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CN107984101A - 一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法 - Google Patents

一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法 Download PDF

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Abstract

一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，属于航空发动机尾喷口调节片切割加工技术领域。该方法包括：将调节片类陶瓷基复合材料的工件清洗，吹干；采用飞秒加工机床的工装夹持固定，使用飞秒加工机床上的测距传感器和CCD旁轴检测系统，定位；开启除尘装置；使用飞秒激光加工头部分进行一次切割加工；使用飞秒激光振镜部分进行二次切割加工，得到切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料。该方法采用飞秒激光切割，解决了传统加工方法效率低、成本高、存在陶瓷基复合材料难切割、无法保证加工表面无缺陷的难题。采用该方法进行加工，效率高，成本低，减少大量的刀具消耗。

Description

一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法
技术领域
本发明涉及航空发动机尾喷口调节片切割加工技术领域，具体涉及一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法。
背景技术
航空发动机尾喷口根据喷口面积分为可调型和不可调型，为了能使发动机在各种工况下都能获得良好的性能，带加力的发动机必须采用可调节的尾喷管，通过改变喷口面积来改变工况，其主要类型有：多调节片式、双调节片式、移动尾椎体式和气动调节式。传统调节片使用的材质为钛合金，在服役后有一部分调节片会发生完全断裂，如今陶瓷基复合材料成为了调节片的主要材质，但是因调节片结构的特殊要求，采用传统加工手段已经不能满足要求。
飞秒激光的加工的原理是通过非线性吸收过程吸收激光能量，在材料内部形成等离子体，非线性吸收过程主要通过多光子电离和雪崩电离实现。然后，当等离子体浓度达到一定临界值时，材料开始强烈吸收激光能量，直至材料被去除。其加工单脉冲时间更短，意味着作用于工件的时间很短，热量还没有扩散到基体，由此实现飞秒激光的“冷加工”。
飞秒激光加工是一个非线性、非平衡过程，具有阈值效应明显、极小化热影响区、极小化重铸层、可控性高等特点。
目前，针对此类调节片陶瓷基复合材料加工现行工艺采用传统机加刀具切割及长脉冲激光切割加工方法。由于该材料整体硬度较大，目前机加工艺刀具磨损严重，且在加工过程中容易产生毛刺、变形层、表面或亚表面微裂纹等缺陷，导致工件质量下降。长脉冲激光加工其功率较大，导致热影响严重，精细加工过程中难以避免微裂纹。
同时，在某陶瓷基复合材料构件的切边时间对比试验中，线切割总计时间约为90小时/件，效率低且表面粗糙度较差；长脉冲激光切边总计时间约为2小时/件，效率可以满足产能需求，但热影响比较严重，尤其是边缘位置存在严重的熔融痕迹，锥度较大，必须留有1～1.5mm的精修余量，给后续磨加工增加10～15倍的工作量。
针对目前存在的问题，提出采用飞秒激光加工技术对此类调节片类陶瓷基复合材料切割的方案，以提高产品的加工精度，有效避免微观缺陷，满足批产要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，首先将陶瓷基复合材料工件置于超声波清洗机中清洗，使用工装将陶瓷基复合材料工件夹持固定在机床上。使用机床设备的测距传感器和CCD旁轴检测系统，对工装及工件进行定位，加工设备处于千级超净室内，使用加工头部分进行一次切割加工，再使用飞秒激光振镜部分进行二次切割加工，该部分实现切割精加工，达到去除重铸层本、氧化层、微裂纹等缺陷的目的。该方法采用飞秒激光切割，解决了传统加工方法效率低、成本高、存在陶瓷基复合材料难切割、无法保证加工表面无缺陷的难题。采用该方法进行加工，效率高，成本低，减少大量的刀具消耗。
本发明提供的一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，工件预处理
将调节片类陶瓷基复合材料的工件清洗，吹干，得到预处理后的工件；
步骤2，工件定位安装
(1)采用飞秒加工机床，使用工装将预处理后的工件夹持固定在机床的安装座上；
(2)使用飞秒加工机床上的测距传感器和CCD旁轴检测系统，对夹持工件的工装进行定位，确定X、Y、Z向坐标，根据工装和工件加工初始位置的位置关系，补偿该坐标值，直接将预处理后的工件的初始位置移动至激光加工头下；
