CN114874031B - 一种陶瓷基复材螺纹加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种螺纹加工方法，具体涉及一种陶瓷基复材螺纹加工方法。解决了现有陶瓷基复材螺纹加工方法，存在螺纹质量差、螺纹加工质量稳定性差、螺纹寿命低等技术问题。本发明螺纹加工方法，包括以下步骤：1)按照一定质量比称取松香、明矾、碳化硼粉；2)将松香、明矾加入到容器中，加热至两者完全融化后，再加入氮化硼粉，加热至呈粘稠状胶液；3)对陶瓷基复材零件进行抛光、清洗、烘干；4)对待加工螺纹部位进行涂刷胶液；5)胶液固化后进行螺纹加工；6)高温处理螺纹加工完成的陶瓷基复材零件，去除胶液；7)对陶瓷基复材零件表面进行碳化硅涂层沉积，得到完全加工好的陶瓷基复材零件。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺纹加工方法，具体涉及一种陶瓷基复材螺纹加工方法，主要应用于高强度、抗氧化、耐高温的纤维增强复合材料螺纹加工领域。
背景技术
陶瓷基复材是一种集金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点于一身的多功能材料，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀、对裂纹不敏感以及不发生灾难性毁损等优点，在航空、航天、卫星宇航、核能和光伏等领域有着广泛的应用。
由于陶瓷基复材编制成型工艺技术的限制，陶瓷基复材预制体形式多为二维铺层(碳纤维/碳化硅纤维)、2.5D编制、三维针刺(碳纤维)、细编穿刺(碳纤维)等，难以实现大尺寸、精密复杂产品构件整体制备。因此，为缩短产品研制周期，提高产品质量，现较为成熟方法为先制备小尺寸零件，再采用在线集成装配方法，在线集成装配过程通常采用螺接方式进行连接，或螺接后辅以化学气相沉积。
常见陶瓷基复材螺纹加工方法存在螺纹质量差(螺牙存在豁口、崩边)、螺纹加工质量稳定性差、螺纹寿命低等诸多缺点，难以满足陶瓷基复材构件在线连接精度和连接质量要求，因此，采用一定措施和新方法提升陶瓷基复材螺纹加工质量至关重要。
发明内容
本发明的目的是解决现有陶瓷基复材螺纹加工方法，存在螺纹质量差、螺纹加工质量稳定性差、螺纹寿命低等技术问题，而提供一种陶瓷基复材螺纹加工方法。本发明方法加工的螺纹可满足航空航天、卫星宇航等多个领域对陶瓷基复材构件的连接可靠性需求。
本发明的技术解决方案是：
一种陶瓷基复材螺纹加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)按照质量比4.5～5：2～3：1～1.5称取松香、明矾、碳化硼粉；
2)将松香、明矾加入到容器中，加热至松香、明矾完全融化后，再加入氮化硼粉，一边搅拌一边加热，直至呈粘稠状胶液，得到胶液；
3)对需要制备螺纹的陶瓷基复材零件进行抛光、清洗、烘干；
4)对陶瓷基复材零件要加工螺纹部位进行涂刷胶液；
5)待胶液固化后，进行螺纹加工；
6)高温处理螺纹加工完成的陶瓷基复材零件，去除胶液；
7)对陶瓷基复材零件表面进行碳化硅涂层沉积，得到完全加工好的陶瓷基复材零件。
进一步地，步骤3)中，所述清洗具体为：先采用清水冲洗干净陶瓷基复材零件表面冗余物，再采用超声波清洗，超声温度25±5℃，超声波清洗时间30～50min；
步骤3)中，所述烘干具体为：将陶瓷基复材零件放入烘箱，在140～180℃下烘干3～4h，降至室温取出。
进一步地，步骤4)具体为：用干净的小毛刷蘸取胶液，对陶瓷基复材零件待加工螺纹部位进行涂刷，保证胶液充分浸润待加工螺纹孔孔壁。
