中高体分SiC/Al复合材料高精度复合加工装置及加工方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202310412278.9 | 申请日 | 2023-04-18 | 公开(公告)号 | CN116673552A | 公开(公告)日 | 2023-09-01 |
| 申请人 | 西安工业大学; 湖南航天诚远精密机械有限公司; | 发明人 | 唐霖; 周嘉凯; 胡娟; 冯伟强; 刘昌林; 刘振志; 张曦童; 尹棋琛; 田非凡; 宋满新; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种中高体分SiC/Al 复合材料 高 精度 复合加工装置及其加工方法。为解决中高体积分数SiC/Al复合材料加工过程中易产生微裂纹的问题。本发明采用 电解 ‑电火花‑超声复合加工机床，工作液循环过滤系统， 温度 控制系统，所述电解‑电火花‑超声复合加工机床能实现SiC/Al复合材料高效高 质量 加工；所述 温度控制 系统可实现工作液±1℃恒温控制；所述工作液循环过滤系统实现工作液的自 净化 与循环利用。本发明方法加工效率高、加工成本低、表面质量好，可实现SiC/Al复合材料的高效高质量加工；其次本发明装置，提高加工精度，减小因机床、 电极 等制造因素引起的加工误差，并对工作液状态进行实时检测，实现SiC/Al复合材料超声电解电火花复合加工的自动化。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种中高体分SiC/Al复合材料高精度复合加工装置，包括加工机床，加工机床的机床主轴组件（8）的底部设置有工作箱（33），工作箱（33）的一侧设置有工作液循环过滤系统，机床主轴组件（8）包括固设置于三爪卡盘（9）上的旋转接头（10），所述的旋转接头（10）的一侧设置有皮带传动系统（11），皮带传动系统(11)带动旋转接头(10)下端旋转，旋转接头(10)下端带动超声振动装置(7)内变幅杆旋转，再带动电极(31)旋转；其特征在于：旋转接头（10）下设置有超声振动装置（7）；电极(31)的上端与超声振动装置（7）连接，下端插设于导向机构（1）保证电极(31)Z轴进给导向，且约束电极X、Y方向振动偏移；工件（30）设置于工作箱（33）内的夹具（32）上，所述的夹具（32）上设置有激光测距仪（37）和液压缸（41）实现工件（30）装夹； |
||||||
| 说明书全文 | 中高体分SiC/Al复合材料高精度复合加工装置及加工方法技术领域[0001] 本发明属于特种加工领域，具体涉及一种中高体分SiC/Al复合材料高精度复合加工装置及加工方法。 背景技术[0002] 碳化硅增强铝基复合材料(SiC/Al)具有高比强度、高比刚度、耐高温、抗腐蚀、抗疲劳等优点，在航空航天、国防等领域应用广阔。但SiC增强体颗粒的硬度比常用的高速钢刀具和硬质合金刀具高的多，在机械加工的过程中会引起剧烈的刀具磨损，且SiC/Al复合材料较脆，机械加工易产生表面微裂纹。 [0004] 采用电解加工SiC/Al复合材料，存在的主要问题是表面质量差，同时由于材料中的SiC颗粒无法被电解，且体积较小，易导致电解液质量变差，在中高体积分数的SiC/Al复合材料电解加工中尤为明显，严重影响了加工质量。 [0005] 采用超声加工SiC/Al复合材料，存在的主要问题是加工效率低，工具损耗大，易产生表面裂纹。 [0006] 一种针对铝基碳化硅复合材料的超声振动加工装置及方法(专利号：CN202011539527.3)利用激光束对工件待加工部分进行加热，将铝基软化，然后在超声振动下带动微刃铣刀进行三次铣削处理，但是加工过程中依然存在铣削力和热应力。 [0007] 一种电火花电解复合加工装置(专利号：CN201810647395.2)提出一种电火花电解复合加工装置，电火花电解电极互不干扰，但仍需二次定位，影响加工精度。 [0008] 一种航空发动机微小孔电火花‑电解复合加工设备(专利号：CN202021712478.4)采用微小孔电火花‑电解复合加工设备进行微小群孔的加工，但该装置难以进行型腔结构的加工，且通过回转工作台进行旋转，对工件本身要求较高。 [0009] 梁洪涛在《激光诱导氧化辅助铣削SiCp/Al复合材料试验研究》中提出采用激光诱导氧化辅助铣削对SiCp/Al复合材料进行加工，虽然该加工方法与传统铣削相比可以提高加工效率和加工质量，但整个加工过程中依然存在微小凹坑、表面划痕损伤、铣削力和残余热应力。 [0010] 邹财勇在《低体分SiCp/Al复合材料钻削切屑形貌及孔壁损伤实验研究》一文中，针对SiCp/Al复合材料在不同的主轴转速(1000rpm～2000rpm)和进给量(0.1mm/rev～0.2mm/rev)下进行了钻孔实验，通过对切屑形貌、表面粗糙度和孔壁损伤的研究，发现孔壁处的表面粗糙度随进给量的增加而增加，另外，还在孔壁处发现了基体裂纹、基体撕裂和空洞等孔壁损伤形式。 [0011] 上述方法为解决因材料脆性高而表面容易产生裂纹的问题，但是还是存在不同的问题，因此需要急需寻找一种方法以解决上述问题。 发明内容[0012] 有鉴于此，本发明为解决中高体积分数SiC/Al复合材料加工过程中易产生微裂纹的问题，达到高效、高质量的完成，提供一种中高体分SiC/Al复合材料高精度复合加工装置及加工方法。 [0013] 为解决现有技术存在的问题，本发明所采用的技术方案是：一种中高体分SiC/Al复合材料高精度复合加工装置，包括加工机床，加工机床的机床主轴组件的底部设置有工作箱，工作箱的一侧设置有工作液循环过滤系统，机床主轴组件包括固设置于三爪卡盘上的旋转接头，所述的旋转接头的一侧设置有皮带传动系统，皮带传动系统带动旋转接头下端旋转，旋转接头下端带动超声振动装置内变幅杆旋转，再带动电极旋转；旋转接头下设置有超声振动装置；电极的上端与超声振动装置连接，下端插设于导向机构保证电极Z轴进给导向，且约束电极X、Y方向振动偏移；工件设置于工作箱内的夹具上，所述的夹具上设置有激光测距仪和液压缸实现工件装夹； [0014] 工作液循环过滤系统包括沉淀池和工作液池，工作液池通过管道与旋转接头的侧孔连接，工作箱通过管道与沉淀池连接，沉淀池通过管道与工作液池连接；所述的沉淀池内设置有粗滤过滤器，工作液池内设置有精滤过滤器，工作液池中的工作液为水基超低电导率盐溶液。 [0015] 进一步，夹具包括夹具底座，夹具底座内设置有T型槽，T型槽的横向槽内设置有一个固定，一个可来回移动的两个工作台，可移动的工作台的一侧通过螺纹杆的进退实现来回移动，与另一工作台夹紧工件，每个工作台上设置有激光测距仪用于测量测距头至加工表面距离，每个工作台下设置有液压缸，通过液压缸内的液压杆实现工作台的上下调节。 [0017] 进一步，机床主轴组件还包括弹簧夹头和紧固套，弹簧夹头设置于紧固套内，紧固套通过螺纹与机床主轴相连。 [0019] 进一步，粗滤过滤器设置于沉淀池与工作液池之间的管道，其管道上还设置有过滤系统泵。 [0020] 进一步，精滤过滤器设置于工作液池与旋转接头的管道上，其管道上还设置有工作液循环泵、温度传感器、电导率传感器和压力表；工作液池内的工作液通过工作液冷却塔和蒸汽发生器实现降温与升温，所述的温度传感器、电导率传感器、工作液冷却塔、蒸汽发生器和脉冲电源均通过控制面板控制，所述脉冲电源为高低压复合脉冲电源。 [0021] 进一步，沉淀池和工作液池上分别设置有溢流阀。 [0022] 进一步，沉淀池通过管道上的工作液池泵与工作箱连接。 [0023] 一种中高体分SiC/Al复合材料高精度复合加工装置的加工方法的步骤为： [0024] 1)选择与电极外径相配合的滚珠轴承，将其安装在滚珠轴承衬套内；将工作电极下端插入导向机构，上端安装在弹簧夹头内，弹簧夹头安装在紧固套内，电极上端插入超声振动装置，拧紧紧固套；紧固套通过螺纹与机床主轴相连； [0025] 2)清洗并擦干工件，通过摇动手轮将左侧工作台靠近右侧工作台，将工件预夹紧，打开激光测距仪，其数值显示为测距头至加工表面距离，通过向进油口注油或抽油可将工件调平，拧紧螺钉固定工作台，两侧夹具为相同操作，再转动手轮将工件完全夹紧； [0026] 3)打开设备系统空气开关，启动机床控制面板，将电极移动至加工区域，并通过Z轴进给接近工件；在控制面板上选择端面测定，并将工作坐标系清零；设置加工间隙、电极运动轨迹、电极补偿量、工作液压力、加工电压、脉宽、超声振动频率等参数； [0027] 4)通过机床控制面板依次打开工作液循环泵、工作液池泵、过滤系统泵，最后打开脉冲电源、超声发生器，点击执行命令，开始对工件进行电解‑电火花‑超声复合加工； [0028] 5)在加工完毕后，依次关闭脉冲电源、工作液循环泵、工作液池泵、过滤系统泵；将电极移动至合适位置，关闭设备系统空气开关，拆卸工件与电极，对工件进行清洗、擦干；拧下紧固套，拔出电极，清洗、擦干所有零部件，整个加工过程结束。 [0029] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0030] 1)本发明给出的电解‑电火花‑超声复合加工的加工方法，可形成有效电回路，电火花正极性加工与电解加工所需极性相同，且电火花正极性加工更利于提高加工精度与质量，再通过与超声辅助加工的复合，增强SiC/Al复合材料加工间隙蚀除产物的排出作用，三种技术的复合可以优势互补，有效提高SiC/Al复合材料的加工质量，避免组合加工重新定位或更换工作液的工序；同时可通过激光测距仪与液压杆进行加工面的精准装夹，降低加工误差，可实现SiC/Al复合材料的高效高质量加工，超声辅助可以有效改善电火花蚀除产物与电解剥落SiC颗粒的加工间隙排出问题，提高加工精度与质量。与传统机械加工相比，加工效率高，加工成本低；与电火花加工相比，无熔融层，电极损耗降低，加工效率较高；与电解加工相比，表面质量好。 [0031] 2)本发明采用高低压复合脉冲电源，电解‑电火花‑超声复合加工在该电源的作用下持续进行，高压时进行电火花加工，低压时进行电解加工，可通过控制高低压时间比例控制电火花与电解在加工中的蚀除作用比例，提高SiC/Al复合材料的加工精度与质量；同时可以根据电解液电导率反馈来控制高低压的电压大小，以便实现对电解蚀除量与电火花发生条件的控制。 [0032] 3)本发明采用旋转接头、导向装置等结构，更加有效控制电极旋转精度，提高加工精度，减小因机床主轴磨损、电极质量分布不均、内充液压力过大等因素引起的电极抖动，从而改善大长径比深小孔类结构的加工精度”。 [0033] 4)本发明对循环过滤系统进行改进，通过粗过滤和精过滤避免一次过滤导致的过滤堵塞，实现工作液自清洁，因为SiC/Al复合材料在电解电火花复合加工的过程中会产生电火花加工的电蚀产物、电解加工的蚀除产物和SiC颗粒，电蚀产物一般颗粒较大，为熔融球状，而SiC颗粒来源于材料本身，是因为电解作用而引起的增强材料剥落，一般直径为10微米，如果仅采用一般机床一次的过滤方法，很难过滤掉SiC颗粒，因此添加精过滤针对SiC颗粒的过滤；对工作液进行温度、电导率因素的实时检测，工作液状态对加工精度与质量影响较大，增加实时检测电导率设备可更加有效的保证加工的稳定性，更加准确的反应加工工况，工作液为水基超低电导率盐溶液，主要成分为NaNO3+Na2CO3。 [0034] 5)本发明夹具装夹部分采用液压缸定位，相比于传统的人工定位或者机械定位方式更加稳定可靠，液压缸作为液压执行元件具有体积小、质量轻、能容量大的优点且在其用来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，可以实现其在活塞杆工作行程内的任意位置的定位；采用激光测距仪和液压缸配合使用可以对工件进行准确定位，准确调节。 [0036] 图1是本发明加工装置的结构示意图； [0037] 图2是本发明工装夹具的结构示意图； [0038] 图3是本发明工装夹具的主视图； [0039] 图4是本发明电极的零件图； [0040] 图中，1.导向机构，2.滚珠轴承，3.弹簧夹头，4.紧固套，5.超声发生器.，6.电能传输装置，7.超声振动装置，8.机床主轴，9.三爪卡盘，10.旋转接头，11.皮带传动系统，12.滚珠轴承衬套，13.压力表，14.电导率传感器，15.温度传感器，16.工作液冷却塔，17.蒸汽发生器，18.控制面板，19.工作液池溢流阀，20.工作液池，21.冷却循环泵，22.工作液循环泵，23.精滤过滤器，24.粗滤过滤器，25.过滤系统泵，26.沉淀池，27.沉淀池溢流阀，28.工作液池泵，29.绝缘台，30.工件，31.电极，32.夹具，33.工作箱，34.