張瑾瑜 王 寧 趙建設(shè) 梁祖典 程 蕾

（1 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

（2 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 采用PCD刀具對C/SiC復(fù)合材料螺旋銑削與鉆削制孔的制孔效果進行了對比研究。在同等加工效率條件下測量了兩種制孔方法產(chǎn)生的切削力及切削熱，并觀察制孔質(zhì)量。試驗結(jié)果表明：螺旋銑孔產(chǎn)生的軸向力小于鉆孔，約為鉆孔的56.9%；孔壁粗糙度及孔徑差均小于鉆削；鉆孔產(chǎn)生的切削熱少于螺旋銑削制孔，約占螺旋銑的58.7%，但螺旋銑產(chǎn)生的切削熱對材料及刀具的影響小。

0 引言

碳纖維增強碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（C/SiC 復(fù)合材料），具有高比強度、高比模量、低線脹系數(shù)的優(yōu)良性能，并且耐高溫、密度低、不易磨損，在高溫下具有化學(xué)穩(wěn)定性，對裂紋不敏感、不易發(fā)生大面積斷裂，是新一代高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料的發(fā)展重點，對我國航空航天事業(yè)的發(fā)展具有重要意義［1］。然而在實際應(yīng)用中，C/SiC 復(fù)合材料零部件與其他部件相連時，需要加工大量裝配孔，C/SiC 復(fù)合材料為典型難加工材料，鉆孔時極易出現(xiàn)毛刺、撕裂、崩邊和分層等加工缺陷，開展C/SiC 復(fù)合材料孔加工技術(shù)的研究，得到C/SiC 復(fù)合材料高質(zhì)量制孔方法，有利于推動C/SiC復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用［2］。

螺旋銑削制孔是對鉆削工藝進行改進的方法，螺旋銑孔為斷續(xù)銑削，排屑空間大，有利于散熱，可以實現(xiàn)單一直徑刀具加工一系列直徑孔［3］。目前，螺旋銑孔已成為航空裝備制造領(lǐng)域新興的高效、高質(zhì)量制孔技術(shù)。波音公司已經(jīng)實現(xiàn)了螺旋銑削制孔技術(shù)的應(yīng)用，Novator 公司生產(chǎn)的螺旋銑孔裝置已經(jīng)應(yīng)用到法國、德國的空客飛機裝配生產(chǎn)中［4-5］。螺旋銑孔還能有效地減小碳纖維復(fù)合材料制孔程中出現(xiàn)的問題。王奔等利用螺旋銑削的方法對C/E 復(fù)合材料進行制孔試驗，并與鉆削制孔進行了對比，結(jié)果表明，螺旋銑削制孔質(zhì)量明顯優(yōu)于鉆削制孔［6］。朱春燕等［7］針對碳纖維復(fù)合材料鉆孔和螺旋銑孔進行對比試驗，結(jié)果表明，無論是軸向力大小還是孔加工質(zhì)量，螺旋銑孔均要比鉆孔好。

然而，有關(guān)C/SiC 復(fù)合材料螺旋銑削制孔研究較少，僅有研究指出加工C/SiC 復(fù)合材料大尺寸孔時宜采用螺旋銑的方法［8］，本文以C/SiC 復(fù)合材料螺旋銑削制孔為研究對象，在同等加工效率條件下通過制孔試驗，對比兩種制孔方法的制孔質(zhì)量、切削力及切削溫度，為C/SiC復(fù)合材料高質(zhì)量鉆削制孔提供參考。

1 試驗

1.1 試驗系統(tǒng)的建立

試驗所用設(shè)備如表1所示，鉆削力測量系統(tǒng)由Kistler 9257B 三向測力儀、Kistler 5007 型電荷放大器、成都中科USB 8516型數(shù)據(jù)采集儀和電腦構(gòu)成，如圖1所示。試驗所用材料為采用液相浸漬轉(zhuǎn)化法（PIP）制備的密度1.86 g/cm32D C/SiC復(fù)合材料。

表1 C/SiC復(fù)合材料螺旋銑孔和鉆孔試驗設(shè)備Tab.1 Test equipment of C/SiC composite helical milling and drilling

圖1 鉆削測力系統(tǒng)Fig.1 Test system of drilling dynometer

1.2 加工參數(shù)的選擇

C/SiC 復(fù)合材料鉆削制孔與螺旋銑削制孔效果的對比研究要在同等加工效率前提下進行。螺旋銑削制孔過程中刀具相對孔徑做偏心運動，在自轉(zhuǎn)的同時還要圍繞孔的中心沿螺旋軌跡向下運動［9］，為保證同等加工效率，銑刀底刃最外端切削速度νc等于鉆頭最外端切削速度νd，并且兩者沿刀具軸線方向上的刀具運動速度應(yīng)相等，如式（1）、式（2）所示。最后根據(jù)式（3）～式（6）中鉆削制孔、螺旋銑削制孔的切削參數(shù)的關(guān)系，結(jié)合試驗選用的PCD 鉆頭和PCD 銑刀的刀具直徑，本文選用表2中的切削參數(shù)進行制孔加工的對比試驗。

