[發明專利]一種改善高體份金屬基復合材料加工表面完整性的方法

有效

• 申請號: 201310564380.7
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN103551798A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 崔巖;劉書奎;王理華
• 申請（專利權）人: 北方工業大學
• 主分類號: B23P13/02
• 分類號: B23P13/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種改善高體份金屬基復合材料加工表面完整性的方法，屬于航空航天材料加工技術領域。

背景技術

高體份陶瓷顆粒增強金屬基復合材料（尤其是碳化硅顆粒增強鋁基復合材料）具有高比剛度、高比強度、尺寸穩定性好，良好的導熱性、耐磨性和抗腐蝕性等一系列優點，因此廣泛應用于航空、航天、汽車制造、武器、光學精密儀器等領域。但是由于增強相的加入使得復合材料的硬度大幅度提高，一些傳統的加工刀具（硬質合金刀具等）和方法（電火花加工、線切割加工等）又會對切削材料表面造成很大的損傷和較大的表面粗糙度以及表面殘余應力過高，使加工出的材料表面高溫氧化、凹坑、凸起還有劃痕現象明顯，加工材料表面形貌、表面粗糙度、表面殘余應力、表面光潔度等達不到預期的要求；堅硬的增強相顆粒對加工刀具有嚴重的磨粒磨損作用，刀具壽命過短，加工工件時要不斷地修磨刀具，不能達到連續加工的目的；金剛石刀具的使用會大大增加加工成本，并且金剛石刀具不能對工件進行粗加工。因此，在對高體份金屬基復合材料加工時如何改善其加工表面完整性，降低加工成本，從而達到在航空航天中的工程應用已成為亟待解決的問題。

發明內容

針對高體份金屬基復合材料本身的特點，本發明提供了一種特制的陶瓷燒結金剛石顆粒的磨頭刀具和加工工藝，可獲得表面粗糙度小，表面形貌損傷層小，表面殘余應力低，表面光潔度好的改善高體份金屬基復合材料加工表面完整性的方法。

一種改善高體份金屬基復合材料加工表面完整性的方法，對高體份金屬基復合材料用一種特制的陶瓷燒結金剛石顆粒的磨頭刀具進行粗磨銑和精磨銑兩次加工。粗磨銑是為了使加工試樣基本達到加工要求尺寸，基本保證平整度和表面粗糙度；精磨銑是為了進一步改善材料表面粗糙度，減少表面形貌損傷，降低表層殘余應力，實現表面高光潔度。具體加工步驟如下：

粗磨銑：

1）采用均質、高硬度、高平整度的燒結陶瓷金剛石顆粒的磨頭刀具；

2）采用銑床或加工中心，控制主軸轉速在2000-4000r/min、進給速度在400-800mm/min、背吃刀量在0.5-0.8mm；

選用充氮氣的方法來冷卻加工工件及刀具；

用銑床或加工中心對高體份金屬基復合材料進行粗磨銑加工；

對粗磨銑后的試樣進行精磨銑：

1）采用均質、高硬度、高平整度的燒結陶瓷金剛石顆粒的磨頭刀具；

2）采用銑床或加工中心，控制主軸轉速在4000-8000r/min、進給速度在200-400mm/min、背吃刀量在0.2-0.5mm；

3）選用充氮氣的方法來冷卻加工工件及刀具；

4）用銑床或加工中心對高體份金屬基復合材料進行精磨銑加工；

（3）精磨銑后對加工表面進行清洗以去除表面上殘留的污物和雜質；

粗磨銑和精磨銑加工時，均采用充氮氣的方法替代冷卻液，減少了切削液帶來的腐蝕和雜質的混入。

粗磨銑加工后，高體份金屬基復合材料試樣經過清洗后，采用三維共聚焦表面形貌儀測得的表面粗糙度Sa約為2.2μm，采用Proto-iXRD便攜式殘余應力分析系統測得表面殘余應力為43.34MPa，用S4800冷場發射掃描電子顯微鏡觀察加工表面形貌損傷情況。

精磨銑加工后，高體份金屬基復合材料試樣經過清洗后，采用三維共聚焦表面形貌儀測得的表面粗糙度Sa約為0.7μm，采用Proto-iXRD便攜式殘余應力分析系統測得表面殘余應力為22.51MPa，用S4800冷場發射掃描電子顯微鏡觀察加工表面形貌損傷比較輕微，光潔度良好，無雜質污染。

本發明具有以下優點：

1、一種改善高體份金屬基復合材料加工表面完整性的方法，采用一種特制的燒結金剛石顆粒的磨頭刀具加工；

2、精磨銑加工選用機床加工參數為主軸轉速在4000-8000r/min、進給速度在200-400mm/min、背吃刀量在0.2-0.5mm范圍加工，可獲得加工表面損傷層小，表面雜質物少，表面光潔度高，最終測得表面粗糙度小于1.6μm，表面殘余應力低于30MPa；

3、可加工出的零件表面平行度高；

4、刀具磨損比較小，排屑槽設置合理，排屑方便，保護加工表面不受排屑刮傷；

5、操作方便，自動化程度高，加工精度高；

6、工藝流程簡單，成本低，效率高。

附圖說明

圖1為硬質合金刀具加工表面形貌損傷圖；加工表面小孔洞、大凹坑明顯，表層劃痕嚴重，出現高溫氧化現象，表面平整度很低。