本發(fā)明涉及一種陶瓷基復合材料螺紋低損傷加工工藝，特別是涉及一種高硬度、各向異性連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料微細螺紋的低損傷、高效率、高精度加工刀具及工藝方法，屬于復合材料機械加工領域。

背景技術：

連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料(continuousfiberreinforcedceramicsmatrixcomposites,cfcmc)是在陶瓷基體中引入連續(xù)纖維第二相作為增強材料，由纖維作為增強劑抑制陶瓷基體中裂紋的擴展，因而cfcmc的斷裂韌度遠高于傳統(tǒng)的單相陶瓷，在一定程度上克服了陶瓷基復合材料固有的脆性問題。同時，cfcmc具有密度小、比強度高、比模量高、熱機械性能和抗熱震沖擊性能優(yōu)良、耐燒蝕性能和絕熱性能優(yōu)異等特點。因而，將cfcmc應用于航天防熱結構中可實現(xiàn)耐燒蝕、隔熱和結構支撐等多功能的材料一體化設計，達到大幅提高任務效能的目的。近年來，新型cfcmc材料倍受西方國家關注并大力開展相關研究，在某些領域中已逐漸取代了傳統(tǒng)的碳基與樹脂基復合材料。基于frcmc的熱防護系統(tǒng)和熱結構已成為歐洲空間組織hermes、mstp與ard項目、高推重比航空發(fā)動機熱端材料等項目的重點研究領域。

然而，高硬度、各向異性連續(xù)纖維增強的陶瓷基復合材料屬于典型的難加工材料，其結構件具有硬度高、脆性大、導熱性差、非均質性、加工冷卻條件苛刻等特點，導致該類材料在切削加工時切削力大、刀具壽命低、刀具可靠性差等問題。尤其是連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料螺紋屬于可設計的纖維編織結構，具有典型的各向異性特點，導致該材料螺紋在精密加工中存在螺紋損傷嚴重、螺紋牙型保持率低、加工效率低下、加工成本高、刀具磨損嚴重等問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種各向異性cfcmc螺紋低損傷加工工藝方法。

本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現(xiàn)的：一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料螺紋低損傷加工工藝方法，包括如下步驟：

步驟(一)、利用電鍍金剛石平底刀具在連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料上加工螺紋大徑；

步驟(二)、在步驟一已加工螺紋大徑圓柱的基礎上，利用電鍍金剛石螺紋刀具或壓制金剛石螺紋刀具，根據(jù)螺紋仿形銑磨削工藝采取變進給與變切深的方式粗加工螺紋；

步驟(三)、在步驟二粗加工螺紋的基礎上，利用電鍍金剛石螺紋刀具或壓制金剛石螺紋刀具根據(jù)螺紋仿形銑磨削工藝精加工螺紋；

上述電鍍金剛石螺紋刀具或壓制金剛石螺紋刀具的螺紋刀具直徑為20～40mm，刀具截形夾角為50～60°,刀尖圓角r≤0.1mm；電鍍金剛石螺紋刀具中金剛石顆粒的沖擊韌性(ti/％)≥80、熱沖擊韌性(tti/％)≥76；壓制金剛石螺紋刀具中金剛石顆粒的沖擊韌性(ti/％)≥76、熱沖擊韌性(tti/％)≥74。

進一步的，電鍍金剛石平底刀具所采用的金剛石顆粒粒度為100～130目，金剛石濃度為90～150％。

進一步的，電鍍金剛石螺紋刀具適用于無冷卻狀態(tài)下的干式切削過程，金剛石顆粒粒度為200～300目，金剛石濃度為90～120％。

進一步的，壓制金剛石螺紋刀具適用于有冷卻狀態(tài)下的濕式切削過程，金剛石粒度為250～300目，金剛石濃度為150～250％。

進一步的，壓制金剛石螺紋刀具的結合劑組份配比為wc30～40wt％，ni19～35wt％，co20～30wt％，mn15～20wt％，cr5～10wt％，nb0.5～1wt％。

進一步的，壓制金剛石螺紋刀具的制備工藝：熱壓燒結溫度為800～1050℃、保溫時間為3～10min、熱壓壓力15～25mpa。

進一步的，步驟(一)中加工螺紋大徑值至d1，d1＝d-td/2；其中，d1為螺紋實際加工大徑；d為螺紋設計大徑；td為螺紋大徑公差。

進一步的，步驟(二)螺紋仿形銑磨削粗加工的切削用量為：插補內公差與外公差為0.003～0.01mm，主軸轉速為3000～5000r/min，切削方式為順銑；

將整個切削過程分為余量去除切削與螺牙成形切削兩個階段，余量去除切削階段的刀路數(shù)為8～20，進給量為1500～2000mm/min，切削深度為0.04～0.1mm；螺牙成形切削階段的刀路數(shù)為4～8，進給量為800～1200mm/min，切削深度為0.01～0.05mm。