式中，nz為刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，ng為螺旋銑刀具公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，Dm為PCD 銑刀刀具直徑，D為加工孔的直徑，fz為銑刀軸向進給速度，ap為螺距，fd為鉆削制孔軸向進給速度，nd為鉆削刀具自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，Dd為PCD 鉆頭刀具直徑，fr為鉆削制孔周向進給速度，e為偏心距。

表2 鉆削與螺旋銑削制孔加工參數(shù)Tab.2 Drilling and helical milling cutting parameter

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 制孔質(zhì)量

制孔質(zhì)量主要受切削力及切削溫度影響，其中切削力是決定材料去除及缺陷產(chǎn)生的重要因素。PCD鉆孔的制孔質(zhì)量主要受鉆削軸向力的影響，PCD螺旋銑孔的制孔質(zhì)量與螺旋銑削軸向力和周向力有關(guān)。本文通過測力儀測得PCD 鉆孔與螺旋銑孔在同等加工效率條件下的軸向力如圖2所示，取圖2中所示穩(wěn)定狀態(tài)下軸削力的平均值，得到PCD 鉆孔的軸向力30.96 N，PCD 螺旋銑孔的軸向力17.64 N，為鉆孔的56.9%。這是因為鉆孔時鉆頭橫刃對材料存在擠壓作用會使軸向力增加，而螺旋銑采用偏心加工，消除了麻花鉆橫刃的擠壓作用，有利于降低軸向力。

圖2 PCD鉆孔和PCD螺旋銑孔軸向力對比Fig.2 Comparison of PCD drilling axial force and PCD helical milling axial force

在同等加工效率條件下對比PCD 鉆孔和PCD 螺旋銑孔的孔口質(zhì)量，PCD 鉆孔和PCD 螺旋銑孔的孔入口和出口的質(zhì)量均較好，僅有毛刺產(chǎn)生，如圖3所示。孔口毛刺的產(chǎn)生是由于沒有支撐和約束的表層碳纖維受鉆頭軸向推擠頂出，刀具切削刃不夠鋒利時，碳纖維非剪切切斷。試驗觀察PCD 鉆孔和螺旋銑孔的孔壁均無分層、纖維拔出現(xiàn)象，可以采用表面粗糙度對孔壁質(zhì)量進行評價，測得PCD 鉆孔的孔壁粗糙度為2.3 μm，PCD 螺旋銑孔的孔壁粗糙度為1.54 μm，如表3所示，從孔壁粗糙度來看，PCD 螺旋銑所得孔的質(zhì)量更好。這與PCD 螺旋銑軸向力小有關(guān)，軸向力越小，孔壁粗糙度越小。對比PCD 鉆孔和螺旋銑孔的孔徑差，測得螺旋銑削制孔平均孔徑差為-12.5 μm，約為孔徑的0.16%，而PCD 鉆削制孔的平均孔徑差為58 μm，約為孔徑的0.725%，螺旋銑削制孔與PCD 鉆削制孔相比加工孔的孔徑誤差較小，并且螺旋銑削制孔的出口孔徑總是大于入口孔徑，從理論上講，加工開始時，銑刀所受徑向力小，刀具可保持較小的變形，因此入口孔徑誤差相對較小，隨著加工進行，刀具受到更大的徑向力產(chǎn)生彎曲，從而導(dǎo)致加出口孔徑增大。

圖3 PCD鉆孔和PCD螺旋銑孔的出入口質(zhì)量Fig.3 Orifice quality of drilling and helical milling hole

表3 PCD鉆孔和PCD螺旋銑孔孔徑差及孔壁粗糙度的對比Tab.3 Comparison of PCD drilling and PCD helical milling hole tolerance

