CN116277528A - 一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法 - Google Patents
一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116277528A CN116277528A CN202310062310.5A CN202310062310A CN116277528A CN 116277528 A CN116277528 A CN 116277528A CN 202310062310 A CN202310062310 A CN 202310062310A CN 116277528 A CN116277528 A CN 116277528A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- sic
- turning
- tool
- ceramic matrix
- workpiece
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
- B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
- B28D1/16—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by turning
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
- B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
- B28D7/00—Accessories specially adapted for use with machines or devices of the preceding groups
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
- B28D7/00—Accessories specially adapted for use with machines or devices of the preceding groups
- B28D7/005—Devices for the automatic drive or the program control of the machines
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
- B28D7/00—Accessories specially adapted for use with machines or devices of the preceding groups
- B28D7/02—Accessories specially adapted for use with machines or devices of the preceding groups for removing or laying dust, e.g. by spraying liquids; for cooling work
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Milling Processes (AREA)
Abstract
本发明一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,属于车削加工技术领域;方法步骤为:装夹工件;确定光整及试验用刀具;安装刀具及超声车削刀柄;测试振动状态;检测振幅幅值;光整工件表面;加工试验:根据工件确定加工工艺参数域,对安装完成的SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件进行超声振动辅助车削正交试验;清理工件表面切屑;车削加工后处理。本发明所采用的SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,通过将超声振动应用在SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工过程中,改变了刀具与工件的接触状态与切削机制,使传统的连续切削变为断续切削,减少了刀具‑工件的接触时间,降低了刀具与工件和切屑的摩擦。
Description
技术领域
本发明属于车削加工技术领域,具体涉及一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法。
背景技术
碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复材(SiCf/SiC陶瓷基复合材料)由于高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀的特性,在涡轮叶片、燃烧室火焰筒、尾喷管等未来先进航空发动机热端零部件中具有广泛的应用前景。但是,SiCf/SiC陶瓷基复合材料由于高硬度、高脆性使其在机械加工中成为一种典型的高硬度超难加工材料。实际工程中热端零部件回转面的车削加工不可避免,但目前SiCf/SiC陶瓷基复合材料的研究多集中在板状工件的铣削、磨削和钻削等领域,关于筒状或棒状工件的车削领域研究暂无公开报道。
