一种在陶瓷基复合材料构件上加工孔的方法及打孔机构与流程

本发明涉及一种陶瓷基复合材料构件的加工方法，具体涉及一种在陶瓷基复合材料构件上加工孔的方法。本发明还涉及上述在陶瓷基复合材料构件上加工孔的方法中使用的打孔机构。

背景技术：

陶瓷基复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的热结构/功能一体化新型材料，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀、对裂纹不敏感，不发生灾难性毁损等特点，在机械、航空航天、核、能源等领域有着广泛的应用。陶瓷基复合材料构件的基体材料是碳化硅,其硬度排在金刚石、立方氮化硼(cbn)之后，是典型的超高温硬度材料，因此对陶瓷基复合材料构件进行机械加工的难度极大，尤其是孔的加工，且加工过程容易对构件产生边缘性损伤。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中存在的陶瓷基复合材料构件孔的加工难度大，且加工过程容易对构件产生边缘性损伤的问题，而提供了一种在陶瓷基复合材料构件上加工孔的方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种在陶瓷基复合材料构件上加工孔的方法，其特殊之处在于，具体按照以下步骤实施：

1)选取密度为1.6～1.8g/cm³的陶瓷基复合材料构件预制体，将预制体固定在工作台上；

2)根据不同加工区域设定打孔参数

切削sic基体涂层时，制孔刀具的旋转线速度为35-50m/min，切削速率为0.003-0.01mm/r；

切削纤维铺层时，制孔刀具的旋转线速度为30-45m/min，切削速率为0.01-0.018mm/r；

3)根据步骤2设定的打孔参数在预制体上打孔；

4)打孔完成后，对预制体进行cvi沉积。

进一步地，所述打孔的直径范围为1.2mm至40mm。

进一步地，步骤3所述在预制体上打孔具体是指使用打孔机构在预制体上打孔；

所述打孔机构包括机床夹持机构、方位调节机构、工具夹持机构、气动制孔工具；

所述气动制孔工具包括气动工具以及气动工具驱动的制孔刀具；

所述工具夹持机构用于固定气动制孔工具；

所述方位调节机构的一端与工具夹持机构连接，用于调整工具夹持机构的空间方位；

所述机床夹持机构将方位调节机构的另一端固定在机床主轴上。

本发明还提供了上述在陶瓷基复合材料构件上加工孔的方法中使用的打孔机构，其特殊之处在于：

包括机床夹持机构、方位调节机构、工具夹持机构、气动制孔工具；

所述气动制孔工具包括气动工具以及气动工具驱动的制孔刀具；

所述工具夹持机构用于固定气动制孔工具；

所述方位调节机构的一端与工具夹持机构连接，用于调整工具夹持机构的空间方位；

所述机床夹持机构将方位调节机构的另一端固定在机床主轴上。

进一步地，所述方位调节机构包括x向回转单元和y向回转单元；且x向回转轴线和y向回转轴线分别与机床主轴轴线垂直。

进一步地，所述x向回转单元包括第一法兰盘，机床夹持机构与第一法兰盘一侧铰接，铰接轴轴线与机床主轴轴线垂直；

所述y向回转单元包括第一回转盘，第一回转盘上周向均布有多个腰形孔，腰形孔内设有螺栓，第一回转盘通过螺栓与第一法兰盘另一侧固定连接，且第一回转盘的轴线与机床主轴轴线垂直；

所述工具夹持机构固定安装在第一回转盘连接第一法兰盘一侧对应的另一侧上。

进一步地，所述方位调节机构包括x向回转单元、y向回转单元、用于带动气动制孔工具进退的进给滑块；且x向回转轴线与机床主轴轴线平行，y向回转轴线与机床主轴轴线垂直；进给滑块的进退方向与机床主轴轴线垂直。

进一步地，所述x向回转单元包括第二回转盘，第二回转盘上周向均布有多个腰形孔，腰形孔内设有螺栓，第二回转盘通过螺栓与机床夹持机构固定连接，且第二回转盘的轴线与机床主轴轴线平行；

