CN112658819A - 一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法，属于钻削加工技术领域；将SiCf/SiC陶瓷基复材切割成需要的尺寸后，将超声振动加工系统与三坐标轴数控铣床连接；选择空心钎焊金刚石磨头，并将该刀具安装在超声刀柄上；根据主轴转速、进给速度、超声振频及刀具端面的磨粒数，调整振幅到需要的参数；对安装好的SiCf/SiC陶瓷基复材进行超声振动辅助钻削工艺试验，得到钻削加工切削参数；在试件上按照试验结果得到的最佳工艺参数进行超声振动钻削加工。采用本发明的加工方法可以完成了在SiCf/SiC陶瓷基复材上进行钻削加工的目标，且尺寸精度和形状精度满足设计要求。
Description
技术领域
本发明属于钻削加工技术领域，具体涉及一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法。
背景技术
SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC陶瓷基复材)是一种新型纤维增强 陶瓷基复合材料，具有密度低(仅为高温合金的1/3～1/4)、工作温度高(可达1200℃ 以上)、比强度和比刚度随温度上升而增高、高强度、高模量、抗蠕变、耐腐蚀的特 性，在先进航空发动机热端部件、高超音速飞行器热防护系统、汽车刹车系统等高端 工业领域具有广泛的应用前景。但是，SiCf/SiC陶瓷基复材硬度大、脆性大的特点使 其在机械加工中成为一种难加工材料。因此，使用传统钻削加工方法难以进行SiCf/SiC 陶瓷基复材钻削加工。
Weinert K等研究人员的Ceramic Matrix Composites:Fiber ReinforcedCeramics and Their Applications专著采用连续刃刀具对C/SiC复合材料进行了加 工试验，发现连续刃工具在加工初始阶段即出现了严重的磨损，导致加工无法继续。 O.GavaldaDiaz等研究人员在Composites Part B Engineering,2018, 148B(SEP.):217-226中发表的论文“Probabilistic modelling of tool unbalance during cutting of hard-heterogeneous materials:A case study in Ceramic Matrix Composites(CMCs)”中认为由于材料的各向异性和高硬度以及刀具的低刚性，加工 CMCs时刀具易过早损坏，导致无法在CMCs上进行孔加工。
以上两篇文章中，对SiCf/SiC陶瓷基复材进行钻削加工均存在无法进行CMCs孔加工的问题。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法，实现SiCf/SiC陶瓷基复材钻削加工。超声振动辅助钻削加工是指将 超声振动与钻削加工进行复合，在切削中刀具与工件相对运动的基础上，将外激周期 振动加载到刀具或工件上，通过合理的选择加工参数来提高刀具寿命。该方法在 SiCf/SiC陶瓷基复材加工过程中，超声振动的加入减小了刀具与工件的接触时间和摩 擦系数。空心钎焊金刚石磨头的磨粒硬度高且材料去除过程是多磨粒共同作用的结果， 且空心钎焊金刚石磨头的磨粒、钎焊基体和杆件之间通过化学和冶金作用粘接在一起， 其粘接强度较高。因此，使用空心钎焊金刚石磨头进行SiCf/SiC陶瓷基复材超声振动 辅助钻削加工能够实现SiCf/SiC陶瓷基复材钻削加工。
本发明的技术方案是：一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法，其特征在于：
步骤一：将SiCf/SiC陶瓷基复材切割成需要的尺寸，将其表面处理光整，装夹在三坐标轴数控铣床上；
步骤二：将超声振动加工系统与三坐标轴数控铣床连接；
步骤三：选择空心钎焊金刚石磨头，并将该刀具安装在超声刀柄上；
步骤四：将水用毛刷蘸在工具或者夹头上，设置超声参数并加载超声能看到雾化或水在振动，说明振动效果处于共振状态；
步骤五：使用LK-H020型激光位移传感器检测，并调整超声振动的振幅，根据主轴转速、进给速度、超声振频及刀具端面的磨粒数，调整振幅到需要的参数；
超声振动的振幅A的范围为：
其中，F为进给速度，S为主轴转速，n为刀具端面的磨粒数，f为超声振动的频率， K为振动次数的整数部分；