池宪等研究人员在第二十一届全国复合材料学术会议(NCCM-21)论文集,2020:83-89发表的“SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动高速铣削制孔表面形貌研究”,对比了硬质合金刀具、金刚石涂层刀具、电镀超硬磨料刀具、钎焊金刚石刀具、PCD刀具的切削性能,表明硬质合金刀具磨损严重无法使用,钎焊金刚石刀具加工质量最差,而PCD刀具加工质量最高。Yifeng Xiong等在Journal of Materials Research and Technology,19(2022)3018-3033发表的“Feasibility and tool performance of ultrasonic vibration-assisted milling-grinding SiCf/SiC ceramic matrix composite”,得出对于SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助铣磨加工,聚晶金刚石刀具切削性能和刀具寿命均优于钎焊金刚石刀具和电镀金刚石刀具;并且建议选择较大主轴转速、较低进给速度、较小切削深度等加工参数,超声频率30kHz,超声振幅4μm。孔宪俊等在工具技术,56(2022)9-13发表的“陶瓷基复合材料铣削力优化及刀具磨损研究”,表明切削SiCf/SiC陶瓷基复合材料时存在切削力大和刀具磨损严重的问题,并以铣削力最小和刀具磨损最低为优化目标,得到最优铣削工艺参数组为主轴转速4000r/min,进给速度90mm/min,铣削深度0.02mm。上述文献表明,在SiCf/SiC陶瓷基复合材料的机械加工中,普遍存在刀具磨损严重、加工表面质量差等问题,刀具的匹配性及工艺参数的选取限制了该材料在工业上的应用进程。
聚晶金刚石复合片(PDC)属于一种新型功能材料,是采用金刚石微粉与硬质合金衬底在超高压高温条件下烧结而成,既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性,又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性。复合片中的金刚石含量高达99%,故金刚石切削层硬度极高、耐磨性极好,是制造切削刀具及其他耐磨工具的理想材料。但现有技术SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工领域中,暂未见公开采用PDC车削刀具的研究报道。
发明内容
要解决的技术问题:
为了实现SiCf/SiC陶瓷基复合材料的车削加工,并克服现有机械加工中存在的加工问题,本发明提出一种超声振动辅助加工方法实现SiCf/SiC陶瓷基复合材料的车削加工。超声振动辅助车削加工是指将超声振动与车削加工进行复合,在刀具车削工件时,将外激高频振动加载到刀具上,在加工过程中引入超声振动减小了刀具与工件的接触时间和摩擦效应,通过设计专用工艺流程、冷却方法、以及工艺参数的计算,将有利于提高车削加工效果。采用定制几何尺寸的耐磨性更高的PDC刀片,选择合适的冷却方法和工艺参数组对SiCf/SiC陶瓷基复合材料进行超声振动辅助车削试验,实现了SiCf/SiC陶瓷基复合材料的车削加工,并且获得了相对较好的车削表面质量、相对较小的刀具磨损。
本发明的技术方案是:一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于具体步骤如下:
步骤一:装夹工件:采用装夹工装将筒状SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件装夹于数控车床上;
步骤二:确定光整及试验用刀具:确定光整工件表面及正式试验用刀具的材质、几何尺寸;
步骤三:安装刀具及超声车削刀柄;
步骤四:测试振动状态;
步骤五:检测振幅幅值:使用激光测振仪检测并调整超声振动的振幅,最终使振幅达到预定值;
步骤六:光整工件表面:对筒状SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件进行车削光整,光整时开启超声电源并加入冷却液;
步骤七:加工试验:根据工件确定加工工艺参数域,对安装完成的SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件进行超声振动辅助车削正交试验;
步骤八:清理工件表面切屑;
步骤九:车削加工后处理。
本发明的进一步技术方案是:所述光整用刀具为定制PDC刀具,刀尖角55°、前角0°、后角7°、刀尖半径1.2mm、切削层厚度1.6mm。
本发明的进一步技术方案是:所述试验用刀具为定制PDC刀具,刀尖角55°、前角0°、后角7°、刀尖半径0.6mm、切削层厚度1.6mm。
本发明的进一步技术方案是:所述超声振动辅助车削试验参数域为线速度15~60m/min,进给速度0.01~0.07mm/rev,切削深度0.05~0.20mm,超声频率33kHz,超声振幅3μm。
本发明的进一步技术方案是:所述步骤一中,装夹工装包括两个圆形凸台、六角螺栓、两端中心处分别开有六边形和锥形凹槽的圆柱体;所述筒状SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件尺寸为Φ100×200mm,壁厚6mm。
本发明的进一步技术方案是:所述步骤三中,将刀片通过螺钉固定于超声车削刀柄刀头部位,并将超声车削刀柄夹持、固定于刀架上。
本发明的进一步技术方案是:所述步骤四中,将水用毛刷蘸在刀具上,设置超声参数并加载超声能看到雾化或水在振动,证明振动效果处于共振状态;如果看不到雾化现象,需要更改超声参数,直至有雾化现象出现。
本发明的进一步技术方案是:所述步骤八中清理工件表面切屑的方法为,试验结束后,使工件逆时针旋转,采用数控车床气枪或高压水枪清理切削工件时残存在表面的断裂纤维、基体粉末。
本发明的进一步技术方案是:所述步骤九的车削加工后处理为,
步骤1:车削表面检测:采用光学式三维扫描仪对加工表面粗糙度、刀具磨损进行检测;
步骤2:正交试验结果分析:分析SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削正交试验结果,并采用GA遗传优化算法对工艺参数进行优化;
步骤3:优化参数试验及结果分析:采用优化的加工参数,进行SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削及普通车削试验,并对粗糙度及刀具磨损进行检测和分析。
