一种陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工方法技术

本申请涉及一种陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工方法。所述方法包括：获取树脂基复合材料转化为目标复合材料构件时的尺寸变化并计算得到对应的收缩率；收缩率是通过预实验得到的；根据目标复合材料构件的净尺寸加工参数和所述收缩率反演计算得到树脂基复合材料构件的重构加工参数；根据重构加工参数和预实验的实验参数加工得到树脂基复合材料构件并进一步制备得到目标复合材料构件。采用本方法能够降低加工成本、加工设备维护难度以及提高加工效率并获得高精度的复合材料构件。工效率并获得高精度的复合材料构件。工效率并获得高精度的复合材料构件。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工方法


[0001]本申请涉及复合材料构件加工
，特别是涉及一种陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工方法。

技术介绍

[0002]陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工技术在复合材料及其构件的制备中占有极其重要的地位。以陶瓷基复合材料及其构件的加工为例，在采用先驱体转化(PIP)工艺和化学气相渗透(CVI)工艺制备C/SiC、SiC/SiC，反应熔渗(RMI)工艺制备C/C
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SiC、SiC/C
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SiC时，常常需要进行多次机械加工，才能获得高精度的复合材料构件。
[0003]现有的加工技术存在以下不足：
[0004]一是加工刀具的成本昂贵。由于SiC等陶瓷基体的硬度高，所以必须采用昂贵的金刚石刀具和c
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BN刀具，即使采用了高硬度的加工刀具，在加工过程中磨损也很快，需要频繁更换刀具，以确保加工精度，消耗量大，增加加工成本。
[0005]二是加工时间长。由于SiC和C等基体的脆性大，加上加工刀具均为小锐角的粒状排列，加工时刀具与工件的接触面小，造成加工时进刀量小，走刀速度慢，所以加工时间长，加工效率低。
[0006]三是机加设备防护难度大，受损害严重。加工过程中产生的细小碳纤维粉尘，由于导电性良好，易对机加设备的电气系统造成干扰，甚至短路烧毁。SiC等陶瓷粉尘硬度大，负压抽空防护装置很难完全除去陶瓷粉尘，进入设备内部后会导致轴承、导轨、丝杆等严重磨损，轻则影响精度，重则甚至使设备报废。
[0007]对于三轴、四轴、五轴等活动部件多的精密加工设备，防护尤其困难，因此陶瓷基和碳/碳复合材料的加工已成为制备技术中的重大难题。综合来看，陶瓷基和碳/碳复合材料的加工费用可达总制造费用的30％以上，针对复杂构件甚至达50％以上。
[0008]目前有关陶瓷基和碳/碳复合材料加工技术的研究，大多集中在优化刀具材质和加工工工艺参数、优化机加设备防护措施等方面。简科[国防科技大学博士论文]在其论文中研究了PIP工艺制备C/SiC的加工时机：在4～5次致密化周期时，加工较为容易；超过5次时，机体中SiC含量逐渐增加，铣削难度快速增加(指金刚石刀具的磨损量增大)，虽然论文中提出了加工时机问题，但没有提及加工精度和构件的变形问题。
[0009]有少量报道涉及在树脂基复合材料成型阶段，进行粗加工以减少最终陶瓷基复合材料加工量。如Frenkel报道{Walter Frenkel and Ralph Renz，Chapter 16，CMCs for Friction Applications，in Ceramic Matrix Composites(Fiber Reinforced Ceramics and their applications)，Ed.Walter Frenkel，Wiley
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VCH，2008}，在制备C/C
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SiC刹车片时，在模压成型树脂基复合材料后，先初步加工，去除多余的边角料，待渗硅完成后，再进行精加工。

