CN112893942A - 一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法 - Google Patents

一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法 Download PDF

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Abstract

一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，涉及一种复合材料铣削方法，本发明复合材料的增强颗粒体积分数为60%，增强相由直径20μm和60μm的颗粒混合而成，基体材料为Al2024；采用直径小于1mm的金刚石立铣刀对其进行高速微铣削加工，分为找平粗加工和精加工，微量润滑冷却以植物油形成吸附油膜，油雾更易于喷射入微小切削区，低碳环保，利于排屑；材料加工过程中多次退火和冷热循环降低表面应力，实现碳化硅颗粒的脆‑塑性去除，以上各要素的综合运用，提高了高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料表面质量和表面完整性。

Description

一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料铣削方法，特别是涉及一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法。
背景技术
碳化硅颗粒增强铝基复合材料有比强度和比模量高、耐高温、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的综合性能，碳化硅颗粒增强铝基复合材料以其优异性能得到了越来越多的关注，高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料零部件广泛应用于航空航天，先进武器系统、汽车、光学精密仪器、电子封装和体育用品等领域。
高体分颗粒增强铝基复合材料由于含有体分较多和颗粒较大的碳化硅增强颗粒，这种高硬度和高耐磨性的增强颗粒，使该材料加工变得极为困难，不易保证产品加工成形，加工效率和加工质量较低，容易造成刀具磨损，加工成本提高，限制了高体分颗粒增强铝基复合材料的应用，现有研究多集中于中低体分的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的车削加工，而对于高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料的微铣削加工涉及较少，有必要研究高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料的微铣削加工方法，实现该材料零部件的高质量切削，对于实现高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料我国航天航空领域电子元器件上的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，本发明通过选择最佳切削工艺和切削用量、恰当的热处理方式和绿色的冷却润滑形式，显著提高高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料的表面铣削质量和表面完整性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：采用大直径的金刚石立铣刀进行找平粗加工，后采用小直径的金刚石立铣刀进行精加工；
步骤2：找平粗加工和精加工之间，均通过退火热处理和冷热循环方式降低表面应力；
步骤3：找平粗加工切削参数为：主轴转速16000r/min，进给速度0.15m/min，铣削深度0.2mm，精加工切削参数为：主轴转速14000r/min，进给速度6mm/min，铣削深度0.04mm；
步骤4：粗精加工冷却形式为微量润滑冷却。
所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，所述高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料的颗粒体积分数为60%，增强相由直径20μm和60μm的颗粒混合而成，基体材料为Al2024。
所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，所述采用大直径10mm的金刚石立铣刀进行找平粗加工，后采用小直径0.8mm的金刚石立铣刀进行精加工。
所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，所述找平粗加工和精加工之间进行退火热处理，退火热处理温度为加热至450度保温4小时，经20小时冷却到50℃。
所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，所述冷却形式为植物油微量润滑冷却，采用油水气三相共组喷雾，形成表面吸附薄油膜（0.1μm）和微小水滴（100-200μm），起到冷却和排屑作用。
所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，所述精加工切削参数为主轴转速14000r/min，进给速度6mm/min，铣削深度0.04mm条件下，表面粗糙度为0.238μm。
本发明的优点与效果是：
本发明通过找平粗加工的方式，起到软化基体的效应，同时恰当的热处理方式和冷热循环降低了表面应力，均有利于微铣削精加工时碳化硅颗粒增强的脆—塑性去除，微量润滑冷却以植物油形成吸附油膜，油雾更易于喷射入微小切削区，低碳环保，利于排屑。综上，以上各要素的综合运用较好的提高了高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料表面质量和表面完整性。
附图说明
图1为本发明实施例的高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料微铣削加工示意图；
图2为本发明实施例的材料微铣削过程有限元仿真图；
图3为本发明实施例的材料微铣削表面三维形貌和粗糙度检测图；
图4为本发明实施例的材料微铣削表面扫描电镜图；
图5为本发明实施例的材料微铣削横截面扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料高精密微铣削方法，主要通过大直径刀具找平粗加工，小直径刀具精加工，加工零件为高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料板材，粗精加工之间通过退火和冷却循环处理降低表面应力，辅以植物油微量润滑冷却，提高表面加工质量和表面完整性。具体实施过程如下：
如图2所示，微铣削实验前通过有限元仿真软件，模拟微径刀具切削高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料过程，获得表面的微铣削形貌和切削机理。碳化硅颗粒增强铝基复合材料去除过程主要分为3个阶段：铝基体的塑性去除阶段、碳化硅颗粒被挤压产生微裂纹的阶段和碳化硅颗粒的裂纹扩展直到被脆性去除的阶段。
加工开始阶段通过10mm直径的金刚石立铣刀进行找平粗加工，切削参数为主轴转速16000r/min，进给速度0.15m/min，铣削深度0.2mm，目的在与为精加工提供较高的零件表面形位精度，同时较大的切削参数对工件基体起到热软化效应。粗加工后进行退火热处理，热处理温度为加热至450度保温4小时，经20小时冷却到50℃。
经热处理后通过0.8mm直径的金刚石立铣刀进行精加工，采用分层环状铣削方式，直至留有精加工余量，精加工切削参数为主轴转速14000r/min，进给速度6mm/min，铣削深度0.04mm。最后一刀时启用植物油微量润滑油水气三相喷雾冷却，油雾更易于喷射入微小切削区，起到较好的冷却和排屑效果。
如图3所示，由精加工后微铣削表面三维形貌和粗糙度检测图可知，加工表面形貌光整，云图显示较为均匀，经过三次平均取样，检测粗糙度数值为0.238μm。
如图4所示，由材料微铣削表面扫描电镜图可知，铝基体塑性去除形貌光整，颗粒脆-塑性去除状态完整，材料表面缺陷较少，表面形貌更光滑。颗粒去除机理表现为破碎、挤压、拔出、压入，与图2有限元仿真形貌结果一致。
如图5所示，由材料微铣削横截面扫描电镜图可知，材料基体及亚表层未产生变化，亚表层去除厚度一致，微铣削表面平整，高体分碳化硅颗粒的脆裂、拔出一致性较好，可实现脆-塑性去除，表面粗糙度最小为0.238μm。