本发明的进一步技术方案是:在SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削试验时,采用冷却液进行车削或者选择不加冷却液的干式切削;冷却装置选择普通流水冷却装置,或者采用外接高压水枪装置进行冷却。
优选的,所述车床为HK63数控车床;所述振幅测量仪器为LV-S01型单点激光多普勒测振仪;所述光学式三维扫描仪为Alicona Infinite Focus G4全自动扫描仪。
有益效果
本发明的有益效果在于:本发明所采用的SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,通过将超声振动应用在SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工过程中,改变了刀具与工件的接触状态与切削机制,使传统的连续切削变为断续切削,减少了刀具-工件的接触时间,降低了刀具与工件和切屑的摩擦。
本发明应用超声振动辅助加工技术,结合耐磨性更高的PDC刀具、冷却液及冷却方式,同时设计相匹配的优化工艺参数组,不仅成功实现了SiCf/SiC陶瓷基复合材料的车削加工,还获得了优于普通车削加工的表面粗糙度及相对较低的刀具磨损。
在车削加工SiCf/SiC陶瓷基复合材料过程中应用超声振动,采用PDC刀具、全合成切削液及高压水枪冷却,选用优化工艺参数组,成功实现了该材料的车削加工,并且相比于普通车削加工,表面粗糙度和刀具磨损分别降低了22.09%和36.22%。相比于普通车削加工,本发明所述方法获得了相对更好的加工效果。
目前关于SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削领域的相关研究暂无公开报道,且在其他机械加工领域中普遍存在刀具磨损大、加工质量差的问题,本发明为该材料在此领域的后续相关研究奠定了一定的基础,具有一定的借鉴意义。
附图说明
图1为本发明所采用的超声振动辅助车削加工装置示意图。
图2为本发明中不同刀尖半径PDC刀具对加工表面粗糙度、刀具磨损的影响规律,(a)刀尖半径对表面粗糙度的影响,(b)刀尖半径对刀具磨损的影响。
图3为本发明中PDC刀具失效标准,(a)刀具严重崩刃失效,(b)刀具过度磨损失效(刀具侧面磨损宽度VBmax≥0.6mm)。
图4为本发明中超声频率对加工表面粗糙度、刀具磨损的影响规律,(a)超声频率对表面粗糙度的影响,(b)超声频率对刀具磨损的影响。
图5为本发明中超声振幅对加工表面粗糙度、刀具磨损的影响规律,(a)超声振幅对表面粗糙度的影响,(b)超声振幅对刀具磨损的影响。
图6为本发明实施例中采用优化工艺参数组,开展的SiCf/SiC陶瓷基复合材料普通车削和超声振动辅助车削试验结果,(a)普通车削加工,(b)超声振动辅助车削加工。
附图标记说明:1-左侧圆形凸台、2-SiCf/SiC陶瓷基复合材料筒状工件、3-螺栓、4-右侧圆形凸台、5-带有六边形和锥形凹槽的圆柱体(过渡连接装置)、6-机床顶针、7-四爪卡盘,8-超声车削刀柄固定、9-刀架。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
本实施例一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,具体步骤如下:
步骤一:装夹工件:采用装夹工装将筒状SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件装夹于数控车床上;
步骤二:确定光整及试验用刀具:确定光整工件表面及正式试验用刀具的材质、几何尺寸;
步骤三:安装刀具及超声车削刀柄;
步骤四:测试振动状态;
步骤五:检测振幅幅值:使用激光测振仪检测并调整超声振动的振幅,最终使振幅达到预定值;
步骤六:光整工件表面:对筒状SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件进行车削光整,光整时开启超声电源并加入冷却液;
步骤七:加工试验:根据工件确定加工工艺参数域,对安装完成的SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件进行超声振动辅助车削正交试验;
步骤八:清理工件表面切屑;
步骤九:车削加工后处理。
优选的,所述光整用刀具为定制PDC刀具,刀尖角55°、前角0°、后角7°、刀尖半径1.2mm、切削层厚度1.6mm。
优选的,所述试验用刀具为定制PDC刀具,刀尖角55°、前角0°、后角7°、刀尖半径0.6mm、切削层厚度1.6mm。
优选的,所述超声振动辅助车削试验参数域为线速度15~60m/min,进给速度0.01~0.07mm/rev,切削深度0.05~0.20mm,超声频率33kHz,超声振幅3μm。
下面结合附图和具体实施例,对本发明提供的SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法作进一步说明。
本实施例的SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工刀具及方法,包括以下主要技术措施:
步骤一:装夹工件:采用自行设计的两个圆形凸台、六角螺栓及两边带有六边形和锥形凹槽的圆柱体(过渡连接),及机床顶针,将筒状SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件轴向连接起来,并夹紧在HK63型数控车床上,使工件轴向压紧。安装好后,使工件逆时针旋转,采用百分表进行找正,确保工件与主轴同轴。例如:《2022202226958一种筒状硬脆性材料车削加工工件装夹工装》专利申请文件中所公开内容。