所述y向回转单元包括第三回转盘，第三回转盘上周向均布有多个腰形孔，腰形孔内设有螺栓；所述第二回转盘一侧设有连接轴，第三回转盘通过螺栓与连接轴固定连接，且第三回转盘的轴线与机床主轴轴线垂直；

所述第三回转盘上设置有底座，底座上设有滑槽和限位机构，进给滑块一端伸入滑槽且可在滑槽内移动，进给滑块在滑槽内移动方向与机床主轴轴线垂直，限位机构将进给滑块固定在滑槽内；进给滑块另一端与工具夹持机构连接。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所提供的一种在陶瓷基复合材料构件上加工孔的方法能够实现在构件外表面及腔体侧壁上进行圆孔及异型孔的加工，加工精度高且不易产生边缘性损伤；

(2)选取密度为1.6～1.8g/cm³的预制体进行打孔，由于该密度的预制体硬度略低，易于打孔且不会影响后续制备过程；

(3)陶瓷基复合材料包括sic基体涂层和纤维铺层，打孔过程中，由于sic基体涂层硬度相比纤维铺层硬度更高，切削纤维铺层选择较高的切削速率以提高加工效率，切削sic基体涂层时减小切削速率，防止因刀具的轴向抗力使sic基体涂层与纤维铺层产生分层或产生边缘性损伤；

(4)打孔完成后对预制体进行cvi沉积，沉积时高温环境可对预制体内部受损伤的纤维进行修复，在断裂纤维之间微观上原位生成sic基体，而且可以使加工过程中残存的切削应力得到充分释放；

(5)在预制体上打孔时使用的打孔机构能够满足在构件外表面、小空间腔体侧壁及较大空间腔体侧壁上打孔的需求，且可任意调整气动制孔工具与打孔表面的相对角度，从而完成各类孔的加工。

附图说明

图1是实施例一打孔机构的结构示意图；

图2是实施例二打孔机构的结构示意图。

图中，1-机床主轴，2-机床夹持机构，3-工具夹持机构，4-气动工具，5-制孔刀具，6-第一法兰盘，7-第一回转盘，8-进给滑块，9-第二回转盘，10-第三回转盘，11-连接轴，12-底座，13-限位机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例一

在陶瓷基复合材料构件小空间腔体侧壁上加工孔的方法，具体按照以下步骤实施：

1)选取经过cvi沉积密度达到1.6～1.8g/cm³的陶瓷基复合材料构件预制体，将预制体固定在工作台上；

2)根据不同加工区域设定打孔参数

切削sic基体涂层时，制孔刀具的旋转线速度为35-50m/min，切削速率为0.003-0.01mm/r；

切削纤维铺层时，制孔刀具的旋转线速度为30-45m/min，切削速率为0.01-0.018mm/r；

3)根据步骤2设定的打孔参数在预制体上打孔；

4)打孔完成后，再次对预制体进行cvi沉积。

本实施例中在预制体上打孔使用的打孔机构如图1所示，包括机床夹持机构2、方位调节机构、工具夹持机构3、气动制孔工具；

气动制孔工具包括气动工具4以及气动工具4驱动的制孔刀具5；工具夹持机构3用于固定气动制孔工具；方位调节机构的一端与工具夹持机构3连接，用于调整工具夹持机构3的空间方位；机床夹持机构2将方位调节机构的另一端固定在机床主轴1上。

方位调节机构包括x向回转单元和y向回转单元；且x向回转轴线和y向回转轴线分别与机床主轴1轴线垂直。

x向回转单元包括第一法兰盘6，机床夹持机构2与第一法兰盘6一侧铰接，铰接轴轴线与机床主轴1轴线垂直；

y向回转单元包括第一回转盘7，第一回转盘7上周向均布有多个腰形孔，腰形孔内设有螺栓，第一回转盘7通过螺栓与第一法兰盘6另一侧固定连接，且第一回转盘7的轴线与机床主轴1轴线垂直；

