陶瓷基复合材料的加工方法 |
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| 申请号 | CN201480011773.8 | 申请日 | 2014-03-10 | 公开(公告)号 | CN105073317A | 公开(公告)日 | 2015-11-18 |
| 申请人 | 株式会社IHI; | 发明人 | 荒木隆人; 矢野正晴; 今成邦之; 石津功太; 上田隆司; 细川晃; 古本达明; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种提高陶瓷基 复合材料 (CMC)的加工速度的陶瓷基复合材料的加工方法，其具有：在陶瓷基复合材料(CMC)的被加工材料(30)的表面，由激光头(21)使激光的照射部(32)扫描来照射，在该照射部(32)的被加工材料(30)的表面形成劣化层的步骤，和通过端 铣刀 (25)将形成于照射部(32)的劣化层依次去除的步骤，前述劣化层是通过利用激光的连续振荡激光的照射将照射部(32)加热至预定 温度 ，同时通过脉冲振荡激光的照射形成龟裂而形成的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种陶瓷基复合材料的加工方法，其特征在于，具有： |
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| 说明书全文 | 陶瓷基复合材料的加工方法技术领域[0001] 本发明涉及陶瓷基复合材料的加工方法。 背景技术[0002] 以往，用于飞机的引擎等的高温结构部件使用镍基超合金，但从轻量化、长寿命化、改善燃料消耗等观点出发，研究替代镍基超合金的复合材料，由陶瓷来硬化陶瓷纤维的陶瓷基复合材料(CMC)引人注目(参照下述专利文献1)。 [0003] 陶瓷基复合材料能够利用作为陶瓷的优点的高耐热性、高刚性、高耐摩耗性、高耐药品性等，同时与陶瓷纤维复合化而弥补作为缺点的低韧性，在与镍基超合金相比更加高温的环境下使用，能够期待大幅度改善燃料消耗效率(参照下述非专利文献1)。 [0004] 该陶瓷基复合材料，由于以往为难切割材料，因此通过磨削来进行表面加工，难以利用端铣刀、钻头等进行切削机械加工，工具寿命也短。例如，利用切削工具或磨石来加工的情况下，材料去除量只有0.06cc/min左右，且无法进行连续加工。 [0005] 作为将诸如这样的陶瓷基复合材料的陶瓷系或金属系的难加工材料的加工改善的方法，提供有激光辅助加工。该激光辅助加工中，有(1)对于金属材料照射脉冲振荡激光来进行切削的方法(参照下述专利文献2)、(2)将高硬度、高脆性材料通过急热、急冷，使裂缝产生于被切削材料表面，形成脆化层的方法(参照下述专利文献3)以及(3)利用激光辅助的铣刀加工(参照下述专利文献4)等。 [0006] 现有技术文献 [0007] 专利文献 [0008] 专利文献1：日本特开2008-81379号公报 [0009] 专利文献2：日本特开平9-155602号公报 [0010] 专利文献3：日本特开昭61-152345号公报 [0011] 专利文献4：日本特开平10-113815号公报 [0012] 非专利文献 [0013] 非专利文献1：小笠原俊夫，“在航空宇宙领域的SiC系陶瓷复合材料开发”，等离子、核融合学会志，2004年，第80卷，第1号，p.36-41 [0014] 非专利文献2：饭田修一编，“物理定数表”，朝仓书店，1969年，p.199发明内容 [0015] 发明所要解决的课题 [0016] 然而，关于上述激光辅助加工，(1)的方法的特征在于，通过将由工具的前角产生的斜面的表面间歇性地激光照射加热，来降低被切削材料的强度，以固定间隔切断切屑，提高切屑的处理性，但其切削性的效率有所限制。 [0017] (2)的方法，对于未经纤维强化的单块陶瓷的情况下将产生有效的大小的龟裂，但对于陶瓷基复合材料，龟裂进展效果低。