步骤二:确定光整及试验用刀具:选择耐磨性更高的聚晶金刚石复合片刀具(PDC刀具)作为车削SiCf/SiC陶瓷基复合材料用刀具,几何尺寸为刀尖角55°、前角0°、后角7°、刀尖半径0.2/0.4/0.6/0.8/1.2mm、切削层厚度1.6mm。针对不同刀尖半径的PDC刀具,进行了两组不同工艺参数的切削效果对比试验,结果如图2所示。可以看出,两组试验中R0.4mm和R0.6mm的PDC刀具获得了好于R0.2、R0.8及R1.2mm刀具的加工表面质量。但随着刀尖半径由R0.2mm增加到R1.2mm,刀具磨损均逐渐降低,这表明刀尖半径越大,刀具的耐磨性越好,使用寿命越长,大刀尖半径刀具更适合于光整用。但刀尖半径越大,刀具-工件的接触长度越大,单位时间内切削的纤维数越多,切削阻力越大,纤维和基体以较多数量被去除,产生明显的纤维拔出、纤维断裂等现象,导致加工质量变差。而刀尖半径为R0.2mm时,较小的刀尖在接触到高硬度SiCf/SiC陶瓷基复合材料的短时间内便产生较大的磨损,导致刀具-工件的接触长度在较短时间内达到较大值,从而产生了较差的切削效果。虽然R0.4mm和R0.6mm的PDC刀具获得了相近的切削质量,但R0.6mm刀具的耐磨性明显好于R0.4mm,因此更适于试验用刀具。因此,光整用PDC刀具几何尺寸为:刀尖角55°、前角0°、后角7°、刀尖半径1.2mm、切削层厚度1.6mm;试验用刀具几何尺寸:刀尖角55°、前角0°、后角7°、刀尖半径0.6mm、切削层厚度1.6mm。
步骤三:安装刀具及超声车削刀柄:将PDC刀片用螺钉固定在超声车削刀柄刀头部位,使刀具的上表面处于水平位置,刀尖与待加工工件中心位于同一高度。并将超声车削刀柄夹持、固定在刀架上,确保刀柄刀身方向垂直于工件轴向。
步骤四:测试振动状态:将水用毛刷蘸在刀具上,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;如果看不到雾化现象,需要更改超声参数,直至有雾化现象出现。
步骤五:检测振幅幅值:使用LV-S01型单点激光多普勒测振仪检测并调整超声振动的振幅,最终使振幅达到预定的3μm。
步骤六:选择冷却液:在SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削试验时,采用全合成切削液作为冷却液进行车削加工。
步骤七:选择冷却装置:在SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削试验时,采用外接高压水枪进行冷却。
步骤八:光整工件表面:将超声振动加工系统与超声车削刀柄相连接,采用线速度30m/min,进给速度0.03mm/rev,切削深度0.1mm,超声频率33kHz,超声振幅3μm对SiCf/SiC陶瓷基复合材料进行光整,光整时开启超声电源并加入冷却液。当刀具磨损VBmax超过0.6mm时,及时更换新的光整刀具。
步骤九:加工试验:对安装好的SiCf/SiC陶瓷基复合材料进行三因素四水平正交车削试验。由于SiCf/SiC陶瓷基复合材料具有硬度高、脆性大、断裂韧性低等特性,加工中面临刀具磨损大、加工质量较差的问题。基于超声振动辅助车削试验,以刀具磨损、表面粗糙度为衡量指标,确定工艺参数域。将PDC刀具出现严重崩刃、磨损过度(最大侧面磨损宽度VBmax超过0.6mm)作为刀具失效标准(如图3),刀具失效后确定初始工艺参数域。根据加工表面粗糙度检测结果,进一步缩小并确定最终工艺参数域。超声车削刀柄频率为固有频率,与超声振幅均受超声设备的限制,无法满足一定范围内连续性可调。针对现有20kHz、30kHz、33kHz、35kHz超声车削刀柄的切削效果,优选合适的超声频率和超声振幅。如图4所示,两组不同工艺参数试验中,随着超声频率的增加,表面粗糙度及刀具磨损的变化具有一定的规律性,均在33kHz时取得了最好的切削效果。而随着超声振幅的增加,表面粗糙度和刀具磨损均先减小、后增大,在3μm时取得最好的切削效果(如图5)。超声冲击作用随着振幅的增大而增大,在一定范围内振幅的增大使刀具-工件分离效应更加明显。然而,随着振幅的增大,由于刀具和工件的硬度和脆性都很高且相近,冲击作用的增大会增加刀具磨损,从而影响表面粗糙度。此外,振幅增大也会影响切削系统的稳定性,从而对切削效果产生影响。因此,相比于超声振幅1μm时,5μm时粗糙度和刀具磨损有所增加。超声振幅为1μm时,超声振动作用较弱,难以充分发挥超声加工的优势,接近于普通车削加工,进而导致粗糙度和磨损相对较高。
综上,三因素四水平正交试验工艺参数域为线速度15~60m/min,进给速度0.01~0.07mm/rev,切削深度0.05~0.2mm,所采用超声频率33kHz、超声振幅3μm,切削宽度为8mm,加工过程中确保超声振动设备的电源处于打开状态。
步骤十:清理工件表面切屑:试验结束后,使工件逆时针旋转,采用数控车床气枪或高压水枪清理切削工件时残存在表面的断裂纤维、基体粉末。
步骤十一:车削表面检测:采用Alicona Infinite Focus G4全自动扫描仪对加工表面粗糙度、刀具磨损进行检测,取5次测量的平均值作为最终检测结果。
步骤十二:试验结果分析:基于正交试验结果,以最低粗糙度、最小刀具磨损为优化目标,采用GA遗传优化算法对加工参数进行优化。
(1)车削表面粗糙度Sa模型:
表面粗糙度经验模型的建立通常采用指数型经验公式,常用正交试验方法获得,其模型可以表示为:
Sa=F·(Vc,f,ap)=a·Vc b·fc·ap d (1)
其中:Sa表示车削表面粗糙度,Vc表示切削线速度,f表示切削进给速度,ap表示切削工件深度,a为常数,b、c、d为指数。
式(1)两边取对数得:
Log Sa=Log(a)+b·Log(Vc)+c·Log(f)+d·Log(ap) (2)
令A=Log(Sa)、a0=Log(a)、X1=b·Log(Vc)、X2=c·Log(f)、X3=d·Log(ap),则式(2)可以简化为:
A=a0+X1+X2+X3 (3)
利用正交试验结果,采用多元线性回归法对二维粗糙度模型进行拟合,然后反求式(2)中得各系数,得到表面粗糙度经验模型如式(4)所示:
Sa=15.4544·Vc -0.0509·f0.0037·ap 0.1229 (4)