步骤3，除尘
开启除尘装置，并关闭设备防护门，使飞秒加工机床处于千级超净室内；
步骤4，一次切割加工
使用飞秒激光加工头部分进行一次切割加工，期间调整激光加工功率为4-12W，单层扫描时间为500-2000ms，单层进给量为0.005-0.02mm，终止角为80-90°，加工层数为200-800，实现连续加工，得到一次切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料，其中，完成30％～50％的搭接率；
步骤5，二次切割加工
使用飞秒激光振镜部分对一次切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料进行二次切割加工，期间调整激光加工功率为4-12W，加工数目为1-10000次，电流为0.5-2A，频率为10-100Hz，得到切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料。
所述的步骤1中，所述的调节片类陶瓷基复合材料具体指CMC-SiC材料的航空发动机尾喷口调节片。
所述的步骤1中，所述的清洗，具体为将调节片类陶瓷基复合材料的工件置于超声波清洗机中，清洗液采用酒精和水的混合液，其中，按体积比，酒精：水＝1:(5～10)，超声清洗10-15min。
所述的步骤1中，所述的吹干采用气枪吹干。
所述的步骤2(1)中，所述的夹持，其夹持方式为两头加紧。
所述的步骤2(2)中，所述的CCD旁轴检测系统，为电荷耦合器件。
所述的步骤2(2)中，对夹持工件的工装进行定位，具体为定位工装的定位杆，实现对工装的定位。
所述的步骤3，所述的除尘的目的在于，保证激光加工过程中不会出现污染及材料去除挂渣的现象。
所述的步骤5中，二次切割加工为切割精加工，达到去除重铸层、氧化层、微裂纹缺陷的目的。
本发明所述的千级超净室，为千级洁净间(又称为无尘室或清净室)，根据GB/T16292-1996，空气洁净度分级标准如表1：
表1GB/T16292-1996中空气洁净度分级标准
本发明的一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，相对于现有技术，其有益效果为：
1.本发明通过工件装夹与飞秒加工机床自身的定位机制，保证调节片类陶瓷基复合材料的工件与飞秒激光加工头的相对进给运动。
2.在加工过程中，始终处于超净状态，保证加工过程中无污染及挂渣。
3.本发明使用的加工方式为为加工头与振镜两路下飞秒激光的复合飞秒激光加工方法，激光的脉宽短10-12s、10-15s量级，瞬时能量的注入，将调节片类陶瓷基复合材料的材料直接汽化，飞秒激光的作用时间短，使得能量以等离子体的形式被迅速带走，能量来不及在材料内部扩散，是一个冷加工的过程，可视作无热影响区。
4.本发明的加工方法保证了调节片调节片类陶瓷基复合材料切割后的表面质量，其中，在整个加工过程中，材料的去除方式以蒸发和汽化的形式进行，无材料损伤，无熔融相，因此没有重铸层和微裂纹的形成；由于瞬时汽化，材料以气体形式瞬间蒸发，材料表面没有任何飞溅物，降低了加工材料表面的粗糙度。
5.本发明的加工方法通过选择加工参数以及加工程序编制，实现调节片类陶瓷基复合材料切割加工，可以实现高效、低成本的批量生产。特别是相对于数控铣加工方法，激光加工成本仅为数控铣成本的10％，效率是其2倍以上。同时，保证了调节片陶瓷基复合材料加工质量，适于批量生产，具有巨大的潜在效益。
6.本发明解决了陶瓷基复合材料难切割、无法保证加工表面无缺陷的难题，提出一种新的飞秒激光切割的工艺方法，保证工件的精加工。相对于传统机械加工方法，飞秒激光加工无刀具损耗，加工出完整的零件，可以把时间控制在30h以内。提升加工效率达到3倍以上。
附图说明
图1为本发明对调节片类陶瓷基复合材料切割成单次加工孔型及表面质量SEM图；
图2为本发明实施例1中使用加工头部分进行一次切割加工后工件的超景深显微镜图；
图3为本发明实施例1中使用振镜部分进行二次切割加工后的工件的超景深显微镜图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中，采用的飞秒加工机床为Microdrill 100型飞秒激光数控机床。
以下实施例中，调节片类陶瓷基复合材料的加工尺寸及形状见表2。
表2调节片各结构件加工尺寸及形状
序号 主要尺寸/mm 形状 切割尺寸/mm
1 上底：94；下底：120.2；高76.5 近似梯形 380
2 上底：112.5；下底：179；高203 近似梯形 686
3 长：494.5；宽：114 近似梯形 1161
4 上底：26；下底：100；高：262 近似梯形 650
5 上底；112下底：177高257.7 近似梯形 810
实施例1
