CN105290470B

CN105290470B - 石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法

Info

Publication number: CN105290470B
Application number: CN201510731459.3A
Authority: CN
Inventors: 周京平; 刘建华; 陈勇; 韦银; 王健; 陈洪川
Original assignee: CHENGDU AEROSPACE JINGCHENG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHENGDU AEROSPACE JINGCHENG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2018-08-14
Anticipated expiration: 2035-11-02
Also published as: CN105290470A

Abstract

本发明涉及石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法，采用PCD铣刀进行加工，所述PCD铣刀的转速为10000～18000r/min，进给量为0.05～0.15mm/r，切削深度为0.1～0.3mm，机床主轴的径向圆跳动、端面圆跳动及轴向窜动小于0.02mm。该方法通过选用PCD铣刀和合理的加工工艺参数，实现了对石墨烯铝基复合材料的低成本、高效率、高精度的铣削加工，使产品的尺寸公差可达到5μm，表面粗糙度可达到Ra0.8，并且可使产品的合格率提高到95％。

Description

石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法

技术领域

本发明涉及切削加工工艺领域，具体涉及石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法。

背景技术

石墨烯铝基复合材料具有强度高(弯曲强度≥550MPa)，耐磨性好，质量轻(密度仅为2.9-3.0g/cm²)，导热率高等特点，可用于电子封装料等产品，在航天领域应用广泛。石墨烯铝基复合材料的结构件在坯料成形后，一般需进一步进行内外形加工。目前，对于石墨烯铝基复合材料的加工通常采用电解加工法，但电解加工存在成本较高、效率低、加工异性曲面和型腔的难度大、控制工件相对位置尺寸的难度系数较高等缺点，故加工后的产品表面光洁度较差，产品合格率低。

为了提高对石墨烯铝基复合材料加工的效率和产品合格率，申请人想到采用机加工的方法来进行加工，并采用了超微粒钨钢铣刀和立方碳化硼铣刀等进行了实际验证，但验证效果均不理想。虽然加工效率得到了提高，但由于石墨烯铝基复合材料整体强度高，具有很好的耐磨性能，且含有碳化硅，机加工过程中的切削力等因素极易对产品造成开放性的机械损伤(例如工件容易出现挤压崩裂)，大幅度降低产品的使用性能，刀具磨损严重，并容易因切削热的产生而使铝基局部熔化，切屑易粘结在刀尖上并在工件表面形成大量的积屑瘤，难以满足产品的尺寸要求，并且工件表面粗糙度差，产品合格率仅有40％，无法实现批量生产。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的申请人根据石墨烯铝基复合材料的特点，提供了一种针对该材料零件采用了PCD铣刀的低成本、高效率、高合格率、高精度的铣削加工方法。

本发明的石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法，采用PCD铣刀进行加工，所述PCD铣刀的转速为10000～18000r/min，进给量为0.05～0.15mm/r，切削深度为0.1～0.3mm，机床主轴的径向圆跳动、端面圆跳动及轴向窜动小于0.02mm。

所述PCD铣刀即现有的刀头由聚晶金刚石构成的铣刀，相对于现有的超微粒钨钢铣刀和立方碳化硼铣刀而言，具有高硬度、高导热性、低热胀系数、高弹性模量、低摩擦系数以及刀刃极为锋利等优点，经测试得知，在加工石墨烯铝基复合材料的过程中，切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤，在长时间切削工件时可较好的控制尺寸的稳定性，且刀具磨损小，这可能是因为聚晶金刚石与有色金属和非金属材料间的亲和力很小的缘故。对于直径较小(例如)的孔，由于PCD铣刀的刚性较好，也可选用相应直径(例如直径小于2mm)的PCD铣刀进行扩孔加工，并且加工后的孔公差可达到0.02mm。为了克服PCD铣刀韧性较差，抗弯强度低，不能承受较大震动的缺点，选择主轴的径向圆跳动、端面圆跳动及轴向窜动小于0.02mm的机床进行加工，可极大的提高PCD铣刀加工的平稳性，进一步改善产品的加工质量。

当PCD铣刀的转速小于10000r/min时，工件易出现分层和劈裂，经测试得知，在石墨烯铝基复合材料的加工过程中，控制PCD铣刀的转速为10000～18000r/min，即可在保证加工效率较高的同时，避免产品出现分层和劈裂现象，且加工表面光滑。根据不同的加工阶段和加工条件，可对PCD铣刀的转速进行适当的调整。此外，在使用PCD铣刀加工石墨烯铝基复合材料的工件时，切削深度过大会使切削力变大，产生的切削热增多，从而加剧刀具的磨损，直接影响PCD铣刀的寿命，并且切削深度过大还易导致PCD铣刀出现崩刃的现象。在提高加工效率和产品精度较高的前提下，为了延长PCD铣刀的使用寿命，采用进给量0.05～0.15mm/r，切削深度0.1～0.3mm为宜。其中，所述进给量优选为0.1mm/r，所述切削深度优选为0.2mm。