进一步地，步骤5)中加工工艺为：在孔位处加工螺纹时，机床主轴转速为50～100r/min；在零件外形加工螺纹时，机床主轴转速为200～300r/min。
进一步地，步骤6)具体为：将螺纹加工完成的陶瓷基复材零件放入烘箱中，在160～180℃下高温处理3～4h，胶液全部去除后降至室温取出。
进一步地，步骤7)中所述碳化硅涂层沉积工艺参数为：沉积温度为950～1000℃，沉积时间为30～35h；所述碳化硅涂层沉积通入的反应气体为三氯甲基硅烷、氩气和氢气。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的陶瓷基复材螺纹加工方法，采用松香作为助粘剂、固化剂、润滑剂，在复材螺纹孔壁或棒料外形形成一定渗透固化层，便于螺纹加工过程，不易发生纤维碎屑崩边。
2、本发明采用松香作为助粘剂、固化剂、润滑剂，松香熔点＜150℃，在陶瓷基复材螺纹加工完成后残存的松香稍加高温处理，可挥发处理干净。
3、本发明采用松香作为螺纹加工前的复材表面处理剂，由于松香化学成分主要为碳和氢，当螺纹加工完成后在螺纹表面沉积制备SiC基体过程，松香残余碳源仍可提供沉积反应原料，而不会发生沉积过程气氛污染。
4、本发明采用碳化硼作为胶液添加剂，由于碳化硼与陶瓷基复材颜色相近，碳化硼作为调色剂，制备后的螺纹外观颜色趋于一致，且碳化硼粉体涂刷在螺纹表面，可封填螺牙微观裂纹，防止在CVI沉积过程及服役使用过程中出现螺纹外观裂纹延展和扩散。
5、本发明提供的螺纹加工方法中螺纹加工质量对陶瓷基复材密度不敏感，即对螺纹加工前的陶瓷基复材密度要求降低，可大幅提高生产效率。
6、本发明提供的螺纹加工方法，适用于各类陶瓷基复材螺纹加工过程，尤其适用于改性陶瓷基复材螺纹加工。由于改性类陶瓷基复材对纤维存在不同程度损伤，易导致改性类陶瓷基复材脆性增大，螺纹加工过程中更容易发生螺牙破损等缺陷，因此，本发明提供的方法用于改性类陶瓷基复材螺纹加工，可有效解决以上缺陷，大大提升螺纹的加工质量。
附图说明
图1为改性类陶瓷基复材零件M10螺孔按照传统方法加工的螺纹示意图；
图2为图1中B处放大图；
图3为本发明实施例一中改性类陶瓷基复材零件M10螺孔内加工的螺纹示意图；
图4为图3中A处放大图；
图5为陶瓷基复材螺母孔内按照传统方法加工的螺纹示意图；
图6为图5中C处放大图；
图7为本发明实施例二中陶瓷基复材螺母孔内加工的螺纹示意图；
图8为图7中D处放大图；
图9为陶瓷基复材M8沉头螺钉按照传统方法加工的螺纹示意图；
图10为图9中E处放大图；
图11为本发明实施例三中陶瓷基复材M8沉头螺钉加工的螺纹示意图；
图12为图11中F处放大图；
图13为陶瓷基复材M8沉头螺钉按照传统方法加工的螺纹形貌电镜图；
图14为本发明实施例三中陶瓷基复材M8沉头螺钉加工的螺纹形貌电镜图。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明做进一步地描述和说明。
实施例一
本实施例以改性类陶瓷基复材零件M10螺孔加工螺纹为例，具体步骤如下：
1)按照质量比5：3：1.3称取松香、明矾、碳化硼粉；
2)将松香、明矾加入到干净坩埚容器中，加热至松香、明矾完全融化后，再加入氮化硼粉，一边搅拌一边加热，直至呈粘稠状胶液，得到胶液总质量40±0.1g。
3)对需要制备螺纹的改性类陶瓷基复材零件M10螺纹底孔进行抛光、清洗、烘干；
清洗时，先采用清水冲洗干净改性类陶瓷基复材零件M10表面浮灰等冗余物，再采用超声波清洗，超声温度25±5℃，超声波清洗时间45min，再放入烘箱，在温度160±5℃下烘干时间4h，降至室温取出。