一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，工件预处理
将表2中，序号1的调节片类陶瓷基复合材料的工件置于超声波清洗机中，清洗液采用酒精和水的混合液，其中，按体积比，酒精：水＝1:10，超声清洗10-15min，采用气枪吹干，得到预处理后的工件；
所述的步骤1中，所述的调节片类陶瓷基复合材料具体指CMC-SiC材料的航空发动机尾喷口调节片。
步骤2，工件定位安装
(1)采用Microdrill 100型飞秒加工机床，使用工装将预处理后的工件夹持固定在机床的安装座上；夹具应使用两头夹紧的方式进行夹持。
(2)使用飞秒加工机床上的测距传感器和CCD旁轴检测系统定位工装的定位杆，对夹持工件的工装进行定位，确定X、Y、Z向坐标，根据工装和工件加工初始位置的位置关系，补偿该坐标值，直接将预处理后的工件的初始位置移动至激光加工头下；
步骤3，除尘
开启除尘装置，并关闭设备防护门，使飞秒加工机床处于千级超净室内，保证激光加工过程中不会出现污染及材料去除挂渣的现象。
步骤4，一次切割加工
使用飞秒激光加工头部分进行一次切割加工，期间调整激光加工功率为10W，选择四光楔加工头，设定单层扫描时间为1500ms，单层进给量为0.008mm，终止角为90°，加工层数为500，并设定调节片的孔径90DEG，工序起始20DEG，旋转速度2400RPM，锥度控制量40mm，进行单孔加工，单孔加工后其SEM图见图1。移动工件，每次移动距离为0.85mm，形成50％的搭接率，再次按照上述步骤进行连续加工，进而完成单边加工，随后将工件旋转规定角度，完成第二个边的加工，直至四条边都完成加工，得到一次切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料；使用加工头部分进行一次切割加工后工件的超景深显微镜图见图2。
步骤5，二次切割加工
使用飞秒激光振镜部分对一次切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料进行二次切割加工，期间调整激光加工功率选择100％状态下的12W，加工数目为500次，电流为2A，频率为20Hz，扫描长度设置为单边各尺寸长度，每条边依次进行加工，得到切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料，使用振镜部分进行二次切割加工后的工件的超景深显微镜图见图3。
实施例2
一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，工件预处理
将表2中，序号2的调节片类陶瓷基复合材料的工件置于超声波清洗机中，清洗液采用酒精和水的混合液，其中，按体积比，酒精：水＝1:5，超声清洗15min，采用气枪吹干，得到预处理后的工件；
所述的步骤1中，所述的调节片类陶瓷基复合材料具体指CMC-SiC材料的航空发动机尾喷口调节片。
步骤2，工件定位安装
(1)采用Microdrill 100型飞秒加工机床，使用工装将预处理后的工件夹持固定在机床的安装座上；夹具应使用两头夹紧的方式进行夹持。
(2)使用飞秒加工机床上的测距传感器和CCD旁轴检测系统定位工装的定位杆，对夹持工件的工装进行定位，确定X、Y、Z向坐标，根据工装和工件加工初始位置的位置关系，补偿该坐标值，直接将预处理后的工件的初始位置移动至激光加工头下；
步骤3，除尘
开启除尘装置，并关闭设备防护门，使飞秒加工机床处于千级超净室内，保证激光加工过程中不会出现污染及材料去除挂渣的现象。
步骤4，一次切割加工
使用飞秒激光加工头部分进行一次切割加工，期间调整激光加工功率为11.4W，选择四光楔加工头，设定单层扫描时间为2000ms，单层进给量为0.005mm，终止角为90°，加工层数为800，并设定调节片的孔径90DEG，工序起始20DEG，旋转速度2400RPM，锥度控制量40mm，进行单孔加工，单孔加工后其SEM图见图1。移动工件，每次移动距离为0.85mm，形成50％的搭接率，再次按照上述步骤进行连续加工，进而完成单边加工，随后将工件旋转规定角度，完成第二个边的加工，直至四条边都完成加工，得到一次切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料；
步骤5，二次切割加工
使用飞秒激光振镜部分对一次切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料进行二次切割加工，期间调整激光加工功率选择100％状态下的12W，加工数目为1000次，电流为0.5A，频率为10Hz，扫描长度设置为单边各尺寸长度，每条边依次进行加工，得到切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料。

Claims (8)

1.一种调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，工件预处理
将调节片类陶瓷基复合材料的工件清洗，吹干，得到预处理后的工件；
步骤2，工件定位安装
(1)采用飞秒加工机床，使用工装将预处理后的工件夹持固定在机床的安装座上；
(2)使用飞秒加工机床上的测距传感器和CCD旁轴检测系统，对夹持工件的工装进行定位，确定X、Y、Z向坐标，根据工装和工件加工初始位置的位置关系，补偿该坐标值，直接将预处理后的工件的初始位置移动至激光加工头下；
步骤3，除尘
开启除尘装置，并关闭设备防护门，使飞秒加工机床处于千级超净室内；
步骤4，一次切割加工
使用飞秒激光加工头部分进行一次切割加工，期间调整激光加工功率为4-12W，单层扫描时间为500-2000ms，单层进给量为0.005-0.02mm，终止角为80-90°，加工层数为200-800，实现连续加工，得到一次切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料，其中，完成30％～50％的搭接率；
步骤5，二次切割加工
使用飞秒激光振镜部分对一次切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料进行二次切割加工，期间调整激光加工功率为4-12W，加工数目为1-10000次，电流为0.5-2A，频率为10-100Hz，得到切割加工后的调节片类陶瓷基复合材料。
2.如权利要求1所述的调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的调节片类陶瓷基复合材料具体指CMC-SiC材料的航空发动机尾喷口调节片。
3.如权利要求1所述的调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的清洗，具体为将调节片类陶瓷基复合材料的工件置于超声波清洗机中，清洗液采用酒精和水的混合液，其中，按体积比，酒精：水＝1:(5～10)，超声清洗10-15min。
4.如权利要求1所述的调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，其特征在于，所述的步骤1中，所述的吹干采用气枪吹干。
5.如权利要求1所述的调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，所述的夹持，其夹持方式为两头加紧。
6.如权利要求1所述的调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，其特征在于，所述的步骤2(2)中，所述的CCD旁轴检测系统，为电荷耦合器件。
7.如权利要求1所述的调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，其特征在于，所述的步骤2(2)中，对夹持工件的工装进行定位，具体为定位工装的定位杆。
8.如权利要求1所述的调节片类陶瓷基复合材料切割的加工方法，其特征在于，所述的步骤5中，二次切割加工为切割精加工。
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