進一步的，步驟(三)中螺紋仿形銑磨削精加工切削用量為：插補內公差與外公差為0.0008～0.003mm，主軸轉速為4000～6000r/min，刀路數(shù)為2～4，進給量為800～1000mm/min，切削深度為0.02～0.04mm，單次刀具補償值≤0.04mm，切削方式為順銑。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明通過大量的實驗優(yōu)化設計了仿形銑磨削切削用量并對加工刀路進行了變進給、變切深的變速工藝設計，既提高了大批量生產時的螺紋加工效率，又降低了螺紋成形過程中的切削力并避免了螺牙損傷。采用該工藝加工后的螺紋牙型保持率≥95％，滿足了螺紋連接產品低損傷、高精度、高效率的制造及應用需求。

(2)本發(fā)明針對高硬度、各向異性cfcmc微細螺紋加工中表現(xiàn)出的螺紋損傷嚴重、加工成本高、刀具壽命及可靠性低的問題，通過優(yōu)化刀具制備工藝制造了成套的專用金剛石刀具，并對金剛石顆粒的性能、粒度、結合劑的組份與配比、刀具的制備工藝參數(shù)、刀具結構參數(shù)等進行了優(yōu)化設計。所制備的刀具切削性能及使用壽命得到了提高，刀具與各向異性cfcmc有優(yōu)良的切削匹配性，螺紋加工成本得到了極大降低。

(3)針對航天企業(yè)各向異性cfcmc微細螺紋結構件大批量、低損傷、短周期的生產需求，本發(fā)明提供了一種產品合格率較高(≥99％)的各向異性cfcmc螺紋低損傷加工工藝方法。該方法實現(xiàn)了高硬度、各向異性cfcmc微細螺紋的低損傷、高效率、高精度切削加工，保證了該類結構件的大批量生產及應用可靠性，滿足了該結構件高質量和快速響應的生產制造需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明中電鍍/壓制金剛石螺紋刀具結構圖；

圖3為本發(fā)明中螺紋加工后的sem及超景深顯微形貌。

具體實施方式

一種連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料螺紋低損傷加工工藝方法，如圖1所示，包括如下步驟：

步驟(一)、利用電鍍金剛石平底刀具在連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料上加工螺紋大徑；加工螺紋大徑值至d1，d1＝d-td/2。其中，d1為螺紋實際加工大徑；d為螺紋設計大徑；td為螺紋大徑公差。

步驟(二)、在步驟一已加工螺紋大徑圓柱的基礎上，利用電鍍金剛石螺紋刀具或壓制金剛石螺紋刀具，根據(jù)螺紋仿形銑磨削工藝采取變進給與變切深的方式粗加工螺紋；螺紋仿形銑磨削工藝為根據(jù)螺紋的設計尺寸，依靠三軸數(shù)控機床的插補原理使刀刃回轉軌跡與螺紋小徑d2形成的阿基米德螺旋線做相切運動，最終由刀刃回轉軌跡所形成的曲面包絡而生成螺紋的曲面廓形。其中，插補內公差與外公差為0.003～0.01mm，主軸轉速為3000～5000r/min，切削方式為順銑。為了減小切削力、提高切削效率及較高的牙型保持率，將整個切削過程分為余量去除切削與螺牙成形切削兩個階段并采取變進給和變切深的刀路設計方法，余量去除切削階段的刀路數(shù)為8～20，進給量為1500～2000mm/min，切削深度為0.04～0.1mm。螺牙成形切削階段的刀路數(shù)為4～8，進給量為800～1200mm/min，切削深度為0.01～0.05mm。

步驟(三)、在步驟二粗加工螺紋的基礎上，利用電鍍金剛石螺紋刀具或壓制金剛石螺紋刀具根據(jù)螺紋仿形銑磨削工藝精加工螺紋，并利用螺紋環(huán)規(guī)進行檢測至合格。螺紋仿形銑磨削精加工切削用量為：插補內公差與外公差為0.0008～0.003mm，主軸轉速為4000～6000r/min，刀路數(shù)為2～4，進給量為800～1000mm/min，切削深度為0.02～0.04mm，單次刀具補償值≤0.04mm，切削方式為順銑。

上述電鍍金剛石平底刀具優(yōu)選方案是：采用的金剛石顆粒粒度為80～150目，金剛石濃度為90～150％，刀具基體為wc-co硬質合金，電鍍層采用鎳鈷鈦合金。當然該平底刀具可以采用目前已有的電鍍金剛石平底刀具。

上述電鍍金剛石螺紋刀具優(yōu)選方案是：所采用的金剛石顆粒沖擊韌性(ti/％)≥80、熱沖擊韌性(tti/％)≥76，粒度為200～300目，金剛石濃度為90～120％，刀具基體為wc-co硬質合金，電鍍層采用鎳猛鈷合金。如圖2所示，螺紋刀具直徑l為20～40mm，刀具截形夾角θ為50～60°，刀尖圓角r≤0.1mm。該刀具適用于無冷卻狀態(tài)下的干式切削過程。

