振动角频率，

为运动初始相位。由于这两种振动是由同一个振动分解形成，故ω₁＝ω₂、

因此这两种振动为一直线。砂轮磨削部分形貌与螺纹牙形相同，故当

时(P为螺距)，振动方向与刀具进给方向一致，在实现螺纹切削的同时，对加工表面进行往复的微量磨削，提高牙型表面质量。如图1所示为超声纵扭复合振动示意图。

随着新一代空/天/地武器装备的轻量化需求，高强轻质的高体分铝基碳化硅具有广阔的应用前景。螺纹作为典型连接与传动装置在机械产品中的具有广泛地应用。本发明的发明适用于高体分铝基碳化硅螺纹孔的精密加工，具有较高的应用前景。可应用于航空航天、武器装备等各领域同类材料产品中的螺纹孔加工。

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 (8)

1.一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，其特征在于该方法的步骤包括：

步骤一，对高体分铝基碳化硅材料进行粗加工及高温退火热处理；

步骤二，对步骤一处理后的材料进行半精加工，半精加工时，除加工零件外形外，还利用机床钻孔功能加工螺纹底孔，并利用超声振动设备附加纵向往复微小振动；

步骤三、零件半精加工完成后，进行去应力退火处理，消除加工应力；

步骤四、利用铣磨刀具进行螺纹切削加工；

刀具基体采用钢材，在刀体及切削刃上利用铜基结合剂烧结磨料，磨粒选择人造金刚石，金刚石粒度选W0.5～W5，刀具末端开有对称斜槽，刀具搭载在超声纵振换能器上，通过对称斜槽转换作用，将纵向振动转换为纵向振动与扭转振动两种振动叠加状态；纵向振动仍沿着刀具轴向，扭转振动以刀具轴线为中心沿着刀具圆周方向振动，通过变幅杆对振动幅度放大，两种叠加的振动能够传递到刀具末端；

步骤五、基于机床铣削功能设计螺纹加工刀具轨迹；

所述刀具轨迹包括刀具的切入、切出圆弧参数，在螺旋铣磨过程中，刀具绕孔中心旋转一周的同时沿轴向进给，将螺纹大径D处的圆柱面展开，刀具尖端上任意一点运动轨迹为斜向下的一条直线；

步骤六、通过机床设备螺旋差补功能形成步骤五所述的刀具轨迹，完成螺纹外形加工。

2.根据权利要求1所述的一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，其特征在于，所述高体分铝基碳化硅材料是指SiC体积分数高于50％的铝基碳化硅材料。

3.根据权利要求1所述的一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，其特征在于，所述步骤二中，利用超声振动设备附加的为15～20KHz的纵向往复微小振动。

4.根据权利要求1所述的一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，其特征在于，所述步骤四中，刀具砂轮磨削部分形貌与螺纹牙形相同。

5.根据权利要求1所述的一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，其特征在于，所述步骤五中，刀具直径的一半与螺纹大径相等。

6.根据权利要求5所述的一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，其特征在于，所述步骤六中，铣磨刀具在进行高速旋转的同时，纵向振动仍在竖直方向振动，振动方程为：Y＝Asin(ω₁t+φ₁)，扭转振动变为横向振动，振动方程为：X＝Bsin(ω₂t+φ₂)，公式中A为纵向振动幅值，B为扭转振动幅值，ω₁为纵向振动角频率，ω₂为扭转振动角频率，φ₁为纵向振动运动初始相位、φ₂为扭转振动运动初始相位，ω₁＝ω₂、φ₁＝φ₂，纵向振动和扭转振动为一直线。

7.根据权利要求6所述的一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，其特征在于，当

时，振动方向与刀具进给方向一致，其中P为螺距。

8.根据权利要求7所述的一种高体分铝基碳化硅螺纹孔复合加工方法，其特征在于，在实现螺纹切削的同时，对加工表面进行往复的微量磨削，能够提高牙型表面质量。

Images