步骤六：在SiCf/SiC陶瓷基复材超声振动辅助钻削过程中，采用不添加冷却液的干式钻削；
步骤七：对安装好的SiCf/SiC陶瓷基复材进行超声振动辅助钻削工艺试验，得到钻削加工切削参数：超声振动辅助钻削主轴转速为5000～10000r/min，进给速度为 4～16mm/min；在超声振动辅助钻削加工中使超声振动设备的电源处于打开状态；
步骤八：对试验结果进行分析，得到最佳的工艺参数；
步骤九：在试件上按照试验结果得到的最佳工艺参数进行超声振动钻削加工。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三选用的刀具参数为：刀具直径为3mm，磨粒粒度为50目，基体为45钢，结合剂为镍基结合剂。
本发明的进一步技术方案是：所述三坐标轴数控铣床型号为VMC-850。
本发明的进一步技术方案是：所述超声振动加工系统的超声设备为陕西超克能机电科技发展有限公司的CKN-XH11-BT40型超声振动加工系统，超声振动的频率为31kHz。
本发明的进一步技术方案是：所述超声振动加工系统包括超声波发生器、能量传输单元和超声刀柄，能量传输单元包括传输线、抱环和磁头，超声刀柄包括换能器和 变幅杆；将所述超声刀柄与磁头的间距控制在0.1mm左右。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明的SiCf/SiC陶瓷基复材钻削加工方法，选用空心钎焊金刚石磨头，通过多刃加工的方式降低了单颗磨粒上的切削力，使得加工可以进 行，不会出现普通刀具无法入钻(使用普通刀具容易出现尚未入钻刀具就已经损毁的 问题)的问题；通过调整合适的超声振幅，实现了在几何短屑的区间内进行切削，最 大程度上降低了切削力，并且给刀具切削过程中的散热提供了充足时间，避免刀具上 的磨粒由于热量累计而脱落，避免了由于刀具磨损而导致加工无法进行情况的出现； 选择了合理的超声振动辅助钻削加工工艺参数(主轴转速、进给速度)，从工艺优化角 度使加工中的切削力尽可能降低，从而使加工损伤降低，使得加工出的孔尺寸精度和 形状精度都可以满足设计要求。因此，采用本发明的加工方法可以完成了在SiCf/SiC 陶瓷基复材上进行钻削加工的目标，且尺寸精度和形状精度满足设计要求。
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的内容做进一步详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题范围仅限于以下实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下， 根据本领域普通知识和惯用手段做出的各种替换或者变更，均应包括在本发明的范围 内。
具体实施方式
下面通过实施例作为示例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法，其包括以下步骤：
步骤一：将SiCf/SiC陶瓷基复材切割成需要的尺寸，将其表面处理光整，装夹在三坐标轴数控铣床上。
步骤二：将超声振动加工系统与三坐标轴数控铣床连接。
步骤三：选择空心钎焊金刚石磨头，并将该刀具安装在超声刀柄上。选用的刀具参数为：刀具直径为3mm，磨粒粒度为50目，基体为45钢，结合剂为镍基结合剂。
步骤四：将水用毛刷蘸在工具或者夹头上，设置超声参数并加载超声能看到雾化或水在振动，说明振动效果处于共振状态。
步骤五：使用LK-H020型激光位移传感器检测并调整超声振动的振幅，根据主轴转速、进给速度、超声振频及刀具端面的磨粒数，调整振幅到合适的参数。
刀具轴向超声振动方程为：
x(t)＝Asin(2πft) (1)
其中x(t)为超声振动引起的刀具轴向位移，A为超声振动的振幅，f为超声振动 的频率，t为加工时间。
相邻两磨粒间相差的振动次数J为：
J＝f/nS＝K+k (2)
其中n为刀具端面的磨粒数，K为振动次数的整数部分，k为振动次数的小数部分，则相邻两磨粒间超声振动的相位差φ为：
φ＝2kπ (2)
则刀具上磨粒的轴向运动方程为：
其中，F为进给速度，S为主轴转速。
则相邻两磨粒间切屑厚度为：
sm＝zm-1-zm＝F/nS-2Asin(φ/2)cos(2πft+(m-1/2)φ) (4)
当sm的最小值smin≤0时，超声振动可以使切屑实现几何短屑，此时加工效果较好。因此A的参数范围为：
步骤六：在SiCf/SiC陶瓷基复材超声振动辅助钻削过程中，采用不添加冷却液的干式钻削。