脉冲电源，35.螺纹杆，36.旋转杆，37.激光测距仪，38.铰链，39.工作台，40.活塞杆，41.液压缸，42.螺钉，43.进油口， 44.内六角螺钉，45.液压缸底座，46.夹具底座，47.电源接口，48.手轮。 具体实施方式[0041] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明了，下面结合附图和具体实施方式对本发明SiC/Al复合材料电解‑电火花‑超声复合加工设备系统及加工方法进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0042] 工作原理：超声电解电火花复合加工是利用浸入工作液内工具电极表面电解气泡形成气膜，作为绝缘介质击穿火花放电产生高温高压，综合物理化学作用去除工件材料，既能快速去除材料基体，又能通过控制工艺参数有效去除熔融层，同时可以避免组合加工过程中的反复定位，超声辅助可提高放电的稳定性和加速蚀除产物的排出，提高加工质量。 [0043] 一种中高体分SiC/Al复合材料高精度复合加工装置，如图1所示，包括加工机床，加工机床的机床主轴组件8的底部设置有工作箱33，工作箱33的一侧设置有工作液循环过滤系统，工件30设置于工作箱33内的夹具32上。 [0044] 上述机床主轴组件8如图1所示，包括导向机构1、滚珠轴承2、弹簧夹头3、紧固套4、超声发生器5、电能传输装置6、超声振动装置7、机床主轴8、三爪卡盘9、旋转接头10、皮带传动系统11、滚珠轴承衬套12、控制面板18、工作箱33、脉冲电源34；机床主轴8通过螺纹与紧固套4连接，紧固套4内设置有弹簧夹头3，三爪卡盘9上固设有旋转接头10，旋转接头10下设置有超声振动装置7；电极31的上端与超声振动装置7连接，下端插设于导向机构1保证电极31Z轴进给导向，且约束电极X、Y方向振动偏移；导向机构1包括滚珠轴承2和滚珠轴承衬套 12，滚珠轴承2的内径与电极31的外径相匹配，并设置于滚珠轴承衬套12内。所述的旋转接头10的一侧设置有皮带传动系统11，皮带传动系统11带动旋转接头10下端旋转，旋转接头 10下端带动超声振动装置7内变幅杆旋转，再带动电极31旋转；工件30设置于工作箱33内的夹具32上，所述的夹具32上设置有激光测距仪37和液压缸41实现工件30装夹； [0045] 上述机床主轴组件8连接脉冲电源34负极；夹具32中的电源接口47连接脉冲电源34正极，工作液为低电导率电解液，电解液电导率由电导率传感器检测，满足电解电火花复合加工条件。 [0046] 上述夹具32如图3所示，包括螺纹杆35、旋转杆36、激光测距仪37、铰链38、工作台39、活塞杆40、液压缸41、螺钉42、进油口43、内六角螺钉44、液压缸底座45、夹具底座46、电源接口47、手轮48；夹具底座46，夹具底座46内设置有T型槽，T型槽的横向槽内设置有一个固定，一个可来回移动的两个工作台39，可移动的工作台的一侧连接有螺纹杆35，螺纹杆35的另一端连接有转动手轮48，转动手轮48通过螺纹杆35的进退实现来回移动，与另一工作台夹紧工件30，夹具底座46内设置有左右两个相对称的工作台39，一个工作台39的一侧通过螺纹杆35连接于液压缸底座45，推动实现前后移动与另一工作台夹紧工件3，液压缸缸壁焊接有套筒，通过内六角螺钉44与液压缸底座固连在一起，液压缸41通过沉头螺钉固定在液压缸底座45上，工作台39中导电座与背板由铰链38连接，可拆卸更换成适合各种结构工件的背板，通过螺钉42固定；工作台39通过向进油口43注油或抽油带动活塞杆40上下移动而进给，活塞杆40与工作台39通过螺纹相连，可根据激光测距仪37反馈数值调整工件高度，激光测距仪37与工作台39通过轴芯连接，可进行轴向转动。每个工作台上的激光测距仪37用于测量测距头至加工表面距离，每个工作台下的液压缸40，通过液压缸41内的液压杆40实现工作台的上下调节。 [0047] 激光测距仪37用于检测待加工表面的水平度，若左右两侧激光测距仪37测距数值相等，则进行下一步加工。若不等，则配合液压缸41进行动态调整，直至两侧激光测距仪37数值相等。液压缸41上设置有进油口43，活塞杆40与工件台39连接，通过向进油口输送一定压力的液压油控制活塞杆竖直往复直线运动，从而控制工件底座的竖直位置。液压缸缸壁焊接有套筒，通过内六角螺钉44与液压缸底座固连在一起。 [0048] 上述工作液循环过滤系统包括沉淀池26和工作液池20，工作液池20通过管道与旋转接头10的侧孔连接，其管道上设置有精滤过滤器23、工作液循环泵22、温度传感器15、电导率传感器14和压力表13；工作液池20内的工作液通过工作液冷却塔16和蒸汽发生器17实现降温与升温，工作箱33通过管道上的工作液池泵28与沉淀池26连接，沉淀池26通过管道与工作液池20连接，其管道上设置有粗滤过滤器24和过滤系统泵25；所述的沉淀池26内设置有粗滤过滤器24，工作液池20内设置有精滤过滤器23。沉淀池26通过管道上的工作液池泵28与工作箱33连接。 [0049] 上述沉淀池26上设置有沉淀池溢流阀27防止工作液流出；工作液池20上设置有工作液池溢流阀19防止工作液流出。 [0050] 上述温度传感器15、电导率传感器14、工作液冷却塔16、蒸汽发生器17和脉冲电源34均通过控制面板18控制。 [0051] 上述所有工作液管道选用304不锈钢管道，管道接口处采用法兰盘连接，电导率传感器14置于工作液进入加工机床之前，工作液由工作液池20经精滤过滤器23、工作液循环泵22流入旋转接头10侧孔，再经电极31内孔流入工作箱33，通过使用工作液池泵28将加工后的工作液抽入沉淀池26，再使用过滤系统泵25将工作液经粗滤过滤器24抽入工作液池20，形成工作液循环利用，保证工作液自清洁，实现工作液快速循环更新，同时电导率传感器14对工作液进行实时检测，可根据所测电导率值反馈工作液状态，保证加工稳定性。 [0052] 上述温度传感器15检测工作液温度，将其反馈到控制面板18，控制面板18根据设定温度控制工作液冷却塔16、冷却循环泵21、蒸汽发生器17的运行。控制面板18根据反馈信息与设定温度，自动运行工作液冷却塔16或蒸汽发生器17，届时工作液经冷却循环泵21进入工作液冷却塔16，工作液冷却塔16通过风机与自来水喷淋来进行降温，蒸汽发生器17通过水蒸气在盘管中的循环进行升温。工作液冷却塔16、冷却循环泵21、蒸汽发生器17可通过变频器来控制。 [0053] 一种中高体分SiC/Al复合材料高精度复合加工装置的加工步骤为： [0054] 1)选择与电极31外径相配合的滚珠轴承2，将其安装在滚珠轴承衬套12内；将工作电极31下端插入导向机构1，上端安装在弹簧夹头3内，弹簧夹头3安装在紧固套4内，电极31上端插入超声震动装置，拧紧紧固套4；紧固套4通过螺纹与机床主轴8相连； [0055] 2)清洗并擦干工件30，通过摇动手轮48将左侧工作台靠近右侧工作台，将工件30预夹紧，打开激光测距仪37，其数值显示为测距头至加工表面距离，通过向进油口43注油或抽油可将工件调平，拧紧螺钉42固定工作台39，再将激光测距仪37旋转至不影响加工侧，两侧夹具为相同操作，再转动手轮48将工件30完全夹紧； [0056] 3)打开设备系统空气开关，启动机床控制面板18，将电极移动至加工区域，并通过Z轴进给接近工件30；在控制面板18上选择端面测定，并将工作坐标系清零；设置加工间隙、电极运动轨迹、电极补偿量、工作液压力、加工电压、脉宽、超声振动频率等参数； [0057] 4)通过机床控制面板18依次打开工作液循环泵22、工作液池泵28、过滤系统泵25，检查液循环系统是否存在漏液，监测工作液稳定循环后的温度、电导率，检查无误后等待工作液调节至适宜的加工温度，最后打开脉冲电源34、超声发生器5，点击执行命令，开始对工件进行电解‑电火花‑超声复合加工； [0058] 5)在加工完毕后，依次关闭脉冲电源34、工作液循环泵22、工作液池泵28、过滤系统泵21；然后将电极31移动至合适位置，关闭设备系统空气开关，拆卸工件30与电极31，对工件进行清洗、擦干；拧下紧固套4，拔出电极31，清洗、擦干所有零部件，至此，整个加工过程结束。 [0059] 该方法为电解‑电火花‑超声复合加工，加工在高低压复合脉冲电源14作用下持续进行，高压时进行电火花加工，低压时进行电解加工。所述工作液为水基超低电导率盐溶液，主要成分为NaNO3+Na2CO3。 |
||||||