其中,回归线性方差为R2=0.8464>0.8,说明拟合的模型和实际较为接近。
(2)刀具磨损VB模型
刀具磨损模型建立方法同表面粗糙度方法,通过多元线性回归法得到刀具磨损经验模型,如式(5)所示:
VB=1.2270·Vc 0.0051·f0.0428·ap 0.3642 (5)
其中,回归线性方差为R2=0.9247>0.8,说明拟合的模型和实际较为接近。
根据正交实验检测结果,对约束条件进行优化,结果如式(6):
根据实际应用,确定表面粗糙度和刀具磨损优化目标权重,分别为0.6和0.4,总目标函数如式(7)所示:
采用GA遗传优化算法,进行工艺参数优化,结果为:线速度45m/min,进给速度0.01mm/rev,切削深度0.05mm,所采用超声频率33kHz、超声振幅3μm。
步骤十三:优化参数试验及结果分析:采用优化的加工参数,对SiCf/SiC陶瓷基复合材料进行超声振动辅助车削及普通车削试验。检测后可知,超声振动作用下的刀具磨损VB=0.3861mm,粗糙度Sa=8.3239μm;普通车削下刀具磨损VB=0.6054mm,粗糙度Sa=10.6837μm。
综上所述,在车削加工SiCf/SiC陶瓷基复合材料过程中应用超声振动,采用PDC刀具、全合成切削液及高压水枪冷却,选用优化工艺参数组,成功实现了该材料的车削加工,并且相比于普通车削加工,表面粗糙度和刀具磨损分别降低了22.09%和36.22%。相比于普通车削加工,本发明所述方法获得了相对更好的加工效果。
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 (10)
1.一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于具体步骤如下:
步骤一:装夹工件:采用装夹工装将筒状SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件装夹于数控车床上;
步骤二:确定光整及试验用刀具:确定光整工件表面及正式试验用刀具的材质、几何尺寸;
步骤三:安装刀具及超声车削刀柄;
步骤四:测试振动状态;
步骤五:检测振幅幅值:使用激光测振仪检测并调整超声振动的振幅,最终使振幅达到预定值;
步骤六:光整工件表面:对筒状SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件进行车削光整,光整时开启超声电源并加入冷却液;
步骤七:加工试验:根据工件确定加工工艺参数域,对安装完成的SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件进行超声振动辅助车削正交试验;
步骤八:清理工件表面切屑;
步骤九:车削加工后处理。
2.根据权利要求1所述一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于:所述光整用刀具为定制PDC刀具,刀尖角55°、前角0°、后角7°、刀尖半径1.2mm、切削层厚度1.6mm。
3.根据权利要求2所述一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于:所述试验用刀具为定制PDC刀具,刀尖角55°、前角0°、后角7°、刀尖半径0.6mm、切削层厚度1.6mm。
4.根据权利要求3所述一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于:所述超声振动辅助车削试验参数域为线速度15~60m/min,进给速度0.01~
0.07mm/rev,切削深度0.05~0.20mm,超声频率33kHz,超声振幅3μm。
5.根据权利要求4所述一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于:所述步骤一中,装夹工装包括两个圆形凸台、六角螺栓、两端中心处分别开有六边形和锥形凹槽的圆柱体;所述筒状SiCf/SiC陶瓷基复合材料工件尺寸为Φ100×200mm,壁厚6mm。
6.根据权利要求1-5任一项所述一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于:所述步骤三中,将刀片通过螺钉固定于超声车削刀柄刀头部位,并将超声车削刀柄夹持、固定于刀架上。
7.根据权利要求1-5任一项所述一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于:所述步骤四中,将水用毛刷蘸在刀具上,设置超声参数并加载超声能看到雾化或水在振动,证明振动效果处于共振状态;如果看不到雾化现象,需要更改超声参数,直至有雾化现象出现。
8.根据权利要求1-5任一项所述一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于:所述步骤八中清理工件表面切屑的方法为,试验结束后,使工件逆时针旋转,采用数控车床气枪或高压水枪清理切削工件时残存在表面的断裂纤维、基体粉末。
9.根据权利要求1-5任一项所述一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于:所述步骤九的车削加工后处理为,
步骤1:车削表面检测:采用光学式三维扫描仪对加工表面粗糙度、刀具磨损进行检测;
步骤2:正交试验结果分析:分析SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削正交试验结果,并采用GA遗传优化算法对工艺参数进行优化;
步骤3:优化参数试验及结果分析:采用优化的加工参数,进行SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削及普通车削试验,并对粗糙度及刀具磨损进行检测和分析。