上述铣削加工方法来加工石墨烯铝基复合材料的工件，采用PCD铣刀，克服了传统铣削加工方法无法批量加工石墨烯铝基复合材料且产品质量较差的缺陷，避免了产品因切削挤压而崩裂，产品表面积屑瘤较多及刀具磨损严重问题；并且相对于现有的电解加工方法而言，成本低廉，加工效率高，加工后的产品质量较好。经测试得知，采用该铣削加工方法加工石墨烯铝基复合材料的质量稳定，尺寸精度较高，尺寸公差可达到5μm，表面光洁度较好(表面粗糙度可达到Ra0.8)，产品合格率可达到95％。

具体的，采用上述PCD铣刀进行粗加工时，优选刀具转速为10000～12000r/min，切削深度为0.1～0.3mm；半精加工时，优选刀具转速12000～18000r/min，切削深度为0.1～0.2mm，工件加工面的单边余量为0.1～0.3mm；精加工加工工件至要求尺寸，优选刀具转速：14000～18000r/min，切削深度0.1～0.2mm。根据不同的加工阶段，选择合适的切削参数，有利于提高产品的加工效率，并且保证产品的加工精度较高。

优选的，粗加工采用现有的烧结式PCD铣刀，半精加工/精加工采用现有的焊接刀片式PCD铣刀。烧结式PCD铣刀相对于焊接刀片式PCD铣刀而言，刀具的抗磨损性能较好，但加工后的产品表面光洁度较差，适于粗加工；焊接刀片式PCD铣刀的强度更高、韧性更好、抗冲击性能好，用于半精加工/精加工能够有效的提高产品的加工精度。在此基础上，粗加工还优选颗粒度较大的PCD铣刀，半精加工/精加工优选细晶粒的PCD铣刀。

进一步的，所述PCD铣刀包括至少一个提供切削刃或切削区域的工作面，以及硬质合金的基体。硬质合金的基体在一定程度上有利于降低刀具的成本，并减少切削过程中刀具的振动。在实际应用中，可采用单刃PCD铣刀、PCD球头圆弧铣刀或PCD圆鼻角铣刀等，相对于多刃铣刀而言，不存在切削角度、切削高度的差异，故加工后产品表面的光洁度较好。

进一步的，为了避免铣削加工过程中刀具振颤，以最高稳定速度来实现较高的材料去除率，所述PCD铣刀悬伸长度优选为：悬伸长度和刀具直径的比值不大于3。此外，根据刀具基体材质强度和加工条件的不同，可对该比值进行适当的调整。

进一步的，对于异形曲面的石墨烯铝基复合材料，在保证产品的形位精度较高的前提下，也可采用PCD铣刀从工件的一面铣削穿透并加工至要求尺寸，避免了多次装夹而造成的加工误差。

优选的，在石墨烯铝基复合材料的铣削加工过程中供给冷却液，不仅能够减少切削热的产生，还能够提高产品的光洁度。

本发明的石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法，通过选用PCD铣刀和合理的加工工艺参数，实现了对石墨烯铝基复合材料的低成本、高效率、高精度的铣削加工，使产品的尺寸公差可达到5μm，表面粗糙度可达到Ra0.8，并且可使产品的合格率提高到95％。

以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

具体实施方式

所述PCD铣刀即现有的刀头由聚晶金刚石构成的铣刀，相对于超微粒钨钢铣刀和立方碳化硼铣刀而言，具有高硬度、高导热性、低热胀系数、高弹性模量、低摩擦系数以及刀刃极为锋利等优点，经测试得知，在加工石墨烯铝基复合材料的过程中，切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤，在长时间切削工件时可较好的控制尺寸的稳定性，且刀具磨损小，磨损速率小，这可能是由于聚晶金刚石与有色金属和非金属材料间的亲和力很小的缘故。为了克服PCD铣刀韧性较差，抗弯强度低，不能承受较大震动的缺点，选择主轴的径向圆跳动、端面圆跳动及轴向窜动小于0.02mm的机床进行加工，可极大的提高PCD铣刀加工的平稳性，进一步改善产品的加工质量。

