CN116551860A - 一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料加工技术领域，具体涉及一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，包括以下步骤：安装辅助加工系统，对工件进行试切削，记录试切削工艺参数和工件的表面粗糙度值，判断工件的表面粗糙度值满足要求否？如果不满足要求，对加工过程建模并进行多场耦合模拟辅助加工状态，在模拟工艺参数与试切削工艺参数相匹配后，多次调整模拟工艺参数，对不同工艺参数状态下的动态加工模型进行多次计算，筛选表面粗糙度值的最优值，获取表面粗糙度值的最优值对应的最佳工艺参数，将车床参数设为最佳工艺参数，直至工件的表面粗糙度值满足要求。本发明提高了SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的表面粗糙度和耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属于SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料加工技术领域，具体涉及一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法。
背景技术
耐事故核燃料(Accident Tolerant Fuel，ATF)是先进核反应堆战略核心技术。燃料包壳装载核燃料芯块，可防止放射性裂变产物通过冷却剂泄露到外部环境，是堆芯安全的首道屏障。燃料包壳在高能中子辐照、高温高压冷却介质腐蚀/氧化、复杂应力以及与核燃料相互作用下的破损失效，是反应堆芯面临的最严峻的安全问题。锆合金包壳高温强度高、抗腐蚀性能好、中子吸收截面小且与二氧化铀有良好的相容性，是国际通用的压水堆燃料包壳材料。然而，日本福岛事故表明锆合金包壳燃料组件发生反应堆失水事故(LoseCoolant Accident,LOCA)时存在严重的安全隐患：锆合金与高温水蒸汽发生剧烈反应，迅速氧化，产生大量可燃氢气发生爆炸，损毁核电机组，导致核泄漏。为防止此类事故发生，研发耐事故核燃料包壳，增强抗蒸汽氧化性能，降低产氢率，事故工况下能长时间保持堆芯完整，确保核燃料和裂变产物不泄露成为核电安全发展技术的重中之重。
SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiC/SiC)是一种通过在陶瓷基体中加入连续纤维增强相进行外源性增韧，并采用适当的弱界面相进行优化，从而得到的韧性陶瓷材料，是典型的多组元(纤维、界面和基体)结构材料。借助纤维增韧、界面裂纹偏转等强韧化机制，SiC/SiC克服了传统SiC陶瓷的固有脆性在反应堆事故工况下不会发生灾难性的损毁。同时，该材料拥有较小的中子吸收截面、优良的高温化学惰性、优良的高温强度、低活化和抗辐照，被公认为是代替锆合金包壳、发展耐事故核燃料的首选包壳管材料。
针对于核用耐事故的包壳管制备研究，需要加工超高长径比(100:1)级别的低表面粗糙度SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料，但是，用传统车削工艺切削SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料，由于SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料硬度高、脆性大以及非均质等特征，相比之下刀具的硬度与刚性优势相对较小，导致加工过程中刀具磨损严重，使得加工效率低，同时工件的尺寸一致性差，表面裂纹、分层、破碎、纤维拔出、崩边等缺陷严重，使得最终工件的表面粗糙度差，表面粗糙度差的SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的包壳管在核反应堆工况下的材料腐蚀性能差，无法满足目前的使用工艺要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，在超声振动辅助加工系统、红外测温装置和光纤激光辅助加工系统组合使用的状态下进行复合加工，以便解决现有技术中SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料加工后表面质量差的的问题，从而达到提高SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料加工后的表面粗糙度，增强SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料在反应堆中的耐腐蚀性能的技术目的。
本发明的技术方案是：
一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，包括以下步骤：
S1、安装超声振动辅助加工系统、红外测温装置、光纤激光辅助加工系统和工件；
S2、选择切削刀具，并将该刀具安装在超声振动辅助加工系统上；
S3、启动并调整超声振动辅助加工系统、红外测温装置和光纤激光辅助加工系统至正常工作状态；
S4、对工件进行试切削，记录试切削工艺参数和工件的表面粗糙度值；
S5、判断工件的表面粗糙度值满足要求否？如果不满足要求，对加工过程建模并进行多场耦合模拟辅助加工状态，在模拟工艺参数与试切削工艺参数相匹配后，多次调整模拟工艺参数，对不同工艺参数状态下的动态加工模型进行多次计算，筛选表面粗糙度值的最优值，获取表面粗糙度值的最优值对应的最佳工艺参数，将车床参数设置为最佳工艺参数，返回S4继续执行，直至工件的表面粗糙度值满足要求。