(3)的方法为铣刀加工专用的激光辅助加工方法，由于其特征在于将由机械冲击所导致的临界区域加热，因此工具和加工形状受限制。 [0018] 本发明是鉴于上述实情提案的，其目的在于提供提高陶瓷基复合材料的加工速度且延长加工工具的寿命的陶瓷基复合材料的加工方法。此外，其目的在于提供使切削性提高，龟裂进展效果高，工具和加工形状不受限制的陶瓷基复合材料的加工方法。 [0019] 用于解决课题的手段 [0020] 为了解决上述课题，本发明涉及的方法是陶瓷基复合材料的加工方法，具有：在被加工材料的表面，通过扫描激光的照射部来照射，在该照射部的被加工材料的表面形成劣化层(脆化的表层部)的步骤，利用端铣刀、其他加工工具依次将形成于前述照射部的劣化层去除的步骤；前述劣化层，通过利用连续振荡激光的照射将前述照射部加热至预定温度，同时利用脉冲振荡激光的照射形成龟裂而形成。 [0021] 此时，预定温度是指能够在陶瓷基复合材料的表面形成热变质层的温度。例如，由聚合物原料构成的SiC纤维、基质中，耐热性低的等级的物质在1300℃至1400℃左右以上开始热分解，形成热变质层。 [0022] 在去除前述劣化层的步骤中，优选利用与前述照射部保持预定距离且追随前述照射部的前述加工工具，来依次将形成于前述照射部的前述劣化层去除。前述加工工具优选为端铣刀。 [0023] 此时，预定距离，是指在陶瓷基复合材料的表面形成热变质层的情况下，使对工具产生的热影响尽量少的距离。 [0024] 优选在形成前述劣化层的步骤中，在前述被加工材料的表面的预定区域形成前述劣化层，而在去除前述劣化层的步骤中，在前述预定区域形成前述劣化层后，将该劣化层去除。前述加工工具优选为端铣刀。 [0025] 发明的效果 [0027] 图1为表示加工装置的概略构成的图。 [0028] 图2为表示陶瓷基复合材料的图。 [0029] 图3为表示在被加工材料表面的激光(射束)的形状的图。 [0030] 图4为表示将被加工材料加工的一系列的工序的流程图。 [0032] 图6为表示用于辐射温度计的校准曲线的图。 [0034] 图8为表示离激光照射部的距离与温度的关系的图。 [0035] 图9为表示激光辅助与切削力的关系的图。 [0036] 图10为表示端铣刀的前倾面的SEM图像的图。 [0037] 图11为表示激光辅助加工的实施例的概略构成的图。 [0038] 图12为表示激光输出功率与切削力的关系的图。 [0039] 图13为表示能量密度与去除深度的关系的图。 具体实施方式[0040] 以下，参照附图对本发明所涉及的陶瓷基复合材料的加工方法的实施方式进行详细说明。该加工方法，通过激辅助光，对成为被加工材料的陶瓷基复合材料(CMC)进行切削加工。 [0041] 本实施方式中，对于辅助使用激光来将陶瓷基复合材料的表面局部加热，从而将加热部切削的激光辅助加工的可能性进行调查。并且，利用辐射温度计对陶瓷基复合材料料的表面照射激光时的表面温度进行测定，同时对于激光照射条件对切削特性带来的影响进行调查。 [0042] 图1为表示实现本实施方式的陶瓷基复合材料的加工方法的加工装置10的概略构成的图。该加工装置10中，在工作台11上面，隔着切削动力传感器12安装有台钳13，由该台钳13将厚度3mm的板状的陶瓷基复合材料的被加工材料30固定。该加工装置10可以利用多工序自动数控机床、铣床等。 [0043] 在被加工材料30的表面，在将工作台11上表面的法线设为基准时向被加工材料30的进给方向的后方倾斜45°的方向，从激光头21照射出激光，在被加工材料30的表面形成照射部32。在被加工材料30的表面，由直径6mm的端铣刀25，在从该照射部32沿着进给方向相距预定距离的位置，以进刀0.1mm来进行切削。予以说明的是，图中，箭头所示的加工方向相当于与进给方向相反的方向。 [0044] 被加工材料30，相对于各自位置被固定的激光头21和端铣刀25，以规定的进给速度移动。与此相反，将被加工材料30设为基准时，激光头21和端铣刀25以规定速度移动，使端铣刀25保持预定距离且追随被照射激光的照射部32。