当PCD铣刀的转速小于10000r/min时，工件易出现分层和劈裂，经测试得知，在石墨烯铝基复合材料的加工过程中，控制PCD铣刀的转速为10000～18000r/min，即可在保证加工效率较高的同时，避免产品出现分层和劈裂现象，且加工表面光滑。根据不同的加工阶段和加工条件，可对PCD铣刀的转速进行适当的调整。此外，在使用PCD铣刀加工石墨烯铝基复合材料的工件时，切削深度过大会使切削力变大，产生的切削热增多，从而加剧刀具的磨损，直接影响PCD铣刀的寿命，并且切削深度过大还易导致PCD铣刀出现崩刃的现象。在提高加工效率和产品精度较高的前提下，为了延长PCD铣刀的使用寿命，采用进给量0.05～0.15mm/r，切削深度0.1～0.3mm为宜。

上述PCD铣刀包括至少一个提供切削刃或切削区域的工作面，以及硬质合金的基体。硬质合金的基体在一定程度上有利于降低刀具的成本，并减少切削过程中刀具的振动。在实际应用中，可采用单刃PCD铣刀、PCD球头圆弧铣刀或PCD圆鼻角铣刀等，相对于多刃铣刀而言，不存在切削角度、切削高度的差异，故加工后产品表面的光洁度较好。为了避免铣削加工过程中刀具振颤，以最高稳定速度来实现较高的材料去除率，所述PCD铣刀悬伸长度优选为：悬伸长度和刀具直径的比值不大于3。此外，根据刀具基体材质强度和加工条件的不同，可对该比值进行适当的调整。

在石墨烯铝基复合材料的铣削加工过程中可间隔/连续供给冷却液，不仅能够减少切削热的产生，还能够提高产品的光洁度。

下面通过表格1～3所示的试验方式，对上述采用PCD铣刀的石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法进行举例说明。

表格1：

表格2：

表格3：

上述试验是在机床主轴的径向圆跳动、端面圆跳动及轴向窜动小于0.02mm的前提下进行的。试验结果表明，采用PCD铣刀加工石墨烯铝基复合材料，在保证加工效率较高的前提下，当刀具转速为10000～18000r/min，进给量为0.05～0.15mm/r，且切削深度为0.1～0.3mm时，相较于其他工艺参数，产品的加工效率、表明粗糙度、尺寸公差和铲平合格率都能达到最佳的水平，具体表现为表面粗糙度可达到Ra0.8，尺寸公差可达到5μm，产品合格率可达到95％。

上述铣削加工方法还可进一步分为粗加工、半精加工和精加工，以提高产品的加工效率，提高产品精度。粗加工时采用抗磨损性能较好的烧结式PCD铣刀，且刀具颗粒度较大为宜，优选刀具转速为10000～12000r/min，切削深度为0.1～0.3mm；半精加工/精加工采用强度更高、韧性更好、抗冲击性能好的焊接刀片式PCD铣刀，且优选细晶粒的刀具。其中，半精加工优选刀具转速12000～18000r/min，切削深度为0.1～0.2mm，工件加工面的单边余量为0.1～0.3mm；精加工加工工件至要求尺寸，优选刀具转速：14000～18000r/min，切削深度0.1～0.2mm。

上述石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法，通过选用PCD铣刀和合理的加工参数，实现了对石墨烯铝基复合材料的低成本、高效率、高精度的铣削加工，使产品的尺寸公差可达到5μm，表面粗糙度可达到Ra0.8，并且可使产品的合格率提高到95％。

Claims

1.石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法，其特征在于：采用PCD铣刀加工石墨烯铝基复合材料结构件的坯料，PCD铣刀从工件的一面铣削穿透并加工至要求尺寸，所述PCD铣刀的转速为10000～18000r/min，进给量为0.05-0.15mm/r，切削深度为0.1～0.2mm，机床主轴的径向圆跳动、端面圆跳动及轴向窜动小于0.02mm，铣削过程包括粗加工、半精加工、精加工，其中：

粗加工的刀具转速为10000～12000r/min，切削深度为0.1mm，半精加工的刀具转速12000～18000r/min，切削深度为0.1～0.2mm，工件加工面的单边余量为0.1～0.3mm；

精加工的加工工件至要求尺寸，刀具转速：14000～18000r/min，切削深度0.1～0.2mm，所述粗加工采用烧结式PCD铣刀；

半精加工/精加工采用焊接刀片式PCD铣刀；

最终产出石墨烯铝基复合材料异形曲面结构件产品。

2.如权利要求1所述的石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法，其特征在于所述PCD铣刀包括至少一个提供切削区域的工作面，以及硬质合金的基体。

3.如权利要求1所述的石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法，其特征在于所述PCD铣刀悬伸长度为：悬伸长度和刀具直径的比值不大于3。

4.如权利要求1至3之一所述的石墨烯铝基复合材料的铣削加工方法，其特征在于加工过程中供给冷却液。