优选的，所述超声振动辅助加工系统、红外测温装置和光纤激光辅助加工系统均固定于车床行走刀架上，且所述超声振动辅助加工系统、红外测温装置和光纤激光辅助加工系统与数控车床进行电连接。
优选的，安装光纤激光辅助加工系统时，打开激光源，将光纤激光辅助加工系统开至最小能量设定，观察红色激光光斑，确认光纤激光辅助加工系统工作正常，并使得激光的工作范围覆盖工件，在车床行走刀架行程范围内光束整形镜不会与车床内其他部件产生碰撞。
优选的，所述工件以一夹一顶的方式装夹在车床上。
优选的，启动并调整超声振动辅助加工系统至正常工作状态，包括以下步骤：
将一滴水滴在刀具刀尖；
启动超声振动辅助加工系统；
观察水滴振动与否；
当水滴产生规律震动，则确认超声振动辅助加工系统工作正常；
调整超声振动辅助加工系统振动幅度与频率到预设值。
优选的，启动并调整红外测温装置至正常工作状态，包括以下步骤：
启动红外测温装置实时测量工件表面温度；
红外测温装置将实时测量到的工件表面温度传送到车床的控制器内，与预设阈值进行对比，当工件表面温度大于预设恒温值时，控制器发出控制指令给光纤激光辅助加工系统，使得光纤激光辅助加工系统的激光能量发生变化，照射在工件表面能量降低从而使得工件表面温度保持在预设恒温值；当工件表面温度小于预设恒温值时，控制器发出控制指令给光纤激光辅助加工系统，使得光纤激光辅助加工系统的激光能量发生变化，照射在工件表面能量增大从而使得工件表面温度保持在预设恒温值。
优选的，启动并调整光纤激光辅助加工系统至正常工作状态，包括以下步骤：
在控制器中打开激光位置引导灯；
将激光束射出的激光光斑直径设置在预设值；
将激光光点对准刀具的刀尖上方，激光光点与刀尖呈预设角度。
优选的，所述激光光点与刀尖呈90度。
优选的，对工件进行切削时，以微量润滑形式进行。
与现有技术相比，本发明提供了一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，在超声振动辅助加工系统、红外测温装置和光纤激光辅助加工系统组合使用的状态下进行复合加工，能有效降低切削载荷，延长刀具寿命，解决了现有技术中SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料加工后表面质量差的的问题，显著提升了难切削的SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的工件表面粗糙度，且使切削后的材料表面完整性与材料力学性能不受切削过程影响，增强了SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料在反应堆中的耐腐蚀性能，提高了加工稳定性和工件成品率，加工精度和效率高，同时工件的尺寸一致性好，实用性强，值得推广。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为实施本发明的装置示意图；
图3为包壳管未加工时的表面形貌显微图；
图4为包壳管经传统工艺加工后的表面形貌显微图；
图5为利用本发明提供的方法对包壳管进行加工后的表面形貌显微图。
具体实施方式
本发明提供了一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，下面结合图1到图5的结构示意图，对本发明进行说明。
实施例1
如图2所示，数控车床采用HAAS公司ST-25L三坐标数控车床，超声振动辅助加工系统采用Son-x公司l00kHz10万赫兹超声波辅助系削系统UTS2，光纤激光辅助加工系统1采用IPG Photonics公司设计的YLR-1000-U型1000w光纤激光器，被加工的对象是SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的包壳管4，其长1000mm、直径10mm、壁厚1.5mm。
如图1和图2所示，按以下方法对SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的包壳管4进行辅助车削加工，包括以下步骤：
步骤一：使用4枚M6螺丝将Son-x公司l00kHz10万赫兹超声振动辅助加工系统UTS2中用于安装金刚石刀具3的超声振动模块固定于数控车床行走刀架，将超声振动辅助加工系统的控制器与数控车床进行电连接，并放置于数控车床外部，确认在车床行走刀架行程范围内超声振动模块不会与车床内其他部件产生碰撞，根据超声振动辅助加工系统UTS2上的指示灯确认系统功能正常；
步骤二：使用两枚M5螺丝，借助固定支架将IPG Photonics公司YLR-1000-U型1000w光纤激光辅助加工系统1中的光束整形镜与IRTP-1500LS型红外测温探头5安装于数控车床行走刀架上，并且可以通过调整使得激光的工作范围可以完全覆盖工件，确认在车床行走刀架行程范围内光束整形镜不会与车床内其他部件产生碰撞，同时确认光纤线缆没有过度弯折，将光纤激光辅助加工系统1控制器与数控车床进行电连接，并放置于数控车床外部，打开激光源，将光纤激光辅助加工系统1开至最小能量设定，观察红色的激光光斑2，确认光纤激光辅助加工系统1工作正常；
步骤三：将包壳管4夹装在数控车床主轴的三爪卡盘上，并使用尾端支撑；
