[发明专利]用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具

说明书

本发明公开一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具，属于复合材料机械加工、材料改性技术领域。本发明公开的复合加工方法，采用将铣刀和搅拌头一体化复合集成的加工刀具，利用复合加工刀具铣刀对工件待加工层进行一次材料去除加工，通过复合加工刀具搅拌头对铣削刚形成的加工表面立即进行搅拌摩擦二次加工。本发明公开的复合加工工具，包括铣刀部分，包括刀体、可转位铣刀片、刀片螺钉、刀垫、刀垫螺钉、凹端接口，搅拌头部分，凸端接口，固定销，锁紧滑销，锁紧螺钉，限位螺钉。本发明能够实现高速铣削和搅拌摩擦加工一体式复合加工，进而改善颗粒增强型金属基复合材料的加工质量，提高加工精度和效率。

技术领域

本发明涉及一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法及加工工具，尤其涉及一种集成铣削和搅拌摩擦加工的复合加工方法及加工工具，属于复合材料机械加工、材料改性技术领域。

背景技术

颗粒增强型金属基复合材料由于具有高的比刚度、比强度、比模量、耐高温、耐磨损、良好的导热导电性、耐磨性好、良好的耐疲劳性能及断裂韧度等一系列优良的特点，使得其在航空、航天、精密仪器、汽车及兵器等领域获得了非常广泛的应用前景。目前，对于颗粒增强型金属基复合材料加工方法而言，由基体中增强相的存在，用传统的铣削加工方法(以及高速切削加工技术)很难或者需要很高的成本才能达到所要求的加工精度和表面质量，成为典型的难加工材料，严重制约着该类复合材料的广泛应用。

搅拌摩擦加工是一种新型的材料改性技术，通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。同时，它操作过程简单、成本低廉、搅拌过程中不需要额外使用保护气体，增强体可以在基材中均匀分布，并且加工温度相对较低的优点，且加工工程中材料发生动态再结晶，晶粒更加细小，加工后残余应力及弹性恢复较小。因此，搅拌摩擦加工在细化晶粒、改善制造缺陷、提高综合性能等方面具有显著的效果。

如图1(a)所示，由于增强相颗粒1的加入，使得复合材料切削的去除情况与普通弹塑性材料有所不同。如图1(b)所示，切削过程中，在铣刀3作用下金属基复合材料工件1发生弹塑性变形，基体材料包裹着增强相颗粒产生位错运动，并伴随着增强相颗粒的断裂破碎(4)、剥落(5)和压入(6)现象，从而形成质量较差的已加工表面(7)。如果增强相颗粒在加工前就存在微裂纹等缺陷，那么就可能发生颗粒的破碎(4)，颗粒的断裂或者破碎剪切区的金属基体(2)在局部区域产生位错滑移，形成微小的剪切变形，此时，基体夹裹着部分碎屑在剪切应力的作用下向前滑移形成切屑。增强相颗粒对基体材料的位错运动产生的阻碍作用导致应力集中，当应力达到增强相颗粒断裂强度之前，界面可能已经断裂并发生颗粒剥落(5)，处于切削加工路径上方的增强相颗粒会在刀具的作用下被拔出基体，脱落的颗粒还可能与已加工表面之间形成滑擦磨损并在已加工表面上形成划痕，在划痕附近产生微裂纹并向四周的基体扩展，而处于切削加工路径下方的增强相颗粒，在刀具的作用下发生旋转并在合金基体中滑移而留下沟痕，最后在基体中形成颗粒压入(6)现象，最终形成质量较差的加工表面(7)。

综上所述，现有传统制造方式在增强型金属基复合材料加工方面存在以下不足：由于增强相颗粒的大小、形状、排列分布以及缺陷和强度存在很多不均匀性和随机性，导致实际的加工过程的不可控性，随着加工表面上颗粒断裂、剥落和压入，演变为增强相断裂破碎、增强相剥落形成的表面局部凹坑以及增强相未完全压入形成的表面局部凸起等缺陷，使得该类金属基复合材料加工表面质量及表层力学性能较差。因此，如何解决并改善颗粒增强型金属基复合材料切削所面临的机加工问题，成为该类金属基复合材料加工制造领域内的一种重要技术难题，也具有重大的现实意义和应用价值。

发明内容

本发明公开一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法，并公开用于实现一种用于改善复合材料加工质量的复合加工方法的一种用于改善复合材料加工质量的复合加工工具，本发明要解决的技术问题为：实现高速铣削和搅拌摩擦加工一体式复合加工，进而改善颗粒增强型金属基复合材料的加工质量，提高加工精度和效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。