步骤七：对安装好的SiCf/SiC陶瓷基复材进行超声振动辅助钻削工艺试验，来获得最佳的工艺参数。钻削加工切削参数：超声振动辅助钻削主轴转速为 5000～10000r/min，进给速度为4～16mm/min。在超声振动辅助钻削加工中使超声振动 设备的电源处于打开状态。
步骤八：对试验结果进行分析，得到最佳的工艺参数。
下面结合两个具体实施例，对本发明提供的SiCf/SiC陶瓷基复材钻削加工方法做进一步说明。
实施例一：
本实施例提出钻削加工方法适用于硬脆性材料，本实施例中仅以SiCf/SiC陶瓷基复材进行说明。本实施例中，所使用的三坐标轴数控铣床为VMC-850，所使用的超声 设备为陕西超克能机电科技发展有限公司的CKN-XH11-BT40型超声振动加工系统，超 声振动的频率为31kHz。
本实施例的SiCf/SiC陶瓷基复材钻削加工工艺，包括以下主要技术措施：
步骤一：准备加工式样。将SiCf/SiC陶瓷基复材切割成70ⅹ50ⅹ4mm的片状，并 在磨床上将其表面进行磨光，然后把该试样装夹在VMC-850三坐标数控铣床上。
步骤二：完整的超声装置包括超声波发生器、能量传输单元(包括传输线、抱环、磁头)超声刀柄(包括换能器、变幅杆)。安装时，首先将振动频率为31kHz的超声刀 柄安装在机床主轴上，然后使用传输线将超声波发生器与磁头相连，最后使用使用抱 环将磁头固定，固定前需控制超声刀柄与磁头的间距在0.1mm左右(需保证磁头未与 超声刀柄接触)。
步骤三：选择空心钎焊金刚石磨头，并将该刀具安装在超声刀柄上。选用的刀具参数为：刀具直径为3mm，磨粒粒度为50目，刀具端面的磨粒数为24，基体为45钢， 结合剂为镍基结合剂。
步骤四：测试振动状态。将水用毛刷蘸在空心钎焊金刚石磨头刀头上，调整超声参数能看到磨钻头刀头出现雾化现象或磨钻头刀头上的水滴在振动，说明振动效果处 于较好状态。
步骤五：通过公式5，本实施例中使用振幅为4μm。该振幅可保证所有试验中的 振幅都在公式5确定的合理参数范围内。使用的使用LK-H020型激光位移传感器检测 并调整超声振动的振幅，通过调整刀具悬伸量，使振幅保持在调整振幅为4μm。
步骤六：选择冷却液。在SiCf/SiC陶瓷基复材超声振动辅助钻削过程中，采用不添加冷却液的干式钻削。
步骤七：对安装好的SiCf/SiC陶瓷基复材进行超声振动辅助钻削工艺试验，来获得最佳的工艺参数。钻削加工切削参数：超声振动辅助钻削主轴转速为 5000～10000r/min，进给速度为4～16mm/min，在这些工艺参数范围下对超声振动辅助 钻削加工进行2因素4水平正交试验。在超声振动辅助钻削加工中使超声振动设备的 电源处于打开状态，且超声振幅为4μm。
步骤八：对试验结果进行分析，得到最佳的工艺参数为：主轴转速7000r/min， 进给速度10mm/min。
步骤九：在试件上按照主轴转速7000r/min，进给速度10mm/min进行超声振动钻削加工。
本实施例中，使用空心钎焊金刚石磨头在主轴转速为7000r/min，进给速度为10mm/min的工艺参数及超声振频为31kHz，超声振幅为4μm的超声参数下进行了钻削 加工。结果表明使用本发明的SiCf/SiC陶瓷基复材钻削加工方法实现SiCf/SiC陶瓷基 复材钻削加工，且尺寸精度和形状精度满足设计要求。
实施例二：
本实施例提出钻削加工方法适用于硬脆性材料，本实施例中仅以SiCf/SiC陶瓷基复材进行说明。本实施例中，所使用的三坐标轴数控铣床为VMC-850，所使用的超声 设备为陕西超克能机电科技发展有限公司的CKN-XH11-BT40型超声振动加工系统，超 声振动的频率为21kHz。
本实施例的SiCf/SiC陶瓷基复材钻削加工工艺，包括以下主要技术措施：
步骤一：准备加工式样。将SiCf/SiC陶瓷基复材切割成70ⅹ50ⅹ4mm的片状，并 在磨床上将其表面进行磨光，然后把该试样装夹在VMC-850三坐标数控铣床上。
步骤二：完整的超声装置包括超声波发生器、能量传输单元(包括传输线、抱环、磁头)超声刀柄(包括换能器、变幅杆)。安装时，首先将振动频率为31kHz的超声刀 柄安装在机床主轴上，然后使用传输线将超声波发生器与磁头相连，最后使用使用抱 环将磁头固定，固定前需控制超声刀柄与磁头的间距在0.1mm左右(需保证磁头未与 超声刀柄接触)。
步骤三：选择空心钎焊金刚石磨头，并将该刀具安装在超声刀柄上。选用的刀具参数为：刀具直径为3mm，磨粒粒度为50目，刀具端面的磨粒数为24，基体为45钢， 结合剂为镍基结合剂。
