一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法与流程

1.本发明属于复合材料机械加工技术领域，涉及一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法。


背景技术：

2.复合材料构件具备轻量化、高强、耐烧蚀等优良特点，其增强材料一般为碳纤维或高硅氧纤维，基体材料一般为酚醛或环氧树脂，复材在航空航天领域广泛使用。目前，航天飞行器发动机喷管组件上广泛采用复材制备零部件，如喉衬、背衬和扩张段等结构，这类结构件主要起到防热隔热功效，外形为回转体结构，一般采用模压或者缠绕工艺制备。当复材构件成形后，需要进行车削加工去除余量以保证构件的壁厚尺寸和形状要求。复材属于难加工材料，复材中的纤维体作为硬质点连续磨耗刀具，刀具极易容易磨损，结构也容易出现分层、开裂、毛刺等缺陷，尤其是对于复杂特殊结构，机加过程更容易出现各种缺陷。
3.扩张段是航天飞行器发动机喷管组件的重要组成部分，该种结构是碳纤维与高硅氧纤维两种复材预浸料缠绕形成的叠层结构，里面为碳纤维结构，外层为高硅氧纤维结构，工件内外形呈现锥体特征。扩张段是在缠绕成形制备为回转体后，采用车削加工形成产品结构，而椎体小端存在阶梯孔特征，阶梯孔上又存在固定内径的锐尖角独特形状，如何有效加工出满足尺寸要求的尖角阶梯孔特征，且不产生崩块、开裂等缺陷非常关键。


技术实现要素：

4.为了有效解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法。
5.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
6.一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法，包括如下步骤：
7.s1，在车床上，用第一卡盘夹持工件小端，车削工件大端的外型面形成固定外径的直线段，加工出工件大端的夹持基准段；
8.s2，采用第二卡盘夹持工件大端的夹持基准段，工件小端的端面先车削形成光面，再车削工件小端的内通孔，让内通孔达到第一通孔径，内通孔的直线段与工件的内锥型面相贯线相交形成p1点；
9.s3，以p1点为基准，往外推1～2mm加工台阶面，使台阶面处阶梯孔扩孔至第一孔径，孔深达到第一孔深；
10.s4，以p1点为基准加工形成锐尖角，阶梯孔扩孔至第二孔径，孔深达到第二孔深；
11.s5，继续车削内通孔至第二通孔径，内通孔直线段与内锥型面相贯线相交形成p点；
12.s6，以p点为基准，往外推1mm加工台阶面，使阶梯孔的内径达到第三孔径，孔深达到第三孔深；
13.s7，以p点为基准，车削台阶端面，形成阶梯孔锐尖角，孔深达到第四孔深。
14.作为优选方式，所述步骤s1中，第一卡盘为四爪卡盘，利用百分表分别在工件内型面的小端区域、中部区域和大端区域进行找正，保证三个区域的圆度跳动控制在0.2mm以内。
15.作为优选方式，所述步骤s2中，第二卡盘为三爪自定心卡盘，分步逐次车削工件小端的内通孔，车削过程让内通孔内径逐渐增大，工件小端内径形成直线段。
16.作为优选方式，所述步骤s3中，车削加工时，车刀片由内向外逐层车削，每层吃刀量控制在0.5mm。
17.作为优选方式，所述步骤s6中，车削加工时，车刀片由内向外逐层车削，每层吃刀量控制在0.5mm。
18.作为优选方式，所述步骤s7中，加工时分三层车削，两层吃刀量各为0.4mm，最后一刀吃刀量0.2mm。
19.工件毛坯为叠层结构，内部是碳纤维材料缠绕形成的结构，其内外壁呈锥形特征，椎体小端处有直线段，内型面成形后不再车削加工，直接作为最终产品的内型面；在碳纤维结构体的外部继续缠绕高硅氧纤维，从而形成厚度不均匀的结构，毛坯外型面也是呈现锥形结构特点，小端有直线段，壁厚值较大，大端无直线段。毛坯的内型面无需加工，主要是加工外型面，尤其是小端有阶梯孔，阶梯孔又存在锐尖角特征，即产品的端面内侧圆周有固定内径的尖锐边。如何形成该尖锐角非常关键，不但要达到指定的内径尺寸，而且要保证整个圆周都呈现尖角不能有直线段，还要避免崩块和开裂等缺陷。
20.首先，加工工件小端阶梯孔时，必须以大端作为夹持部位。而毛坯件大端无直线段，无法直接夹持，需要先加工出夹持基准面。需要注意的是，工件小端有加工尖角阶梯孔要求，要求工件阶梯孔内型面沿圆周方向形成严格的尖角，不能在局部区域存在直线段。因此，工件大端的夹持和工件找正非常重要，必须保证大端夹持后，工件的中心线与车床主轴轴线保持一致，否则无法形成满足要求的阶梯孔尖角。
21.在车床上，先用卡盘夹持小端，加工出大端夹持基准。大端夹持基准定位非常关键，如果存在偏心，则会导致小端阶梯孔加工时，极易出现直线段的缺陷。而小端内型面直线段太短，无法夹持，因此采用四爪卡盘夹持毛坯小端外型面直线段。之所以选择四爪卡盘而非三爪自定心卡盘，这是因为四爪夹持可以方便调整工件位姿，保证工件中线与机床主轴轴线一致。采用百分表找正大端内型面，即保持工件内型面轴线与机床主轴轴线保持一致。由于毛坯内型面大、小端轴心线可能存在偏心，因此分别在内型面的小端区域、中部区域和大端区域找正，使三个区域的圆度跳动都控制在0.2mm以内。大端端面车削一刀形成光面，车削大端外型面形成固定外径的直线段，该直线段作为下一步加工的夹持基准。
22.小端阶梯孔尖角处有内径尺寸要求，如何同时满足内径尺寸要求和圆周方向均为尖角存在难点。最大的问题在于如何制定尖角处的基准点p，该基准点必须要保证内径尺寸要求。本技术先加工内通孔，让内通孔达到设计尺寸要求，此时内通孔呈现直线段，从二维截面来看，内通孔的轮廓直线必定与锥形内型面的轮廓相贯线自动形成交点，此交点即为基准点。
23.具体实施过程为：采用三爪卡盘夹持大端外型面加工出的基准段，小端端面先车削一刀形成光面。然后分几步逐次车削小端内通孔，车削过程让内通孔内径逐渐增大，此时小端内径形成直线段，内通孔与内锥型面相贯线相交形成基准点。
24.最后，寻找到基准点后，就可以制定加工余量和车削加工顺序，为后续加工出满足要求的阶梯孔提供重要参考。
25.如果直接一步到位加工出尖角，容易出现崩块和开裂的缺陷，如何避免加工缺陷至关重要。在此制定出两处基准点p1和p点，p1点为中间过程基准点，p点为最终的基准点。制定中间p1基准点，是为了在p1点处先加工出阶梯孔锐尖角，这样不但可以去除大部分余量，还可以观察是否存在崩块缺陷，如果存在崩块，还可以进一步调整车削工艺，防止缺陷产生。
26.加工p1点处的阶梯孔尖角分为两步，第一步先预先加工出台阶面，这样的目的在于先去除大部分加工余量，防止后续阶梯孔加工时余量太大，引起切削力过大从而导致尖角处崩块；第二步在p1点出加工出尖角特征，这样是为了验证在沿圆周方向上局部区域是否出现崩块和直线段等缺陷，如果存在缺陷，还可以调整工件位姿和车削工艺，不会影响后续p点加工。
27.具体实施过程为：以p1点为基准，往外推1～2mm加工台阶面，使台阶面处阶梯孔的内径和孔深达到一定尺寸。车削加工时，车刀片由内向外逐层车削，这是因为刀片切入角与工件加工面形成锐角，以防止崩块，每层吃刀量控制在0.5mm。再以p1点为基准加工形成锐尖角，此时等同将阶梯孔扩孔至指定尺寸，孔深也达到预定尺寸。此时注意观察p1点处的锐尖角是否存在崩块、检查圆周方向尖角是否存在直线段，并分析可能出现的原因。
28.最后，以p点为基准加工出满足需求的阶梯孔尖角。先以多步法车削内通孔达最终尺寸，此时，内通孔直线段与内锥型面相贯线相交形成p点。然后，以p点为基准，往外推1mm加工台阶面，使阶梯孔内径达到最终尺寸，而孔深达到指定尺寸。车削加工时，车刀片由内向外逐层车削，每层吃刀量控制在0.5mm。检查无缺陷后，再以p点为基准，车削台阶端面，形成阶梯孔锐尖角，此时孔深达到最终尺寸。加工时分三层车削，两层吃刀量各为0.4mm，最后一刀吃刀量0.2mm。
29.锐尖角阶梯孔的加工难点在于：一是难以寻找到基准点开展加工，从而无法保证沿圆周方向严格形成锐尖角而不出现局部有直线段的缺陷、同时又要保证内径尺寸精度的加工要求；二是难以形成合理的加工流程，如何分配加工余量存在难题；三是锐尖角加工时，容易产生崩块和开裂等缺陷。
30.本发明针对高硅氧和碳纤维叠层复材车削加工阶梯孔并形成锐尖角的问题提出了一种车削工艺方法：该方法提出合理的工件装夹方法，满足工件找正需求；提出加工内通孔与内型面相贯线形成基准点的方法，为加工阶梯孔尺寸确定和余量分配提供参考；提出了分阶段加工阶梯孔的方法，先以中间点为基准预先加工阶梯孔，去除大部分余量以防止出现加工缺陷；采用逐层车削并严格控制每层吃刀量的方法，最后加工形成锐尖角阶梯孔。在实际加工中，这种方法可以快速加工出阶梯孔，形成设计要求的尖角形状，避免出现直线段，并大大降低了崩块和开裂等缺陷。该发明方法形成了合理的车削加工工艺流程，可以用于类似结构的快速加工。
31.本发明具有以下优点：
32.结合工件结构特征和加工要求，可以高效加工出满足技术尺寸要求的尖角阶梯孔结构，有效避免了崩块和开裂等缺陷，加工效率高，可行性较强。该方法可以广泛用于类似尖角阶梯孔结构的复材工件加工，减小出现崩块和开裂等缺陷的风险。
附图说明
33.图1—工件与毛坯结构示意图；
34.图2—工件与毛坯加工尺寸示意图；
35.图3—毛坯小端夹持示意图；
36.图4—内型面找正位置示意图；
37.图5—毛坯大端外型面加工基准示意图；
38.图6—p1基准预加工台阶面示意图；
39.图7—p1基准阶梯孔加工示意图；
40.图8—p基准预加工台阶面示意图；
41.图9—p基准阶梯孔加工完成示意图。
42.其中：1—毛坯，2—工件产品，3—阶梯孔，4—锐尖角特征，5—高硅氧纤维复材层，6—碳纤维复材层，7—四爪卡盘，8—外型面基准，9—p1台阶面特征，10—p台阶面特征。
具体实施方式
43.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
44.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
45.实施例：
46.毛坯1为一回转体结构，小端直线段长度为5mm，直线段内径为ф99.6mm。毛坯采用缠绕工艺制备，包含两种复材叠层结构，里层是碳纤维复材层6，外层是高硅氧复材层5，里层的内型面已经成形不再机加。工件2小端轮廓的特征主要是加工阶梯孔3，阶梯孔处形成锐尖角4，截面上孔轮廓线与锥形内型面相贯线相交形成点p，p点处尖角度数75.2
°
。p点处内径为ф104mm，阶梯孔的深度为10mm，内径为ф140mm。加工要求在p点处形成尖角，要满足p点内径要求，且不能有崩块缺陷，在圆周上也不能允许局部区域有直线段。
47.加工工艺流程如下：
48.(1)在卧车床上，工件2小端外型面由四爪硬爪卡盘7夹持，然后利用百分表分别在内型面的小端区域、中部区域和大端区域进行找正，找正的目的是不断调整工件位姿，保证三个区域的圆度跳动控制在0.2mm以内。
49.(2)大端端面进行车削光整，加工外型面形成直线段，外径达到ф232mm，作为下一步加工的夹持基准8。
50.(3)采用三爪自定心卡盘夹持大端外型面加工出的基准段，小端端面进行车削光整。分三步车削小端内通孔，内径变化为：ф100
→
ф102
→
ф103。此时小端内型面形成直线段，内通孔直线与内锥型面相贯线相交形成p1点。
51.(4)在ф103内孔的基础上车削阶梯孔，以减小工件余量，防止后续阶梯孔加工时余量太大，引起切削力过大从而导致崩块。以p1点为基准，往外推2mm加工台阶面9，使阶梯孔内径达到ф138，孔深9mm。车削加工时，车刀片由内向外逐层车削，每层吃刀量控制在0.5mm。
52.(5)以p1点为基准加工形成锐尖角，此时将阶梯孔扩孔至ф139，孔深达到8.9mm，
观察p1点处的锐尖角是否存在崩块和直线段，并分析可能出现的原因。
53.(6)分两步继续车削内通孔，内径变化为：ф103.5
→
ф104，此时，内通孔直线段与内锥型面相贯线相交形成p点。
54.(7)以p点为基准，往外推1mm加工台阶面10，使阶梯孔内径达到ф140，孔深9mm。车削加工时，车刀片由内向外逐层车削，每层吃刀量控制在0.5mm。
55.以p点为基准，车削台阶端面，形成锐尖角，此时阶梯孔深达到10mm。加工时分三层车削，两层吃刀量各为0.4mm，最后一刀吃刀量0.2mm。
56.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

技术特征：
1.一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，在车床上，用第一卡盘夹持工件小端，车削工件大端的外型面形成固定外径的直线段，加工出工件大端的夹持基准段；s2，采用第二卡盘夹持工件大端的夹持基准段，工件小端的端面先车削形成光面，再车削工件小端的内通孔，让内通孔达到第一通孔径，内通孔的直线段与工件的内锥型面相贯线相交形成p1点；s3，以p1点为基准，往外推1～2mm加工台阶面，使台阶面处阶梯孔扩孔至第一孔径，孔深达到第一孔深；s4，以p1点为基准加工形成锐尖角，阶梯孔扩孔至第二孔径，孔深达到第二孔深；s5，继续车削内通孔至第二通孔径，内通孔直线段与内锥型面相贯线相交形成p点；s6，以p点为基准，往外推1mm加工台阶面，使阶梯孔的内径达到第三孔径，孔深达到第三孔深；s7，以p点为基准，车削台阶端面，形成阶梯孔锐尖角，孔深达到第四孔深。2.根据权利要求1所述的一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法，其特征在于：所述步骤s1中，第一卡盘为四爪卡盘，利用百分表分别在工件内型面的小端区域、中部区域和大端区域进行找正，保证三个区域的圆度跳动控制在0.2mm以内。3.根据权利要求1所述的一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法，其特征在于：所述步骤s2中，第二卡盘为三爪自定心卡盘，分步逐次车削工件小端的内通孔，车削过程让内通孔内径逐渐增大，工件小端内径形成直线段。4.根据权利要求1所述的一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法，其特征在于：所述步骤s3中，车削加工时，车刀片由内向外逐层车削，每层吃刀量控制在0.5mm。5.根据权利要求1所述的一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法，其特征在于：所述步骤s6中，车削加工时，车刀片由内向外逐层车削，每层吃刀量控制在0.5mm。6.根据权利要求1所述的一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法，其特征在于：所述步骤s7中，加工时分三层车削，两层吃刀量各为0.4mm，最后一刀吃刀量0.2mm。

技术总结
本发明公开了一种叠层复合材料构件尖角阶梯孔加工方法，包括如下步骤：在车床上，用第一卡盘夹持工件小端，车削工件大端的外型面形成固定外径的直线段，加工出工件大端的夹持基准段；采用第二卡盘夹持工件大端的夹持基准段，工件小端的端面先车削形成光面，再车削工件小端的内通孔，让内通孔达到第一通孔径，内通孔的直线段与工件的内锥型面相贯线相交形成P1点；以P1点为基准，往外推1～2mm加工台阶面，使台阶面处阶梯孔扩孔至第一孔径，孔深达到第一孔深；以P1点为基准加工形成锐尖角，阶梯孔扩孔至第二孔径，孔深达到第二孔深。本发明有效避免了崩块和开裂等缺陷，加工效率高，可行性较强。可行性较强。可行性较强。


技术研发人员：余杭卓 钟涵 伍仕平 朱文辉 吴健军 唐帅 刘忠
受保护的技术使用者：四川航天长征装备制造有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/9/14