一种细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔加工方法

1.本发明属于陶瓷基复合材料加工技术领域，特别涉及一种细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔加工方法。


背景技术：

2.陶瓷基复合材料是指在陶瓷基体中引入增强材料，形成以引入的增强材料为分散相，以陶瓷基体为连续相的复合材料，陶瓷基复合材料具有高强度、高硬度、高弹性模量、热稳定性的优良性能，因此，在航空航天、光伏、核工业、医用材料等领域广泛应用。而细长管材长径比大、刚度小，常规机械加工方法难以保证机械加工后管材的壁厚均匀性、同轴度、直线度等，从而影响管材的使用性能。
3.薄壁陶瓷基复合管材由于长径比大，属于典型弱刚性零件，加工过程易变形和产生切削颤振，加工尺寸精度和直线度指标控制难度大；细长管内孔属于深长孔，加工空间受限，采用传统钻削方法冷却润滑、排屑断屑困难，热量容易聚集，故刀具磨损剧烈，而且高温导致零件发生热胀变形，影响加工尺寸精度。
4.中国专利cn201910336483.5公开了《一种薄壁细长管件整体精密加工方法》,对于内孔的加工方法是钻、镗内孔，然后珩磨内孔。此种方法在加工过程中既要控制内孔、外圆尺寸公差，又要间接保证壁厚公差，对于刀具的要求也较高。
5.本专利区别于传统薄壁细长管件加工装置的是利用动压效应对细长薄壁陶瓷基复合材料内孔进行加工。


技术实现要素：

6.本发明的目的是在提出一种细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔加工方法，克服现有方法无法实现大长径比、薄壁陶瓷基复合材料的壁厚均匀的加工方法，能够生产大长径比薄壁管材，且内孔粗糙度得到保证。
7.为达上述目的，本发明的技术方案如下：一种细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔加工方法，采用细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔的加工装置对细长薄壁陶瓷基复合材料内孔进行加工，具体包括以下步骤：
8.步骤a、放置工件：细长薄壁陶瓷基复合材料管安放在夹紧执行系统上且一端伸出一定长度，另一端增加中心架支撑；
9.步骤b、连接特殊柔性刀具：(a)特殊柔性刀具被填充物密封的一端由细长薄壁陶瓷基复合材料管内部穿出与收放管机相连；(b)将收放管机升降至与夹紧执行系统的三爪卡盘同心，保证特殊柔性加工刀具的水平方向拉直，且保证特殊柔性加工刀具长度l大于细长薄壁陶瓷基复合材料管的长度l0；
10.步骤c、磨料(1)通入：(a)将磨料泵与磨料箱连接，特殊柔性加工刀具未使用填充物密封的一侧与连接磨料泵的通料细管连接，在细长薄壁陶瓷基复合材料管两端放置磨料箱接收溢出的磨料(1)，磨料泵接通电源将磨料箱中的磨料(1)泵入通料细管中：(b)磨料
(1)通过双向快速接头泵入软管内，在压力作用下磨料从软管(4)的小孔、套筒(3)腰型孔流入细长薄壁陶瓷基复合材料管内；
11.步骤d、进行磨削：磨料通入充分，且从细长薄壁陶瓷基复合材料管两端流出的磨料均匀时，启动机床，细长薄壁陶瓷基复合材料管在三爪卡盘的作用下转动，达到稳定转速后启动收放卷机，使特殊柔性加工刀具实现相对薄壁陶瓷基复合材料管的相对运动。
12.所述特殊柔性刀具贯穿整个细长薄壁陶瓷基复合材料管，特殊柔性刀具内部通入磨料，且特殊柔性刀具以一定速度进行水平移动来加工细长薄壁陶瓷基复合材料内孔。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
14.1.本发明克服了现有加工技术无法实现大长径比材料内孔均匀加工的缺点，尤其是薄壁陶瓷基复合材料的内孔粗糙度、圆度、同轴度方面，利用动压磨削效应实现了薄壁陶瓷基复合材料的内孔精密加工，实现了传统内孔加工无法实现的薄壁复合材料内孔精密加工。
15.2.本发明采用了由开有小孔软管且外部增加有一定角度圆台形微刃和带有腰型孔的套筒组成的特殊加工刀具，保证了内孔加工时的同轴度，避免了在传统钻、镗加工时出现划伤孔壁形成螺旋线波纹的现象，此特殊刀具避免了因传统加工刀具自身刚度不足导致的引偏现象，保证了所加工薄壁陶瓷基复合材料内孔的圆度。
16.3、本发明采用了通入流体磨料的加工方式，保证了切削部位的有效冷却及切屑的连续排出，保证加工过程得以持续进行，且保证了磨粒的使用寿命。常规冷却方法在超深孔加工过程中切削液不能直接注入切削区域，冷却效果及排屑效果都没有保证，不适用于加工薄壁陶瓷基复合材料，由于薄壁陶瓷基复合材料的硬度很大，对于传统的精加工拉刀在切削时容易产生切削热，切削区温度高，摩擦系数大，导热性差，易导致刀具材料过烧和发生氧化而加速刀具磨损，本特殊柔性刀具很好的避免了此种现象。
17.4、本发明采用了通入流体磨料的动压磨削，对工件所需加工的表面，进行去毛刺、除飞边、磨圆角，以减少工件表面的波纹度和粗糙度，达到精密加工，很好的保证了薄壁陶瓷基复合材料内孔粗糙度的要求，保持了轮廓原有的精度，均匀可控的去除材料，保证模具通道小尺寸变化的尺寸精度。
附图说明
18.图1(a)是通入磨料的动压磨削原理图；
19.图1(b)是图1(a)的侧视图。
20.图2是特殊柔性刀具在薄壁陶瓷基复合材料中安装的示意图。
21.图3是加工流程图。
22.图中：1-磨料；2-圆台形微刃；3-套筒；4-软管。
具体实施方式
23.以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
24.如图2所示，一种细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔的加工装置，包括特殊柔性刀具、夹紧执行系统、通料模块和进给运动系统；
25.特殊柔性刀具位于细长薄壁陶瓷基复合材料管内，其包括圆台形微刃(2)、套筒
(3)和软管(4)；软管(4)设有若干小孔，用于磨料溢出；软管(4)上胶接若干等距的圆台形微刃(2)，圆台形微刃(2)间安装带腰型孔的套筒(3)，每个套筒(3)均开腰型孔；软管(4)两端通过填充物密封；
26.夹紧执行系统包括轴承、齿轮ⅰ、齿轮ⅱ、中空短轴和短轴底架；齿轮ⅰ位于机床主轴上，齿轮ⅱ与短轴销接，齿轮ⅰ与齿轮ⅱ构成平行齿轮传动，将机床主轴的动力传递给短轴；短轴通过轴承与短轴底架相连；短轴一端设置带肩留孔，与三爪卡盘相连接；
27.细长薄壁陶瓷基复合材料管装入中空短轴内，其一端通过三爪卡盘夹紧，另一端伸出中空短轴；
28.进给运动系统位于整个夹紧执行系统的两侧，其包括收放管机和收放管机软管；收放管机位于机床两侧，其一端过收放管机软管，另一端直接连接软管(4)另一端，用于特殊柔性刀具与薄壁陶瓷基复合材料管的直线相对运动；
29.通料模块位于机床四周，其包括通料细管、双向快速接头、磨料泵和磨料箱；磨料泵位于机床一侧，其一端连接磨料箱，另一端连接通料细管；通料细管和收放管机软管分别通过双向快速接头连接软管(4)另一端；磨料箱设置两个，分别位于细长薄壁陶瓷基复合材料管的两端，用于接收加工时溢出的磨料以及供料；当磨料泵入细长薄壁陶瓷基复合材料管内部至磨料均匀流出后，启动机床至达到稳定转速，收放管机位于机床两端，与三爪卡盘高度相同，转动收放管机将特殊柔性刀具反复进行收放拉动，完成对薄壁陶瓷基复合材料的内孔磨削。
30.所述软管(4)与圆台形微刃(2)的最大直径之和小于细长薄壁陶瓷基复合材料管的内径。所述圆台形微刃(2)间隔相同。
31.如图3所示，采用细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔的加工装置对细长薄壁陶瓷基复合材料内孔进行加工，具体包括以下步骤：
32.步骤11、放置工件：细长薄壁陶瓷基复合材料管安放在夹紧执行系统上且一端伸出一定长度，另一端增加中心架支撑；
33.步骤12、连接特殊柔性刀具：(a)特殊柔性刀具被填充物密封的一端由细长薄壁陶瓷基复合材料管内部穿出与收放管机相连；(b)将收放管机升降至与夹紧执行系统的三爪卡盘同心，保证特殊柔性加工刀具的水平方向拉直，且保证特殊柔性加工刀具长度l大于细长薄壁陶瓷基复合材料管的长度l0；
34.步骤13、磨料(1)通入：(a)将磨料泵与磨料箱连接，特殊柔性加工刀具未使用填充物密封的一侧与连接磨料泵的通料细管连接，在细长薄壁陶瓷基复合材料管两端放置磨料箱接收溢出的磨料(1)，磨料泵接通电源将磨料箱中的磨料(1)泵入通料细管中：(b)磨料(1)通过双向快速接头泵入软管内，在压力作用下磨料从软管(4)的小孔、套筒(3)腰型孔流入细长薄壁陶瓷基复合材料管内；
35.步骤14、进行磨削，加工细长薄壁陶瓷基复合材料管内孔并磨削内孔：磨料通入充分，且从细长薄壁陶瓷基复合材料管两端流出的磨料均匀时，启动机床，细长薄壁陶瓷基复合材料管在三爪卡盘的作用下转动，达到稳定转速后启动收放卷机，使特殊柔性加工刀具实现相对薄壁陶瓷基复合材料管的相对运动。

技术特征：
1.一种细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔加工方法，其特征在于，采用细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔的加工装置对细长薄壁陶瓷基复合材料内孔进行加工，具体包括以下步骤：步骤a、放置工件：细长薄壁陶瓷基复合材料管安放在夹紧执行系统上且一端伸出一定长度，另一端增加中心架支撑；步骤b、连接特殊柔性刀具：(a)特殊柔性刀具被填充物密封的一端由细长薄壁陶瓷基复合材料管内部穿出与收放管机相连；(b)将收放管机升降至与夹紧执行系统的三爪卡盘同心，保证特殊柔性加工刀具的水平方向拉直，且保证特殊柔性加工刀具长度l大于细长薄壁陶瓷基复合材料管的长度l0；步骤c、磨料(1)通入：(a)将磨料泵与磨料箱连接，特殊柔性加工刀具未使用填充物密封的一侧与连接磨料泵的通料细管连接，在细长薄壁陶瓷基复合材料管两端放置磨料箱接收溢出的磨料(1)，磨料泵接通电源将磨料箱中的磨料(1)泵入通料细管中：(b)磨料(1)通过双向快速接头泵入软管内，在压力作用下磨料从软管(4)的小孔、套筒(3)腰型孔流入细长薄壁陶瓷基复合材料管内；步骤d、进行磨削：磨料通入充分，且从细长薄壁陶瓷基复合材料管两端流出的磨料均匀时，启动机床，细长薄壁陶瓷基复合材料管在三爪卡盘的作用下转动，达到稳定转速后启动收放卷机，使特殊柔性加工刀具实现相对薄壁陶瓷基复合材料管的相对运动。2.根据权利要求1所述的一种细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔加工方法，其特征在于，所述特殊柔性刀具贯穿整个细长薄壁陶瓷基复合材料管，特殊柔性刀具内部通入磨料，且特殊柔性刀具以一定速度进行水平移动来加工细长薄壁陶瓷基复合材料内孔。

技术总结
本发明属于薄壁陶瓷基复合材料管材加工技术领域，提出一种细长薄壁陶瓷基复合材料管材内孔加工方法，克服现有加工方法加工细长薄壁管件易变形和产生切削颤振及加工尺寸精度和直线度指标控制难度大的问题。首先将细长薄壁陶瓷基复合材料管材安放在夹紧执行系统上定位夹紧，然后将特殊柔性刀具贯穿复合材料内孔，调至收放管机使刀具软管与夹紧机构的三爪卡盘等高，然后用磨料泵向刀具内通入磨料待磨料充满细长薄壁陶瓷基复合材料管材内且溢出至磨料箱，开动机床与收放管机进行磨削加工。本发明制备的管件保持了轮廓原有的精度，均匀可控的去除材料，保证模具通道小尺寸变化的尺寸精度。寸精度。寸精度。


技术研发人员：王一奇 毛亚宁 高航
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/13