步骤四：测试振动状态。将水用毛刷蘸在空心钎焊金刚石磨头刀头上，调整超声参数能看到磨钻头刀头出现雾化现象或磨钻头刀头上的水滴在振动，说明振动效果处 于较好状态。
步骤五：通过公式5，本实施例中使用振幅为6μm。该振幅可保证所有试验中的 振幅都在公式5确定的合理参数范围内。使用的使用LK-H020型激光位移传感器检测 并调整超声振动的振幅，通过调整刀具悬伸量，使振幅保持在调整振幅为6μm。
步骤六：选择冷却液。在SiCf/SiC陶瓷基复材超声振动辅助钻削过程中，采用不添加冷却液的干式钻削。
步骤七：对安装好的SiCf/SiC陶瓷基复材进行超声振动辅助钻削工艺试验，来获得最佳的工艺参数。钻削加工切削参数：超声振动辅助钻削主轴转速为 5000～10000r/min，进给速度为4～16mm/min，在这些工艺参数范围下对超声振动辅助 钻削加工进行2因素4水平正交试验。在超声振动辅助钻削加工中使超声振动设备的 电源处于打开状态，且超声振幅为6μm。
步骤八：对试验结果进行分析，得到最佳的工艺参数为：主轴转速10000r/min， 进给速度10mm/min。
步骤九：在试件上按照主轴转速10000r/min，进给速度10mm/min进行超声振动 钻削加工。
本实施例中，使用空心钎焊金刚石磨头在主轴转速为10000r/min，进给速度为10mm/min的工艺参数及超声振频为21kHz，超声振幅为6μm的超声参数下进行了钻削加 工。结果表明使用本发明的SiCf/SiC陶瓷基复材钻削加工方法实现SiCf/SiC陶瓷基复材 钻削加工，且尺寸精度和形状精度满足设计要求。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和 宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法，其特征在于：
步骤一：将SiCf/SiC陶瓷基复材切割成需要的尺寸，将其表面处理光整，装夹在三坐标轴数控铣床上；
步骤二：将超声振动加工系统与三坐标轴数控铣床连接；
步骤三：选择空心钎焊金刚石磨头，并将该刀具安装在超声刀柄上；
步骤四：将水用毛刷蘸在工具或者夹头上，设置超声参数并加载超声能看到雾化或水在振动，说明振动效果处于共振状态；
步骤五：使用LK-H020型激光位移传感器检测，并调整超声振动的振幅，根据主轴转速、进给速度、超声振频及刀具端面的磨粒数，调整振幅到需要的参数；
超声振动的振幅A的范围为：
其中，F为进给速度，S为主轴转速，n为刀具端面的磨粒数，f为超声振动的频率，K为振动次数的整数部分；
步骤六：在SiCf/SiC陶瓷基复材超声振动辅助钻削过程中，采用不添加冷却液的干式钻削；
步骤七：对安装好的SiCf/SiC陶瓷基复材进行超声振动辅助钻削工艺试验，得到钻削加工切削参数：超声振动辅助钻削主轴转速为5000～10000r/min，进给速度为4～16mm/min；在超声振动辅助钻削加工中使超声振动设备的电源处于打开状态；
步骤八：对试验结果进行分析，得到最佳的工艺参数；
步骤九：在试件上按照试验结果得到的最佳工艺参数进行超声振动钻削加工。
2.根据权利要求1所述SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法，其特征在于：所述步骤三选用的刀具参数为：刀具直径为3mm，磨粒粒度为50目，基体为45钢，结合剂为镍基结合剂。
3.根据权利要求1所述SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法，其特征在于：所述三坐标轴数控铣床型号为VMC-850。
4.根据权利要求1所述SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法，其特征在于：所述超声振动加工系统的超声设备为陕西超克能机电科技发展有限公司的CKN-XH11-BT40型超声振动加工系统，超声振动的频率为31kHz。
5.根据权利要求1所述SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料钻削加工方法，其特征在于：所述超声振动加工系统包括超声波发生器、能量传输单元和超声刀柄，能量传输单元包括传输线、抱环和磁头，超声刀柄包括换能器和变幅杆；将所述超声刀柄与磁头的间距控制在0.1mm左右。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210416 |