上述壓制金剛石螺紋刀具所采用的金剛石顆粒的沖擊韌性(ti/％)≥76、熱沖擊韌性(tti/％)≥74，粒度為250～300目，金剛石濃度為150～250％，刀具基體為wc-co硬質合金，結合劑組份配比為wc30～40wt％，ni19～35wt％，co20～30wt％，mn15～20wt％，cr5～10wt％，nb0.5～1wt％，熱壓燒結溫度為800～1050℃、保溫時間為3～10min、熱壓壓力15～25mpa。螺紋刀具直徑l為20～40mm，刀具截形夾角θ為50～60°,刀尖圓角r≤0.1mm。該刀具適用于有冷卻狀態(tài)下的濕式切削過程。

下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述：

實施例1

加工對象為正交三向c纖維增強的陶瓷基復合材料m10×1.5-6h螺紋連接件，加工方式為干式切削。

(1)、設計并制造電鍍金剛石平底刀具與電鍍金剛石螺紋刀具。其中，電鍍金剛石平底刀具所采用的金剛石顆粒粒度為85目，金剛石濃度為100％，刀具基體為wc-co硬質合金，電鍍層采用鎳鈷鈦合金。電鍍金剛石螺紋刀具所采用的金剛石顆粒粒度為250目，金剛石濃度為110％，刀具基體為wc-co硬質合金，電鍍層采用鎳猛鈷合金。螺紋刀具直徑為28mm，刀具截形夾角為59.3°，刀尖圓角r＝0.09mm。

(2)、利用電鍍金剛石平底刀具加工螺紋大徑至9.882mm。

(3)、利用電鍍金剛石螺紋刀具根據(jù)螺紋仿形銑磨削工藝粗加工螺紋，切削用量為：插補內公差與外公差均為0.005mm，主軸轉速為3500r/min，切削方式為順銑。余量去除切削階段刀路數(shù)為13，進給量為1700mm/min，切削深度為0.05mm。螺牙成形切削階段刀路數(shù)為4，進給量為1000mm/min，切削深度為0.03mm。

(4)、利用電鍍金剛石螺紋刀具根據(jù)螺紋仿形銑磨削工藝精加工螺紋，切削用量為：插補內公差與外公差均為0.001mm，主軸轉速為4500r/min，刀路數(shù)為3，進給量為950mm/min，切削深度為0.03mm，單次刀具補償值為0.02mm，切削方式為順銑。螺紋加工后利用m10×1.5-6h螺紋環(huán)規(guī)檢測至合格。

通過本實施例中螺紋的大批量加工與檢驗，如圖3所示，結果表明利用該方法加工的正交三向c纖維增強的陶瓷基復合材料m10×1.5-6h螺紋連接件牙型保持率≥96％，產品合格率≥99.3％，刀具壽命平均值可達18小時。

實施例2

加工對象為細編穿刺sio2纖維增強的陶瓷基復合材料m8×1.25-6h螺紋連接件，加工方式為濕式切削，冷卻介質為去離子水。

(1)、設計并制造電鍍金剛石平底刀具與壓制金剛石螺紋刀具。其中，電鍍金剛石平底刀具所采用的金剛石顆粒粒度為100目，金剛石濃度為95％，刀具基體為wc-co硬質合金，電鍍層采用鎳鈷鈦合金。壓制金剛石螺紋刀具所采用的金剛石顆粒粒度為300目，金剛石濃度為200％，刀具基體為wc-co硬質合金，結合劑組份配比為wc32wt％，ni22wt％，co21wt％，mn17wt％，cr7.2wt％，nb0.8wt％。熱壓燒結溫度為950℃z保溫時間為5min、熱壓壓力20mpa。螺紋刀具直徑為25mm，刀具截形夾角為59.5°,刀尖圓角r＝0.08mm。

(2)、利用電鍍金剛石平底刀具加工螺紋大徑至7.894mm。

(3)、利用電鍍金剛石螺紋刀具根據(jù)螺紋仿形銑磨削工藝粗加工螺紋，切削用量為：插補內公差與外公差為0.005mm，主軸轉速為4500r/min，切削方式為順銑。余量去除切削階段刀路數(shù)為10，進給量為1600mm/min，切削深度為0.05mm。螺牙成形切削階段刀路數(shù)為7，進給量為850mm/min，切削深度為0.02mm。

(4)、利用壓制金剛石螺紋刀具根據(jù)螺紋仿形銑磨削工藝精加工螺紋，切削用量為：插補內公差為外公差均為0.001mm，主軸轉速為5000r/min，刀路數(shù)為3，進給量為900mm/min，切削深度為0.02mm，單次刀具補償值為0.02mm，切削方式為順銑。螺紋加工后利用m8×1.25-6h螺紋環(huán)規(guī)進行檢測至合格。

通過本實施例中螺紋的批量加工與檢驗，結果表明利用該方法加工的細編穿刺sio2纖維增強的陶瓷基復合材料m8×1.25-6h螺紋連接件牙型保持率≥95％，產品合格率≥99.1％，刀具壽命平均值可達21小時。

以上所述，僅為本發(fā)明最佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員的公知技術。