2.2 切削熱

2.2.1 兩種制孔方法切削熱對比

切削溫度測量的方法主要有紅外熱像儀測溫和人工熱電偶測溫。紅外熱像儀測溫可以獲得某一區(qū)域溫度場的分布，并可記錄溫度隨時間的變化情況，但其測量的是孔加工過程中物體表面的溫度，無法直接測量孔加工過程中切削區(qū)域的實際溫度；人工熱電偶測溫可以測量加工過程中某一點的實際溫度［10-11］。由于C/SiC 復(fù)合材料導(dǎo)熱性差，PCD 鉆孔和PCD 螺旋銑孔過程中的最高溫度均在孔的出口處達到。利用紅外熱像儀測量孔出口處溫度方法見圖4。本文為盡量反映加工區(qū)域最大切削溫度，取圖中直線段L 作為溫度采樣點集，得到溫度曲線如圖5所示，可知溫度最高點在孔中心處達到，PCD 鉆孔的最高溫度在180℃左右，PCD 螺旋銑的最高溫度在310℃左右。另外，采用熱電偶測量孔出口中心處的溫度，得到PCD 鉆孔的最高溫度為182℃，PCD 螺旋銑的最高溫度為310℃，熱電偶測溫與紅外熱像儀測溫結(jié)果大體相同，兩種測溫方法所得結(jié)果均較準確。從測溫結(jié)果可知，PCD 螺旋銑削制孔的切削溫度明顯高于PCD 鉆孔，PCD 鉆孔產(chǎn)生的切削熱約占PCD螺旋銑的58.7%。一般來說，螺旋銑刀具直徑小于孔徑，刀具偏心運動容屑空間大，利于散熱，但切削C/SiC 復(fù)合材料切屑呈粉末狀，與前刀面的摩擦很小，切屑與刀具摩擦所產(chǎn)生的切削熱很少，容屑空間大的散熱優(yōu)勢并不明顯。螺旋銑和鉆削C/SiC 復(fù)合材料的切削熱主要來源于刀具后刀面與材料表面的摩擦生熱。鉆削時材料的切削作用主要發(fā)生在主切削刃，總長度為10 mm，如圖6（a）所示，而螺旋銑刀具對材料產(chǎn)生去除作用的切削刃長度大于鉆削，螺旋銑刀具的底刃、側(cè)刃均發(fā)生切削去除作用，總長度為17 mm，如圖6（b）（c）所示，并且螺旋銑時刀具相對孔徑做偏心運動，圍繞孔的中心沿螺旋軌跡向下運動，切削作用區(qū)域大于鉆削，因此螺旋銑時刀具后刀面與材料表面摩擦產(chǎn)生更多的切削熱。

圖4 紅外熱像儀測溫方法Fig.4 Temperature measurement by infrared thermal image

圖5 PCD鉆孔和PCD螺旋銑孔溫度對比Fig.5 Temperature comparison of PCD drilling and PCD helical milling

圖6 PCD鉆頭和PCD銑刀的切削刃長度Fig.6 Length of PCD drill and milling cutter cutting edge

2.2.2 切削參數(shù)對切削溫度的影響

為研究在較大參數(shù)范圍內(nèi)螺旋銑削產(chǎn)生的熱量對刀具及材料的影響，本文在主軸轉(zhuǎn)速0～4 500 r/min、給速度60～320 mm/min、距0.5～2 mm 的范圍內(nèi)，采用單因素實驗法進行螺旋銑削制孔試驗，并采用紅外熱像儀記錄切削溫度的變化，測量時被加工孔的孔壁與側(cè)壁之間的距離為2 mm，紅外熱像儀距離樣品側(cè)壁的距離為500 mm。測量雖不是鉆削中心處溫度，但仍準確可靠，在不同切削參數(shù)下具有可比性，可反映鉆削溫度隨切削參數(shù)的變化規(guī)律。試驗測得鉆削溫度與切削參數(shù)的關(guān)系曲線如圖7所示?？梢钥闯觯褐芟蜻M給速度、螺距不變時，螺旋銑孔切削溫度隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，這是因為主軸轉(zhuǎn)速增大則切削速度增大，單位時間內(nèi)螺旋銑削程中去除的材料體積變大，相應(yīng)產(chǎn)生的切削熱隨之增多，并且主軸轉(zhuǎn)速增大側(cè)刃及底刃的后刀面與已經(jīng)形成的孔底部摩擦作用生成的切削熱來不及向外傳遞而集中在切削區(qū)域，導(dǎo)致切削區(qū)溫度增大；主軸轉(zhuǎn)速、螺距不變時，切削溫度隨周向進給速度的增大而增大，這是因為每齒切削厚度增大，消耗的功增大，生成的切削熱增多；主軸轉(zhuǎn)速、周向進給速度不變時，切削溫度同樣隨螺距的增大而增大，這是因為螺距增大底刃鉆削過程切削厚度變大，消耗的功增大，因此生成的切削熱增多。

圖7 螺旋銑削切削溫度與切削參數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve of cutting temperature and cutting parameters in helical milling

3 結(jié)論

（1）PCD 鉆孔和PCD 螺旋銑孔的孔口質(zhì)量均較好，僅有毛刺產(chǎn)生，但相比于PCD 鉆孔，PCD 螺旋銑孔的孔壁粗糙度及孔徑差較小，這與PCD 螺旋銑軸向力小有關(guān)。螺旋銑采用偏心加工，消除了麻花鉆橫刃的擠壓作用，有利于降低軸向力，試驗測得PCD螺旋銑孔的軸向力為鉆孔的56.9%。

（2）PCD 螺旋銑削制孔的切削溫度明顯高于PCD 鉆孔，試驗測得PCD 鉆孔產(chǎn)生的切削熱約占PCD 螺旋銑的58.7%，這是因為相比于PCD 鉆孔，螺旋銑孔時刀具后刀面與材料表面摩擦?xí)a(chǎn)生更多的切削熱，但螺旋銑產(chǎn)生的切削熱對C/SiC 復(fù)合材料加工質(zhì)量影響仍然較小。