技术实现思路

[0010]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工方法，以便降低加工成本和加工设备维护难度，同时提高加工效率并获得高精度的复合材料构件。
[0011]本专利技术提供一种陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工方法，包括：
[0012]获取树脂基复合材料转化为目标复合材料构件时的尺寸变化并计算得到对应的收缩率；收缩率是通过预实验得到的；目标复合材料构件为陶瓷基复合材料构件或碳/碳复合材料构件；
[0013]根据目标复合材料构件的净尺寸加工参数和收缩率反演计算得到树脂基复合材料构件的重构加工参数；
[0014]根据重构加工参数和预实验的实验参数加工得到树脂基复合材料构件并进一步制备得到目标复合材料构件。
[0015]本专利技术创造性地提出：通过精确确定复合材料在制备过程中的收缩率，将陶瓷基和碳/碳复合材料构件的精密加工转化为容易进行的树脂基复合材料构件的精密加工，待复合工艺完成后，成品构件即满足净尺寸精度要求。
[0016]本专利技术的突出优势在于：
[0017]1、适应性广。本技术方案的核心在于将陶瓷等难加工工艺提前，并转化为易进行的树脂基复合材料加工工艺，使得高精度复合材料构件的实现难度大大降低。因此，凡是在成型和制备过程中构件尺寸有恒定变化的场合均可采用本方案。
[0018]2、加工成本显著降低。由于加工阶段的转化，本方案在三个方面显著降低了加工成本：一是采用普通的廉价白钢刀即可满足树脂基复合材料构件的加工要求，相比昂贵的金刚石和c
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BN刀具节约了大量成本；二是加工时间大幅度缩短：由于加工参数(进刀量和走刀速度)较金刚石等刀具要提高一个数量级，所以加工时间减少，相应成本降低；三是设备受损害较小，设备防护难度降低，设备配件更换减少，相应也降低了成本。
[0019]3、加工设备防护难度显著降低。在
技术介绍
中已经详述了陶瓷基和碳/碳复合材料加工过程对加工设备造成的严重危害，而且微小进刀量和慢走刀速度会造成更细微的粉尘，更长加工时间导致累积更多量的粉尘，对设备的损害严重，且一般的真空负压抽取装置难以有效去除这些有害粉尘。
[0020]本专利技术中树脂基复合材料构件的精密加工，一是彻底废除了高硬度陶瓷粉尘所导致的设备磨损影响；二是大进刀量和快速走刀形成加工碎屑尺寸较大，简单的空气沉降即可去除绝大部分粉尘，包括导电的碳纤维，多包裹于树脂中，难以形成飘浮物，因而对设备的电气系统没有影响；三是可以方便地进行湿法加工。这些因素合并在一起，机加设备的防护则变得简单易行。
附图说明
[0021]图1为一个实施例中一种陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工方法的流程示意图；
[0022]图2为一个实施例中简单型面构件的二维平面轮廓曲线示意图；
[0023]图3为一个实施例中三维复杂型面构件的外型面曲面示意图；
[0024]图4为一个实施例中C/SiC产品的尺寸技术要求示意图；
[0025]图5为一个实施例中反演重构的加工图纸；
[0026]图6为一个实施例中C/C产品净尺寸图纸。
[0027]图7为一个实施例中z值(z
i
)等值平面与构件相交后的曲线示意图。
具体实施方式
[0028]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0029]在一个实施例中，如图1所示，提供了一种陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工方法，包括以下步骤：
[0030]步骤102，获取树脂基复合材料转化为目标复合材料构件时的尺寸变化并计算得到对应的收缩率。
[0031]其中收缩率是通过预实验得到的。可以理解，预实验过程中的原料和工艺参数与正式制备过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基和碳/碳复合材料构件的加工方法，其特征在于，所述方法包括：获取树脂基复合材料转化为目标复合材料构件时的尺寸变化并计算得到对应的收缩率；所述收缩率是通过预实验得到的；所述目标复合材料构件为陶瓷基复合材料构件或碳/碳复合材料构件；根据目标复合材料构件的净尺寸加工参数和所述收缩率反演计算得到树脂基复合材料构件的重构加工参数；根据重构加工参数和预实验的实验参数加工得到树脂基复合材料构件并进一步制备得到目标复合材料构件。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取树脂基复合材料转化为目标复合材料构件时的尺寸变化并计算得到对应的收缩率，包括：确定制备目标复合材料的材料体系和工艺体系；所述材料体系包括所采用的纤维、纤维预制件、陶瓷基体和/或碳基体；所述工艺体系包括制备工艺以及对应的工艺参数；根据所述材料体系和所述工艺体系进行预实验，得到预实验过程中树脂基复合材料转化为目标复合材料时的尺寸变化，并计算得到对应的收缩率。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标复合材料构件和所述树脂基复合材料构件包括二维简单型面构件和三维复杂型面构件；所述二维简单型面构件包括平面型面构件和弧面型面构件；所述平面型面构件可置于二维平面坐标系中；所述弧面型面构件的边线和尺寸可在二维平面坐标系中完全显示；所述三维型面构件位于三维空间坐标系中。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，若所述目标复合材料构件和所述树脂基复合材料构件为二维简单型面构件，所述根据目标复合材料构件的净尺寸加工参数和所述收缩率反演计算得到树脂基复合材料构件的重构加工参数，包括：获取收缩率对应尺寸方向的所述目标复合材料构件的各个平面轮廓曲线；所述平面轮廓曲线是根据所述净尺寸加工参数得到的；当所述平面轮廓曲线没有对称点且没有突变点时，以所述平面轮廓曲线的起始点为基准点，计算从起始点到结束点之间的净长度；当所述平面轮廓曲线有对称点或突变点时，以所述对称点或突变点为基准点对所述平面轮廓曲线进行分割得到对应的多个平面轮廓子曲线，并分别计算各个平面轮廓子曲线的净长度；根据所述净长度和所述收缩率得到对应的平面轮廓曲线或平面轮廓子曲线的重构长度；根据所述重构长度以及对应的平面轮廓曲线或平面轮廓子曲线的曲线函数、起始点和结束点计算得到树脂基复合材料构件的对应尺寸方向的重构加工参数。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，若所述目标复合材料构件和所述树脂基复合材料构件为三维复杂型面构件，所述根据目标复合材料构件的净尺寸加工参数和所述收缩率反演计算得到树脂基复合材料构件的重构加工参数，包括：获取收缩率对应尺寸方向的所述目标复合材料构件的弧面；所述弧面是根据所述净尺寸加工参数得到的；当所述构件具有对称轴时，以所述对称轴为基准线并确定基准点；
当所述构件具有对称中心时，以所述对称...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡海峰，
申请(专利权)人：湖南远辉复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：