这样的激光头21和端铣刀25的移动方向由图中的箭头示出，作为加工方向。 [0045] 现对于被加工材料30的进给方向，激光设置于端铣刀25的先端的后方，照射向被加工材料30的未切削面的表面的照射部32，端铣刀25将被局部加热的照射部32切削。端铣刀25使用超钢平头端铣刀，考虑到切削动力传感器12的固有振动频率，将端铣刀25的旋转数设为6000rpm。 [0046] 对于该加工装置10，规定xyz正交坐标系，xy面与工作台11的上表面平行，使被加工材料30的长度方向为x轴方向，厚度方向为y轴方向，工作台11上表面的法线为与z轴方向相反的方向。因此，被加工材料30中xy面为进行切削加工的加工面，x轴方向为被加工材料30的进给方向，z轴方向为切削的深度方向。 [0047] 参照该xyz坐标系，从激光头21照射出的激光，相对于工作台11的上表面法线，向x轴方向倾斜45度，端铣刀25将z轴方向作为切削的深度方向。此外，将被加工材料30为基准，激光头21和其照射部32在x轴方向以规定速度移动，端铣刀25也追随它们在x轴方向以规定速度移动。激光通过照射部32对作为加工面的xy面进行扫描，端铣刀25追随由该照射部32的扫描来进行切削。 [0048] 图2为表示成为被加工材料30的陶瓷基复合材料的一个示例的图。该复合原料是通过利用陶瓷填充板状的陶瓷纤维31的织物的间隙来复合化而形成的。作为这样的陶瓷基复合材料，可以利用例如在前述专利文献1中举出的物质。 [0049] 对于该板状的陶瓷基复合材料，也设定xyz正交坐标系，例如可以将该陶瓷基复合材料的长度方向设为x轴方向，厚度方向设为y轴方向，其他方向设为z轴方向。并且可以参照如此设定的xyz方向，以与在加工装置10设定的xyz方向一致的方式，安装于加工装置10。 [0050] 图3为表示安装在加工装置10的被加工材料30的射束形状的图。在该图中，用灰色标度示出激光的强度。照射部32为椭圆状，短轴方向为0.4mm×长轴方向为4.1mm。 [0051] 图4为表示使用该加工装置10将被加工材料30加工的一系列的工序的流程图。在最初的步骤S11，被加工材料30被安装于加工装置10。被加工材料30被安装于在加工装置10的工作台11的上表面备置的台钳13等夹具，并被固定。 [0052] 工序从步骤S11分为两个流程。第1个流程将进入步骤S12。在步骤S12中，对被加工材料30照射激光，同时进行被加工材料30的切削。相对于激光头21和端铣刀25，以规定速度进给被加工材料30，由从激光头21射出的激光在被加工材料30的表面，即xy面形成照射部32，通过在该照射部32的后方保持预定距离且追随的端铣刀25，在z轴方向切削至规定深度。 [0053] 在此，对被加工材料30，通过照射连续振荡激光，将表面的照射部32加热至预定温度，产生热损伤，同时通过照射高能量的脉冲振荡激光，在照射部32形成龟裂。通过如此照射连续振荡激光以及脉冲振荡激光，在被加工材料30的表面，在z轴方向形成规定深度的劣化层。 [0054] 端铣刀25去除形成于被加工材料30的表面的劣化层。劣化层受热损伤，同时其组织形成有龟裂，从而降低了端铣刀25的切削阻力，能够高速地切削。例如，与前述专利文献2～4所示的现有技术相比，能够得到50倍至70倍的去除材料速度，以使得能够进行与例如金属产品同等的加工。此外，端铣刀25等加工工具的寿命也延长。进而，提高切削性，龟裂进展效果高，工具和加工形状不受限制。 [0055] 在步骤S12中，不限于将激光头21和端铣刀25固定且进给被加工材料30的情况，而使被加工材料30相对于激光头21和端铣刀25，相对地移动即可。例如，也可以固定被加工材料30而使激光头21和端铣刀25移动，也可以使激光头21与端铣刀25、被加工材料30的双方移动。 [0056] 另一方面，从步骤S11分支的第2个流程通往步骤S13，该步骤S13中，对被加工材料30仅进行激光的照射。相对于激光头21以规定速度进给被加工材料30，通过从激光头21照射出的激光来扫描被加工材料30的表面，即xy面。通过这样的激光的照射，在被加工材料30的表面的预定区域在z轴方向形成直至规定深度的劣化层。 [0057] 在该步骤S13中也与上述步骤S12同样地，通过照射连续振荡激光，将被加工材料30的表面的照射部32加热至预定温度，产生热损伤，同时通过照射高能量的脉冲振荡激光在照射部32形成龟裂，由此形成劣化层。在被加工材料30的表面的预定区域完成劣化层的形成之后，进入下一步步骤S14。 [0058] 在步骤S14中，由端铣刀25来切削在被加工材料30的表面的预定区域形成的劣化层。相对于端铣刀25，以规定速度进给被加工材料30，在步骤S13形成在表面上的劣化层，由端铣刀25在z轴方向切削至规定深度。 [0059] 在该步骤S14中，也与步骤S12同样地，劣化层产生热损伤，并且其组织中形成有龟裂，从而降低了端铣刀25的切削阻力，能够进行高速的切削加工。此外，切削性提高，龟裂进展效果高，工具和加工形状不受限制。 [0060] 予以说明的是，在前述步骤S12和S13中，也可以与步骤S11同样地，使激光头21与端铣刀25、被加工材料30的任一方移动。 [0061] 前述第1个流程的步骤S12、第2个流程的步骤S13和S14，可以反复进行直至将被加工材料30的表面切削而得的z轴方向的深度达到所希望的值。此外，也可以将第1个流程和第2个流程交替进行。 [0062] 予以说明的是，本实施方式中，按照第1个流程的步骤S11和步骤S12，对被加工材料30照射激光，同时对被加工材料30进行切削。 [0063] 图5为表示在被加工材料30的温度测定中使用的辐射温度计的概略构成的图。该辐射温度计利用光纤51引导从对象42发出的红外线，从而测定辐射温度，具有光纤51、聚光透镜54、高温计60、示波器71和电源装置72。 [0064] 该辐射温度计，将从位于对象区域41的对象42发出的红外线，通过含有包层52和纤芯53的光纤51来引导，利用由BaF2透镜形成的聚光透镜54来聚光。由聚光透镜54聚集的光，将进入高温计60，经过Ge过滤器61，由InAs检测器62和InSb检测器63分别检测出。 [0066] 在此，InAs检测器62和InSb检测器63，均具有其频率特性平坦至400kHz的特性，具有为了测量激光照射时的温度变化的充分的性能。 [0067] 图6为表示用于辐射温度计的校准曲线的图。在此，试料采用Al2O3，纤维为NSG类型，芯材料为硫属化物玻璃，芯径380μm，过滤器为Ge。图中的测定值a为热电偶，测定值b为熔融状态的普通钢SPCC，测定值c为熔融状态的碳化硅SiC。 [0068] 该图中，处于1000℃以下的温度范围的测定值a，通过热电偶法而得，使用热电偶来测定试料温度。处于超过1000℃的范围的测定值b、c，通过熔融法而得，使用了普通钢和碳化硅的融点以及分解点(参照前述非专利文献2)。 [0069] 图中示出，由此得到的InAs检测器62和InSb检测器63的输出功率比与温度的关系。图中的实线为从辐射温度计的构成部件的各个光谱灵敏度特性求出的理论曲线。在实验中得到的输出功率比与理论值良好地一致，因而本实施方式的温度换算使用图中的理论曲线来进行。 [0070] 图7为表示能量密度与激光照射部的表面温度的关系的图。图中示出测定值a为陶瓷基复合材料，测定值b为碳化硅(SiC)的块材，测定值c为氮化硅(Si3N4)的块材的情况。照射时间均为1秒。 [0071] 在测定值a～c的任何材料的情况下，温度均随着能量密度变大而变高。此外，测定值a的陶瓷基复合材料的表面温度与其他块材相比显著高。 [0072] 这是起因于材料的导热系数，可认为由于陶瓷基复合材料形成基质，因此导热系数变小。因此，陶瓷基复合材料与其他陶瓷材料相比，容易进行局部加热，能够使激光照射后的对周围的热影响小。 [0073] 图8为表示从激光照射部32至测定位置的距离与温度的关系的图。在此，激光的照射模式为连续振荡(CW)激光的照射，激光输出功率为50W。 [0074] 在激光照射部32达到近2000℃的温度，随着与照射部32的距离变大而逐渐变低，距离照射部3210mm时下降至700℃以下。即，可谓具有下述可能性：与激光照射部32相离的位置也存在加热区域，而根据激光条件、照射位置，能够控制照射部温度。 [0075] 图9为表示激光辅助对切削阻力带来的效果的图。在此，利用设置于加工装置10的切削动力传感器12来测定切削阻力，将x轴和y轴方向的分力Fx、Fy的合力Ft设为切削力N。 [0076] 图中，关于将激光输出功率设为40W，使照射部32和切削位置相离5mm来切削的情况下，对于有激光辅助和无激光辅助的情况，分别示出Ft、Fz、切削体积。由图可明确，利用激光进行局部加热时的切削阻力，尽管实际切削体积几乎相同，但与无激光辅助的情况相比显著小。 [0077] 图10为表示端铣刀25的前倾面的磨损的图。图中的(a)示出无激光辅助的情况下的SEM图像，图中(b)示出有激光辅助的情况下的SEM图像。将它们比较，可知通过辅助使用激光，端铣刀25的磨损量大幅度地减少。 [0078] 如上所述，关于陶瓷基复合材料，研究了针对改善被切削性而适用激光辅助加工的可能性，结果在切削阻力等方面确认了激光辅助的效果，示出了在陶瓷基复合材料的切削加工中能够适用激光辅助的可能性。 [0079] 实施例 [0080] 以下，对适用本发明的实施例进行说明。图11为表示在该实施例中使用的加工装置10的概略构成的图。 [0082] 实施例1 [0083] 表1表示该实施例1中的加工条件，表2表示激光照射条件。在该实施例1中，按照图4中的第1个流程的S11和S12，对被加工材料30照射激光的同时对被加工材料30进行切削。 [0084] 表1 [0085]旋转数 1300rpm 轴切削深度 0.1mm 切削距离 10mm 进给速度 65mm/min 进给速度 0.0125mm/tooth [0086] 表2 [0088] 图12为表示激光输出功率与切削力的关系的图。图中，示出激光输出功率与切削力的xyz轴方向的分力Fx、Fy、Fz的关系。随着激光输出功率增加，可见切削力减少。在本实施例中，对于切削加工有效且考虑到端铣刀25等工具的寿命的激光照射能量为90W至180W。 [0089] 实施例2 [0090] 表3表示该实施例2中的激光照射条件。加工条件与在实施例1中是同样的。该实施例2，按照图4中的第2个流程的S11、S13、S14，对被加工材料30，通过照射脉冲振荡激光将表面局部去除或切断后，通过切削加工来去除材料。 [0091] 表3 [0093] 图13为表示能量密度与去除深度的关系的图。可见对应能量密度的增加，去除深度也变大。该实施例2中，通过控制能量密度，能够设定从被加工材料30的表面层的去除深度。 [0094] 实施例3 [0095] 实施例3将实施例1的连续振荡激光的照射和实施例2的脉冲振荡激光的照射结合。通过照射连续振荡激光，将被加工材料30的表面加热至预定温度，产生热损伤，同时通过照射高能量的脉冲振荡激光，在被加工材料30的表面形成龟裂，从而形成劣化层，利用加工工具来去除该劣化层。 [0096] 实施例3中的激光的照射和切削的流程，可以是与照射激光的同时进行切削的第1个流程的S11、S12，也可以是结束对加工面的激光照射后进行切削的第2个流程的S11、S13、S14。 [0097] 这样，通过结合连续振荡激光的照射和脉冲振荡激光的照射，能够降低切削阻力，提高加工速度。此外，能够使切削性提高，龟裂进展效果高，工具和加工形状不受限制。此外，也可以使用对工具施加有金刚石涂层等涂层的物质。 [0099] 符号说明 [0100] 10 加工装置 [0101] 11 工作台 [0102] 12 切削动力传感器 [0103] 13 台钳 [0104] 21 激光头 [0105] 25 端铣刀 [0106] 30 被加工材料 [0107] 32 照射部 |
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