10.根据权利要求1-5任一项所述一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法,其特征在于:在SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助车削试验时,采用冷却液进行车削或者选择不加冷却液的干式切削;冷却装置选择普通流水冷却装置,或者采用外接高压水枪装置进行冷却。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310062310.5A CN116277528A (zh) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | 一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310062310.5A CN116277528A (zh) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | 一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116277528A true CN116277528A (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=86787829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310062310.5A Pending CN116277528A (zh) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | 一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116277528A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117102518A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-11-24 | 中国科学院金属研究所 | 一种SiC纤维增强金属基复合材料轴形件定位加工方法 |
| CN117245537A (zh) * | 2023-09-26 | 2023-12-19 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 陶瓷基复合材料构件在数控机床上快速切边的加工方法 |
| CN119028498A (zh) * | 2024-10-28 | 2024-11-26 | 常熟理工学院 | 陶瓷复合装甲的旋转超声孔加工工艺参数优化方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050076755A1 (en) * | 2003-03-11 | 2005-04-14 | Zimmerman Michael H. | Method and apparatus for machining fiber cement |
| CN101080296A (zh) * | 2005-03-16 | 2007-11-28 | 住友电工硬质合金株式会社 | 高质量·高效率加工用cbn切削工具 |
| CN102528077A (zh) * | 2011-11-29 | 2012-07-04 | 清华大学 | 一种黑色金属超精形面的加工方法 |
| CN103878440A (zh) * | 2014-03-25 | 2014-06-25 | 郑州市钻石精密制造有限公司 | 一种pcd铰刀 |
| CN110976914A (zh) * | 2019-12-14 | 2020-04-10 | 大连理工大学 | 一种钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法 |
| CN113231898A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-10 | 西北工业大学 | 一种难加工SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助加工方法 |
| CN114160818A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-11 | 西北工业大学 | 一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置及加工方法 |
-
2023
- 2023-01-20 CN CN202310062310.5A patent/CN116277528A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050076755A1 (en) * | 2003-03-11 | 2005-04-14 | Zimmerman Michael H. | Method and apparatus for machining fiber cement |
| CN101080296A (zh) * | 2005-03-16 | 2007-11-28 | 住友电工硬质合金株式会社 | 高质量·高效率加工用cbn切削工具 |
| CN102528077A (zh) * | 2011-11-29 | 2012-07-04 | 清华大学 | 一种黑色金属超精形面的加工方法 |
| CN103878440A (zh) * | 2014-03-25 | 2014-06-25 | 郑州市钻石精密制造有限公司 | 一种pcd铰刀 |
| CN110976914A (zh) * | 2019-12-14 | 2020-04-10 | 大连理工大学 | 一种钨合金复杂曲面零件的超精密加工方法 |