Claims (6)

1.一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：采用大直径的金刚石立铣刀进行找平粗加工，后采用小直径的金刚石立铣刀进行精加工；
步骤2：找平粗加工和精加工之间，均通过退火热处理和冷热循环方式降低表面应力；
步骤3：找平粗加工切削参数为：主轴转速16000r/min，进给速度0.15m/min，铣削深度0.2mm，精加工切削参数为：主轴转速14000r/min，进给速度6mm/min，铣削深度0.04mm；
步骤4：粗精加工冷却形式为微量润滑冷却。
2.根据权利要求1所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，其特征在于，所述高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料的颗粒体积分数为60%，增强相由直径20μm和60μm的颗粒混合而成，基体材料为Al2024。
3.根据权利要求1所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，其特征在于，所述采用大直径10mm的金刚石立铣刀进行找平粗加工，后采用小直径0.8mm的金刚石立铣刀进行精加工。
4.根据权利要求1所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，其特征在于，所述找平粗加工和精加工之间进行退火热处理，退火热处理温度为加热至450度保温4小时，经20小时冷却到50℃。
5.根据权利要求1所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，其特征在于，所述冷却形式为植物油微量润滑冷却，采用油水气三相共组喷雾，形成表面吸附薄油膜（0.1μm）和微小水滴（100-200μm），起到冷却和排屑作用。
6.根据权利要求1所述的一种高体分碳化硅颗粒增强铝基复合材料精密微铣削方法，其特征在于，所述精加工切削参数为主轴转速14000r/min，进给速度6mm/min，铣削深度0.04mm条件下，表面粗糙度为0.238μm。
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