步骤四：选择VNMG菱形PCD多晶金刚石的刀具3，并将该刀具3安装在超声振动辅助加工系统上，其中，刀具3的前角γ0＝1-5°，后角α0＝5°，主偏角Kr＝65°，副偏角Kr’＝10°，刃倾角λs＝0°，刀尖圆弧半径r＝0.3-0.5mm；
将一滴纯净水滴在刀具3的刀尖，通过肉眼观察水滴振动确认超声振动辅助加工系统工作正常后调整超声振动辅助加工系统振动幅度与频率，设置超声振动辅助系统频率为80kHz，振幅为1.5μm；
步骤五：使用光纤激光辅助加工系统1，在光纤激光辅助加工系统1的控制器中打开激光位置引导灯，如图2所示，将激光光点对准金刚石刀具3的刀尖上方，距离刀尖10mm和刀尖行成90度角，设置激光光斑2的直径为1.5mm的激光束，激光于工件表面温度使用IRTP-1500LS红外测温仪进行测算，调节激光能量，使材料表面达到并保持1500℃表面温度；
步骤六：通过调整下列公式中每转进给量fn≥0.01mm与切削深度xd≥0.05mm，估算试轴向切削力Ft，使Ft≤5000N，
其中，kC为材料切削比力＝5800N/mm2，进刀角度KAPR＝90°，材料常数mc＝0.8；
步骤七：对安装好的包壳管4进行试加工，在车床上设置加工工艺参数：主轴转速为2000转/分钟，切削深度为0.2mm，进刀角度为90°，进给速率为40mm/分钟，采用刀具3尖端微量润滑MQL形式供给切削液，对包壳管4进行试切削；
步骤八：对试切削加工过程及结果进行分析，根据数控车床自带的振动分析工具与主轴动力分析图，结合工人经验，确认切削过程中无异常状态，如过度振动或高频啸叫声。对加工完成的工件进行表面形貌观察，采用激光共聚焦显微镜或同类表面轮廓仪，对加工完成后的材料表面进行测量记录，获得表面粗糙度值。
步骤九：判断表面粗糙度值满足要求否？如果不满足要求，采用abaqus有限元模拟软件对加工过程建模并进行多场耦合模拟辅助加工状态，模拟超声振动辅助加工系统、光纤激光辅助加工系统1与刀具3复合作用在材料表面的情况，在得到模拟与实际表面粗糙度相近的工艺参数后，对不同工艺参数状态下的动态加工模型如不同光纤激光温度，不同超声振动辅助系统频率，不同进给量进行多次计算，对比模拟加工结果，筛选表面粗糙度值的最优值，获取表面粗糙度值的最优值对应的最佳工艺参数。
步骤十：使用最佳工艺参数对前一次加工工件时的实际加工工艺参数进行校正，校正的加工工艺参数包括激光温度，超声振动辅助加工系统振幅和频率，以及工件转速，切削深度，进刀角度和进给速率，返回步骤七继续执行，直至工件的表面粗糙度值满足要求，得到最终加工好的包壳管4。
最终加工好的包壳管4的表面形貌显微图如图5所示，包壳管4未加工时的表面形貌显微图如图3所示，包壳管4经传统工艺加工后的表面形貌显微图如图4所示，几者相对比可以明显看出，利用本发明提供的方法加工得到的包壳管4的表面质量最好。经检验，最终得到的包壳管4的表面粗糙度值小于3μm，尺寸精度公差在±0.1mm之内，并保持了材料表面的完整性与强度。
在同等加工参数下，利用PCD刀具切削、PCD刀具激光辅助切削、PCD刀具超声辅助切削和PCD刀具激光与超声辅助结合对SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的棒状构件进行了车削加工，以便于比较其表面粗糙度值的优劣，获取的工件表面粗糙度如下面的表1所示，由其可见，在PCD刀具激光与超声辅助结合的方式下，加工后的SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的表面粗糙度值最佳。
表1不同加工方式下的工件表面粗糙度值
| 材料去除方式 | 表面精度μm |
| PCD刀具切削 | 6.5 |
| PCD刀具激光辅助切削 | 5.8 |
| PCD刀具超声辅助切削 | 2.5 |
| PCD刀具激光与超声辅助结合 | 0.6 |
需要说明的是，本发明提供的一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，适用于超高长径比的SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的棒料和管类零件的加工，其能有效降低切削载荷，延长刀具寿命，提高SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的表面粗糙度值，但本发明中提到的思想和方法同样适用于其他应用场景中所有涉及到SiC纤维及SiC陶瓷基复合材料的加工的构件。
以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、安装超声振动辅助加工系统、红外测温装置、光纤激光辅助加工系统(1)和工件；
S2、选择切削刀具(3)，并将该刀具(3)安装在超声振动辅助加工系统上；
S3、启动并调整超声振动辅助加工系统、红外测温装置和光纤激光辅助加工系统(1)至正常工作状态；
S4、对工件进行试切削，记录试切削工艺参数和工件的表面粗糙度值；
S5、判断工件的表面粗糙度值满足要求否？如果不满足要求，对加工过程建模并进行多场耦合模拟辅助加工状态，在模拟工艺参数与试切削工艺参数相匹配后，多次调整模拟工艺参数，对不同工艺参数状态下的动态加工模型进行多次计算，筛选表面粗糙度值的最优值，获取表面粗糙度值的最优值对应的最佳工艺参数，将车床参数设置为最佳工艺参数，返回S4继续执行，直至工件的表面粗糙度值满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，其特征在于，所述超声振动辅助加工系统、红外测温装置和光纤激光辅助加工系统(1)均固定于车床行走刀架上，且所述超声振动辅助加工系统、红外测温装置和光纤激光辅助加工系统(1)与数控车床进行电连接。
