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. 〇6cc/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，以固定间隔切断切肩，提 高切肩的处理性，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°C至1400°C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
[0026] 根据本发明，陶瓷基复合材料的加工速度得以提高。此外，加工工具的寿命也得以 延长。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。
【附图说明】
[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。
[0031 ] 图5为表示辐射温度计的概略构成的图。
[0032] 图6为表示用于辐射温度计的校准曲线的图。
[0033] 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。
[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为表不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3_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，以进刀〇.Imm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. 4_X长轴方向为4. 1_。
[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Sll，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Sll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