4)对改性类陶瓷基复材零件M10要加工的螺纹部位进行涂刷胶液；
用干净的小毛刷蘸取胶液，对加工螺纹部位进行涂刷，保证胶液充分浸润螺纹孔孔壁，仅涂刷一次，避免反复涂刷，室温下胶液有效使用时间＜30min。
5)待胶液固化后，进行螺纹加工；
待改性类陶瓷基复材零件M10螺纹孔内胶液浸润固化后，在数控机床攻制M10螺纹，内孔攻丝时，机床主轴转速为50r/min；
6)高温处理螺纹加工完成的改性类陶瓷基复材零件M10，去除胶液；
将螺纹加工完成的陶瓷基复材零件M10放入烘箱中，在170℃下高温烘干处理4h，胶液全部去除后降至室温取出。
7)对改性类陶瓷基复材零件M10表面进行碳化硅涂层沉积，得到螺纹加工好的零件；
对螺纹攻制完成的改性类陶瓷基复材零件M10外观沉积碳化硅基体，沉积时为间35h，沉积温度为950℃，反应气体为三氯甲基硅烷、氩气和氢气。
如图1至图4所示，其中，图1、图2为改性类陶瓷基复材零件M10螺孔按照传统方法加工的螺纹，图3、图4为采用本发明方法内加工的螺纹，与传统的改性类陶瓷基复材零件M10加工螺纹相比，利用本发明方法，对改性类陶瓷基复材零件M10螺孔攻制前进行预处理，加工后的螺纹形貌改善明显，轮廓清晰且较为完整，螺纹微观表面未见缝隙，满足使用要求。
实施例二
本实施例以陶瓷基复材螺母的螺纹加工为例，具体步骤如下：
1)按照质量比4.5：2：1.5称取松香、明矾、碳化硼粉；
2)将松香、明矾加入到干净坩埚容器中，加热至松香、明矾完全融化后，再加入氮化硼粉，一边搅拌一边加热，直至呈粘稠状胶液，得到胶液总质量53.4±0.1g。
3)对需要制备螺纹的陶瓷基复材螺母的螺纹底孔进行抛光、清洗、烘干；
清洗时，先采用清水冲洗干净陶瓷基复材螺母表面浮灰等冗余物，再采用超声波清洗，超声温度25±5℃，超声波清洗时间50min，再放入烘箱，在温度145±5℃下烘干时间3.5h，降至室温取出。
4)对陶瓷基复材螺母要加工的螺纹部位进行涂刷胶液；
用干净的小毛刷蘸取胶液，对加工螺纹部位进行涂刷，保证胶液充分浸润螺纹孔孔壁，仅涂刷一次，避免反复涂刷，室温下胶液有效使用时间＜30min。
5)待胶液固化后，进行螺纹加工；
待陶瓷基复材螺母的螺纹孔内胶液浸润固化后，在数控机床攻制M8螺纹，内孔攻丝时，机床主轴转速为80r/min；
6)高温处理螺纹加工完成的陶瓷基复材螺母，去除胶液；
将螺纹加工完成的陶瓷基复材螺母放入烘箱中，在160℃下高温烘干处理3.5h，直至胶液全部去除后降至室温取出。
7)对陶瓷基复材螺母表面进行碳化硅涂层沉积，得到螺纹加工好的陶瓷基复材螺母；
对螺纹攻制完成的陶瓷基复材螺母外观沉积碳化硅基体，沉积时为间30h，沉积温度为1000℃，反应气体为三氯甲基硅烷、氩气和氢气。
如图5至图8所示，其中，图5、图6为陶瓷基复材螺母孔内按照传统方法加工的螺纹，图7、图8为采用本发明方法内加工的螺纹，与传统的螺纹加工方法相比，利用本发明方法，对陶瓷基复材螺母的螺纹攻制前进行预处理，加工后的螺牙形貌清晰完整，微观表面未见裂纹缝隙，满足使用要求。
实施例三
本实施例以陶瓷基复材M8沉头螺钉的螺纹加工为例，具体步骤如下：
1)按照质量比4.8：2.5：1.0称取松香、明矾、碳化硼粉；
2)将松香、明矾加入到干净坩埚容器中，加热至松香、明矾完全融化后，再加入氮化硼粉，一边搅拌一边加热，直至呈粘稠状胶液，得到胶液总质量40.5±0.1g。
3)对需要制备螺纹的陶瓷基复材M8沉头螺钉进行抛光、清洗、烘干；
清洗时，先采用清水冲洗干净陶瓷基复材M8沉头螺钉表面浮灰等冗余物，再采用超声波清洗，超声温度25±5℃，超声波清洗时间30min，再放入烘箱，在温度175±5℃下烘干时间3h，降至室温取出。
4)对陶瓷基复材M8沉头螺钉要加工的螺纹部位进行涂刷胶液；
用干净的小毛刷蘸取胶液，对加工螺纹部位进行涂刷，保证胶液充分浸润螺钉表面，仅涂刷一次，避免反复涂刷，室温下胶液有效使用时间＜30min。
5)待胶液固化后，进行螺纹加工；
待陶瓷基复材M8沉头螺钉的胶液浸润固化后，外形车螺纹时，采用金刚石电镀专用车螺纹片刀加工，机床主轴转速为280r/min；
6)高温处理螺纹加工完成的陶瓷基复材M8沉头螺钉，去除胶液；
将螺纹加工完成的陶瓷基复材M8沉头螺钉放入烘箱中，在180℃下高温烘干处理3h，直至胶液全部去除后降至室温取出。
7)对陶瓷基复材M8沉头螺钉表面进行碳化硅涂层沉积，得到螺纹加工好的零件；
对螺纹攻制完成的陶瓷基复材M8沉头螺钉外观沉积碳化硅基体，沉积时为间33h，沉积温度为970℃，反应气体为三氯甲基硅烷、氩气和氢气。
如图9至14所示，其中，图9、图10为陶瓷基复材M8沉头螺钉按照传统方法加工的螺纹，图11、图12为采用本发明方法加工的螺纹，图13为按照传统方法加工的螺纹形貌电镜图，图14为采用本发明方法加工的螺纹形貌电镜图，与传统的陶瓷基复材M8沉头螺钉加工螺纹相比，利用本发明方法，在陶瓷基复材M8沉头螺钉的螺孔攻制前进行预处理，加工后的螺牙形貌清晰完整，微观表面未见裂纹缝隙，满足使用要求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种陶瓷基复材螺纹加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按照质量比4.5~5：2~3：1~1.5称取松香、明矾、碳化硼粉；
2）将松香、明矾加入到容器中，加热至松香、明矾完全融化后，再加入碳化硼粉，一边搅拌一边加热，直至呈粘稠状胶液，得到胶液；
3）对需要制备螺纹的陶瓷基复材零件进行抛光、清洗、烘干；
4）对陶瓷基复材零件要加工螺纹部位进行涂刷胶液；
5）待胶液固化后，进行螺纹加工；
6）高温处理螺纹加工完成的陶瓷基复材零件，去除胶液；
7）对陶瓷基复材零件表面进行碳化硅涂层沉积，得到完全加工好的陶瓷基复材零件。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复材螺纹加工方法，其特征在于，步骤3）中，所述清洗具体为：先采用清水冲洗干净陶瓷基复材零件表面冗余物，再采用超声波清洗，超声温度25±5℃，超声波清洗时间30~50min；
步骤3）中，所述烘干具体为：将陶瓷基复材零件放入烘箱，在140~180℃下烘干3~4h，降至室温取出。
3.根据权利要求1或2所述的一种陶瓷基复材螺纹加工方法，其特征在于，步骤4）具体为：用干净的小毛刷蘸取胶液，对陶瓷基复材零件待加工螺纹部位进行涂刷，保证胶液充分浸润待加工螺纹孔孔壁。
4.根据权利要求3所述的一种陶瓷基复材螺纹加工方法，其特征在于，步骤5）中加工工艺为：在孔位处加工螺纹时，机床主轴转速为50~100r/min；在零件外形加工螺纹时，机床主轴转速为200~300r/min。
5.根据权利要求4所述的一种陶瓷基复材螺纹加工方法，其特征在于，步骤6）具体为：将螺纹加工完成的陶瓷基复材零件放入烘箱中，在160~180℃下高温处理3~4h，胶液全部去除后降至室温取出。
6.根据权利要求5所述的一种陶瓷基复材螺纹加工方法，其特征在于，步骤7）中所述碳化硅涂层沉积工艺参数为：沉积温度为950~1000℃，沉积时间为30~35h；
所述碳化硅涂层沉积通入的反应气体为三氯甲基硅烷、氩气和氢气。
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