工具夹持机构3固定安装在第一回转盘7连接第一法兰盘6一侧对应的另一侧上。

使用时，先将该打孔机构的机床夹持机构2与机床主轴1固定连接，调整x向回转单元和y向回转单元，使制孔刀具5与待加工孔的轴线平行，再将铰接处的螺栓以及第一回转盘7上腰形孔内的螺栓锁死，利用机床主轴1带动制孔刀具5移动推进，利用气动工具4的高压气体驱动制孔刀具5高速旋转进行切削打孔。

该打孔机构可适用于陶瓷基复合材料构件外表面以及小空间腔体侧壁上的打孔。

实施例二

在陶瓷基复合材料构件较大空间腔体侧壁上加工孔的方法，具体按照以下步骤实施：

1)选取经过cvi沉积密度达到1.6～1.8g/cm³的陶瓷基复合材料构件预制体，将预制体固定在工作台上；

2)根据不同加工区域设定打孔参数

切削sic基体涂层时，制孔刀具的旋转线速度为35-50m/min，切削速率为0.003-0.01mm/r；

切削纤维铺层时，制孔刀具的旋转线速度为30-45m/min，切削速率为0.01-0.018mm/r；

3)根据步骤2设定的打孔参数在预制体上打孔；

4)打孔完成后，再次对预制体进行cvi沉积。

本实施例中在预制体上打孔使用的打孔机构如图2所示，包括机床夹持机构2、方位调节机构、工具夹持机构3、气动制孔工具；

气动制孔工具包括气动工具4以及气动工具4驱动的制孔刀具5；工具夹持机构3用于固定气动制孔工具；方位调节机构的一端与工具夹持机构3连接，用于调整工具夹持机构3的空间方位；机床夹持机构2将方位调节机构的另一端固定在机床主轴1上。

方位调节机构包括x向回转单元、y向回转单元、用于带动气动制孔工具进退的进给滑块8；且x向回转轴线与机床主轴1轴线平行，y向回转轴线与机床主轴1轴线垂直；进给滑块8的进退方向与机床主轴1轴线垂直。

x向回转单元包括第二回转盘9，第二回转盘9上周向均布有多个腰形孔，腰形孔内设有螺栓，第二回转盘9通过螺栓与机床夹持机构2固定连接，且第二回转盘9的轴线与机床主轴1轴线平行；

y向回转单元包括第三回转盘10，第三回转盘10上周向均布有多个腰形孔，腰形孔内设有螺栓；第二回转盘9底面设有连接轴11，第三回转盘10通过螺栓与连接轴11固定连接，且第三回转盘10的轴线与机床主轴1轴线垂直；

第三回转盘10的下端设置有底座12，底座12上设有滑槽和限位机构13，进给滑块8一端伸入滑槽且可在滑槽内移动，进给滑块8在滑槽内移动方向与机床主轴1轴线垂直，限位机构13将进给滑块8固定在滑槽内；此处限位机构13具体为设置在底座侧面的螺纹孔及螺纹孔内的螺钉，该螺纹孔与滑槽连通且与滑槽垂直，旋转螺钉可将进给滑块8顶紧固定；进给滑块8另一端与工具夹持机构3连接。

使用时，先将该打孔机构的机床夹持机构2与机床主轴1固定连接，调整x向回转单元、y向回转单元以及进给滑块8，使制孔刀具5与待加工孔的轴线平行，第二回转盘9上腰形孔内的螺栓、第三回转盘10上腰形孔内的螺栓、限位机构13锁死，利用机床主轴1带动制孔刀具5移动推进，利用气动工具4的高压气体驱动制孔刀具5高速旋转进行切削打孔。

该打孔机构可适用于陶瓷基复合材料构件外表面以及较大空间腔体侧壁上的打孔。