| CN113231898A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-10 | 西北工业大学 | 一种难加工SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助加工方法 |
| CN114160818A (zh) * | 2021-12-06 | 2022-03-11 | 西北工业大学 | 一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置及加工方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 郑文虎: "《难切削材料加工技术》", vol. 1, 31 August 2008, 国防工业出版社, pages: 44 - 45 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117102518A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-11-24 | 中国科学院金属研究所 | 一种SiC纤维增强金属基复合材料轴形件定位加工方法 |
| CN117245537A (zh) * | 2023-09-26 | 2023-12-19 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 陶瓷基复合材料构件在数控机床上快速切边的加工方法 |
| CN119028498A (zh) * | 2024-10-28 | 2024-11-26 | 常熟理工学院 | 陶瓷复合装甲的旋转超声孔加工工艺参数优化方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN116277528A (zh) | 一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料车削加工方法 | |
| CN102172823A (zh) | 一种用于加工碳纤维增强塑料的多刃pcd铣刀及其制造方法 | |
| Su et al. | Study of thrust forces and delamination in drilling carbon-reinforced plastics (CFRPs) using a tapered drill-reamer | |
| Han et al. | Review on current situation and development trend for ultrasonic vibration cutting technology | |
| CN113231898B (zh) | 一种难加工SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助加工方法 | |
| CN112620744B (zh) | 一种难加工复合材料TiB2/7050Al的超声振动辅助铣削加工方法 | |
| CN108280297A (zh) | 一种微量润滑切削加工时冷却润滑工艺参数优化方法 | |
| CN109482948B (zh) | 原位自生型TiB2颗粒增强铝基复合材料超声振动辅助加工方法 | |
| CN101665238A (zh) | 一种微纳放电加工微三维结构的方法和系统 | |
| Shan et al. | Rotary ultrasonic drilling of needle-punched carbon/carbon composites: comparisons with conventional twist drilling and high-speed drilling | |
| CN116714115A (zh) | 一种陶瓷基复合材料铣削加工方法 | |
| Zhang et al. | Analysis of the optimization of tool geometric parameters for milling of Inconel718 | |
| Li et al. | Grinding performance integrated experimental evaluation on alumina ceramics with leaf-vein bionic grinding wheel | |
| CN105290470B (zh) | 石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法 | |
| CN102000959B (zh) | 内孔冷却聚晶金刚石螺纹高速成形刀具制造方法 | |
| CN102717343A (zh) | 一种带有容屑槽的球头铣磨工具 | |
| CN205324874U (zh) | 一种加工大直径孔的可调式焊接铰刀 | |
| CN101982267A (zh) | 一种引导型自动进给轻质、耐磨滑动副超声振动镗削装置 | |
| CN119609779B (zh) | 一种高频超声振动辅助磨削加工硬脆材料微小孔的方法 | |
| CN203578940U (zh) | 一种用于加工新型复合材料的pcd铰刀 | |
| CN112828319A (zh) | 一种陶瓷基复合材料的超声弯曲振动辅助车削装置及方法 | |
| CN102717342A (zh) | 一种可实现无机复合材料高效加工的铣磨工具 | |
| CN118342140A (zh) | 一种SiCf/SiC复合材料微小孔钻削方法 | |
| Jemielniak | Rough turning of Inconel 718 | |
| CN114160818A (zh) | 一种Cf/SiC陶瓷基复合材料车削测力辅助装置及加工方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |