本發(fā)明涉及一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法及加工工具，尤其涉及一種集成銑削和攪拌摩擦加工的復(fù)合加工方法及加工工具，屬于復(fù)合材料機械加工、材料改性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

顆粒增強型金屬基復(fù)合材料由于具有高的比剛度、比強度、比模量、耐高溫、耐磨損、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、耐磨性好、良好的耐疲勞性能及斷裂韌度等一系列優(yōu)良的特點，使得其在航空、航天、精密儀器、汽車及兵器等領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用前景。目前，對于顆粒增強型金屬基復(fù)合材料加工方法而言，由基體中增強相的存在，用傳統(tǒng)的銑削加工方法(以及高速切削加工技術(shù))很難或者需要很高的成本才能達(dá)到所要求的加工精度和表面質(zhì)量，成為典型的難加工材料，嚴(yán)重制約著該類復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

攪拌摩擦加工是一種新型的材料改性技術(shù)，通過攪拌頭的強烈攪拌作用使被加工材料發(fā)生劇烈塑性變形、混合、破碎，實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細(xì)化。同時，它操作過程簡單、成本低廉、攪拌過程中不需要額外使用保護(hù)氣體，增強體可以在基材中均勻分布，并且加工溫度相對較低的優(yōu)點，且加工工程中材料發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒更加細(xì)小，加工后殘余應(yīng)力及彈性恢復(fù)較小。因此，攪拌摩擦加工在細(xì)化晶粒、改善制造缺陷、提高綜合性能等方面具有顯著的效果。

如圖1(a)所示，由于增強相顆粒1的加入，使得復(fù)合材料切削的去除情況與普通彈塑性材料有所不同。如圖1(b)所示，切削過程中，在銑刀3作用下金屬基復(fù)合材料工件1發(fā)生彈塑性變形，基體材料包裹著增強相顆粒產(chǎn)生位錯運動，并伴隨著增強相顆粒的斷裂破碎(4)、剝落(5)和壓入(6)現(xiàn)象，從而形成質(zhì)量較差的已加工表面(7)。如果增強相顆粒在加工前就存在微裂紋等缺陷，那么就可能發(fā)生顆粒的破碎(4)，顆粒的斷裂或者破碎剪切區(qū)的金屬基體(2)在局部區(qū)域產(chǎn)生位錯滑移，形成微小的剪切變形，此時，基體夾裹著部分碎屑在剪切應(yīng)力的作用下向前滑移形成切屑。增強相顆粒對基體材料的位錯運動產(chǎn)生的阻礙作用導(dǎo)致應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到增強相顆粒斷裂強度之前，界面可能已經(jīng)斷裂并發(fā)生顆粒剝落(5)，處于切削加工路徑上方的增強相顆粒會在刀具的作用下被拔出基體，脫落的顆粒還可能與已加工表面之間形成滑擦磨損并在已加工表面上形成劃痕，在劃痕附近產(chǎn)生微裂紋并向四周的基體擴展，而處于切削加工路徑下方的增強相顆粒，在刀具的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)并在合金基體中滑移而留下溝痕，最后在基體中形成顆粒壓入(6)現(xiàn)象，最終形成質(zhì)量較差的加工表面(7)。

綜上所述，現(xiàn)有傳統(tǒng)制造方式在增強型金屬基復(fù)合材料加工方面存在以下不足：由于增強相顆粒的大小、形狀、排列分布以及缺陷和強度存在很多不均勻性和隨機性，導(dǎo)致實際的加工過程的不可控性，隨著加工表面上顆粒斷裂、剝落和壓入，演變?yōu)樵鰪娤鄶嗔哑扑?、增強相剝落形成的表面局部凹坑以及增強相未完全壓入形成的表面局部凸起等缺陷，使得該類金屬基?fù)合材料加工表面質(zhì)量及表層力學(xué)性能較差。因此，如何解決并改善顆粒增強型金屬基復(fù)合材料切削所面臨的機加工問題，成為該類金屬基復(fù)合材料加工制造領(lǐng)域內(nèi)的一種重要技術(shù)難題，也具有重大的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法，并公開用于實現(xiàn)一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法的一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工工具，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：實現(xiàn)高速銑削和攪拌摩擦加工一體式復(fù)合加工，進(jìn)而改善顆粒增強型金屬基復(fù)合材料的加工質(zhì)量，提高加工精度和效率。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明公開一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法，采用將銑刀和攪拌頭一體化復(fù)合集成的加工刀具，利用復(fù)合加工刀具銑刀對工件待加工層進(jìn)行一次材料去除加工，通過復(fù)合加工刀具攪拌頭對銑削剛形成的加工表面立即進(jìn)行攪拌摩擦二次加工，通過攪拌摩擦二次加工實現(xiàn)下述作用：①破碎增強相使增強相更均勻分布的彌散強化作用，即將顆粒剝落后的凹坑缺陷壓平；將大體積增強相壓入缺陷攪碎并壓平；將斷裂破碎缺陷的碎顆粒壓入金屬基體中。②細(xì)化金屬基體晶粒的細(xì)晶強化作用。通過銑刀部分一次材料去除加工及攪拌頭對銑削剛形成的加工表面立即進(jìn)行攪拌摩擦二次加工，即實現(xiàn)對工件表層材料進(jìn)行雙重強化改性加工，從而形成高質(zhì)量的加工表面及力學(xué)性能顯著提高的表層，進(jìn)而改善顆粒增強型金屬基復(fù)合材料的加工質(zhì)量，提高加工精度和效率。

為進(jìn)一步提高復(fù)合材料尤其是脆性較大復(fù)合材料的機加工性，工件的夾具選用預(yù)壓力裝置，預(yù)壓應(yīng)力加載裝置為x-y二軸預(yù)應(yīng)力裝置，同時在機加工時加工工具與工作臺一起形成一個等效的z軸壓應(yīng)力結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料在三軸壓縮狀態(tài)下呈現(xiàn)良好的塑性和流動性。

所述的采用將銑刀部分和攪拌頭一體化復(fù)合集成的加工刀具即為本發(fā)明公開的一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工工具，優(yōu)選如下結(jié)構(gòu)，包括銑刀部分，包括刀體、可轉(zhuǎn)位銑刀片、刀片螺釘、刀墊、刀墊螺釘、凹端接口，攪拌頭，凸端接口，固定銷，鎖緊滑銷，鎖緊螺釘，限位螺釘。攪拌頭通過凸端接口，固定銷，鎖緊滑銷，鎖緊螺釘，限位螺釘與銑刀刀體相連。攪拌頭大端面直徑為端面銑刀直徑的2/5～3/5，銑刀部分的刀頭根據(jù)不同用途和需求選用圓柱形銑刀、或者面銑刀、或者立銑刀。

根據(jù)實際加工需要，所述的一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工工具將銑刀部分和攪拌頭一體化復(fù)合集成選用一體化加工或可拆卸的分體式加工。當(dāng)銑刀和攪拌頭一體化加工時，刀具材料優(yōu)先采用硬質(zhì)合金、或者立方氮化硼(cbn)材料。當(dāng)銑刀和攪拌頭采用可拆卸的分體式加工時，銑刀刀體材料優(yōu)先采用硬質(zhì)合金、高速鋼、或者cbn材料，刀片材料優(yōu)先采用pcd材料、或者cbn材料，攪拌頭材料優(yōu)先采用高速鋼、熱作模具鋼、工具鋼或者硬質(zhì)合金。

攪拌頭優(yōu)選螺紋型、等三斜面螺紋、同心環(huán)紋或等三斜面同心環(huán)紋攪拌頭。

本發(fā)明公開一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法優(yōu)先用于下述用途：

用于增強型鋁鎂銅基金屬基復(fù)合材料的銑削加工，或用于金屬和合金材料的加工，或非金屬材料的加工。所述的增強型鋁鎂銅基金屬基復(fù)合材料為sic顆粒、sio2顆粒、al2o3顆粒、ti顆粒碳納米管或非晶增強型鋁鎂銅基金屬基復(fù)合材料。

用于飛機轉(zhuǎn)向架、機身蓋板的加工，汽車傳動軸、活塞、連桿、汽缸內(nèi)襯、變速箱軸承，鐵道車輛制動盤的加工，其他類板片狀結(jié)構(gòu)的加工，軍工產(chǎn)品，如坦克裝甲的加工，以及其他要求表面強化的軍民用產(chǎn)品的加工。也可用于飛機航空航天及核工業(yè)設(shè)備等材料的制備，也可用于具有表面強化層的復(fù)合材料、金屬材料及合金材料的制備。

有益效果：

1、本發(fā)明公開的一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法及加工工具，采用將銑刀和攪拌頭一體化復(fù)合集成的加工刀具，利用復(fù)合加工銑刀部分進(jìn)行一次材料去除加工，通過復(fù)合加工刀具攪拌頭對銑削剛形成的加工表面立即進(jìn)行攪拌摩擦二次加工，即實現(xiàn)對工件表層材料進(jìn)行雙重強化改性加工，從而形成高質(zhì)量的加工表面及力學(xué)性能顯著提高的表層，進(jìn)而改善顆粒增強型金屬基復(fù)合材料的加工質(zhì)量，提高加工精度。實現(xiàn)了將銑削加工與攪拌摩擦加工的多工序、多工位加工技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮渭庸舫尚偷闹圃旃に?，減小了制造周期和加工成本，提高了加工效率，是一種綠色環(huán)保、高效、穩(wěn)定、節(jié)能復(fù)合加工技術(shù)。

2、本發(fā)明公開的一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法及加工工具，為進(jìn)一步提高復(fù)合材料尤其是脆性較大復(fù)合材料的機加工性，工件的夾具選用預(yù)壓力裝置，使復(fù)合材料在三軸壓縮狀態(tài)下呈現(xiàn)良好的塑性和流動性。

3、本發(fā)明公開的一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法及加工工具用途廣。

附圖說明

圖1傳統(tǒng)銑削顆粒增強型金屬基復(fù)合材料加工表面缺陷形成的示意圖，其中：(a)加工前(b)加工后。

圖2攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工方法改善加工表面質(zhì)量及表層力學(xué)性能示意圖。

圖3攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工工具及其加工復(fù)合材料原理圖。

圖4攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工工具局部放大結(jié)構(gòu)圖。

圖5分體式復(fù)合加工工具銑刀10與攪拌頭11的裝配結(jié)構(gòu)圖。

圖6攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工的蛇形加工刀徑示意圖。

圖7大厚度工件的分層復(fù)合加工原理圖。

其中：1—增強相、2—金屬基體；3—常規(guī)銑刀；4—增強相斷裂破碎缺陷；5—增強相剝落的凹坑缺陷；6—增強相未完全壓入的凸起缺陷；7—常規(guī)銑削后的加工表面；8—攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工后的表面；9—攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工工具；10—復(fù)合加工工具的銑刀部分；11—復(fù)合加工工具的攪拌頭；12—攪拌摩擦加工表層；13—待加工層；14—加工工件；15—銑刀凹端接口；16—攪拌頭凸端接口；17—固定銷；18鎖緊滑銷；19—鎖緊螺釘；20—限位螺釘；21—加工進(jìn)給路徑；22—預(yù)壓應(yīng)力裝置；23—粗加工層；24—已加工表面。

具體實施方式

為了更好的說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和實例對發(fā)明內(nèi)容做進(jìn)一步說明。

實施例1：輕質(zhì)裝甲用高比分鋁基氮化硼鋁基復(fù)合材料板材加工。

本實施例基于本發(fā)明公開的一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法及加工工具，結(jié)合實際加工需要實現(xiàn)。

材料為b4cp/2024al，其加工毛坯為大尺寸板材，機床初始化，毛坯安裝在預(yù)壓應(yīng)力加載裝置上并通過配套夾具固定于可沿x-y軸向水平運動機床工作臺上。機床初始化，毛坯安裝在預(yù)壓應(yīng)力加載裝置上并通過配套夾具固定于可沿x-y軸向水平運動機床工作臺上。對于大切削厚度工件，需采用分層加工的方法，如圖7所示。首先采用粗加工方式進(jìn)行預(yù)銑削加工采用粗加工方式進(jìn)行預(yù)銑削加工，粗加工采用常規(guī)硬質(zhì)合金銑刀，并用配套的刀柄夾持銑刀部分10，固定于機床的電主軸轉(zhuǎn)子上并保證加工工具與刀柄的同軸度。裝夾固定完畢后，進(jìn)行去除粗加工層23的工作，直至待加工層13厚度小于復(fù)合加工刀具9的可加工厚度為止。復(fù)合加工刀具采用可轉(zhuǎn)位平頭硬質(zhì)合金銑刀與h13鋼攪拌頭的分體式加工制造，其中銑刀刃數(shù)為四，刃徑為15mm；攪拌頭上攪拌針為圓錐體，根部大端直徑為7.5mm，小端直徑為4mm，高度為5.2mm，攪拌針帶螺紋，螺距為1.4mm。采用攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工方法對毛坯進(jìn)行加工，攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工工藝：復(fù)合加工銑削速度為55m/min，每齒進(jìn)給量為0.015mm/z，保護(hù)氣體流量為10l/min；間歇性進(jìn)給距離為3.8mm。使用攪拌摩擦加工-銑削的復(fù)合加工工具9，采取的加工刀路為蛇形加工進(jìn)給路徑21(如圖6所示)，對加工工件的待加工層13進(jìn)行材料去除，同時通過復(fù)合加工工具9上的攪拌頭11對表層25進(jìn)行攪拌摩擦加工，同時對待加工層13銑削后形成的加工表面24進(jìn)行二次加工。采用該攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工工具及其加工方法加工b4cp/2024al復(fù)合材料板材，其表面缺陷得到有效控制，表面質(zhì)量及表層的力學(xué)性能得到顯著提高。

實施例2：車用鋁基碳化硅復(fù)合材料制動盤加工。

本實施例基于本發(fā)明公開的一種用于改善復(fù)合材料加工質(zhì)量的復(fù)合加工方法及加工工具，結(jié)合實際加工需要實現(xiàn)。

車用制動盤幾何尺寸為φ480mm×23mm，材料為sicp/a356鋁基復(fù)合材料；毛坯為圓柱形，其幾何尺寸為φ300mm×30mm。機床初始化，毛坯安裝在預(yù)壓應(yīng)力加載裝置上并通過配套夾具固定于可沿x-y軸向水平運動機床工作臺上。復(fù)合加工刀具采用可轉(zhuǎn)位平頭硬質(zhì)合金銑刀與h13鋼攪拌頭的分體式加工制造，其中銑刀刃數(shù)為六，刃徑為10.2mm；攪拌頭上攪拌針為圓錐體，根部大端直徑為6.5mm，小端直徑為4.2mm，高度為3.6mm，攪拌針帶三斜面螺紋，螺距為1.1mm。采用攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工方法對毛坯進(jìn)行加工，攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工工藝：1)粗加工銑削速度為220m/min，每齒進(jìn)給量為0.3mm/z；2)復(fù)合加工銑削速度為60m/min，每齒進(jìn)給量為0.02mm/z，保護(hù)氣體流量為6l/min；間歇性進(jìn)給距離為4mm。除加工路徑為環(huán)形加工路徑，其加工方法與原理與實施例1類似。采用該攪拌摩擦加工-銑削復(fù)合加工工具及其加工方法加工sicp/a356復(fù)合材料制動盤，使得表面缺陷得到有效控制，表面質(zhì)量與表層的抗高溫及耐磨性能得到顯著提高。

以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。