3.根据权利要求2所述的一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，其特征在于，安装光纤激光辅助加工系统(1)时，打开激光源，将光纤激光辅助加工系统(1)开至最小能量设定，观察红色激光光斑，确认光纤激光辅助加工系统(1)工作正常，并使得激光的工作范围覆盖工件，在车床行走刀架行程范围内光束整形镜不会与车床内其他部件产生碰撞。
4.根据权利要求1所述的一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，其特征在于，所述工件以一夹一顶的方式装夹在车床上。
5.根据权利要求1所述的一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，其特征在于，启动并调整超声振动辅助加工系统至正常工作状态，包括以下步骤：
将一滴水滴在刀具(3)刀尖；
启动超声振动辅助加工系统；
观察水滴振动与否；
当水滴产生规律震动，则确认超声振动辅助加工系统工作正常；
调整超声振动辅助加工系统振动幅度与频率到预设值。
6.根据权利要求1所述的一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，其特征在于，启动并调整红外测温装置至正常工作状态，包括以下步骤：
启动红外测温装置实时测量工件表面温度；
红外测温装置将实时测量到的工件表面温度传送到车床的控制器内，与预设阈值进行对比，当工件表面温度大于预设恒温值时，控制器发出控制指令给光纤激光辅助加工系统(1)，使得光纤激光辅助加工系统(1)的激光能量发生变化，照射在工件表面能量降低从而使得工件表面温度保持在预设恒温值；当工件表面温度小于预设恒温值时，控制器发出控制指令给光纤激光辅助加工系统(1)，使得光纤激光辅助加工系统(1)的激光能量发生变化，照射在工件表面能量增大从而使得工件表面温度保持在预设恒温值。
7.根据权利要求6所述的一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，其特征在于，启动并调整光纤激光辅助加工系统(1)至正常工作状态，包括以下步骤：
在控制器中打开激光位置引导灯；
将激光束射出的激光光斑直径设置在预设值；
将激光光点对准刀具(3)的刀尖上方，激光光点与刀尖呈预设角度。
8.根据权利要求7所述的一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，其特征在于，所述激光光点与刀尖呈90度。
9.根据权利要求1所述的一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法，其特征在于，对工件进行切削时，以微量润滑形式进行。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310739702.0A CN116551860A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310739702.0A CN116551860A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法 |
Publications (1)
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| CN116551860A true CN116551860A (zh) | 2023-08-08 |
Family
ID=87494941
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| CN202310739702.0A Pending CN116551860A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料的车削加工方法 |
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| CN (1) | CN116551860A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116921708A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-24 | 山东理工大学 | 一种激光超声多场辅助车削钛合金微织构表面制备方法 |
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2023
- 2023-06-21 CN CN202310739702.0A patent/CN116551860A/zh active Pending
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| CN116921708A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-24 | 山东理工大学 | 一种激光超声多场辅助车削钛合金微织构表面制备方法 |
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