■ 楊卓勇 劉秀梅 劉智武 周峰 / 中國航發(fā)西航 熊一峰 汪文虎 / 西北工業(yè)大學(xué)

目前，陶瓷基復(fù)合材料（特別是SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料）的高效高質(zhì)量切削加工仍是制約其快速工程化應(yīng)用的瓶頸問題，需要全面深入展開相關(guān)研究。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）由陶瓷纖維和陶瓷基體組成，具有密度低、硬度高、熱穩(wěn)定性能優(yōu)異及化學(xué)耐受性強(qiáng)等特點(diǎn)，其密度為高溫合金的1/3，強(qiáng)度為其2倍，能夠在1000～1500℃（比高溫合金高出200～240℃）高溫環(huán)境中長時(shí)間工作，是替代高溫合金發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)材料的首選[1,2]。SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的基體材料及增強(qiáng)相材料硬度高、抗磨損，使得材料的加工面臨著刀具磨損嚴(yán)重、切削力大、加工質(zhì)量難以滿足要求等問題，甚至難以進(jìn)行加工[3]。超聲振動(dòng)輔助加工技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)上，對(duì)刀具或工件施加高頻率、微米級(jí)振幅的超聲振動(dòng)，縮短刀具與工件的接觸時(shí)間、減小刀具與工件的摩擦力，獲得更好加工性能的方法。作為決定該技術(shù)是否可以應(yīng)用于SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的關(guān)鍵性因素之一，刀具的選取至關(guān)重要。通過開展超聲振動(dòng)輔助銑削試驗(yàn)研究，對(duì)比分析超聲振動(dòng)輔助銑削SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料過程中聚晶金剛石（PCD）復(fù)合片刀具、釬焊金剛石刀具和電鍍金剛石刀具的加工表面質(zhì)量、刀具壽命及刀具磨損形式，確定適合加工SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的刀具，并進(jìn)一步分析切削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律，理解刀具磨損機(jī)理，為后續(xù)進(jìn)一步開展SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助加工研究提供參考。

超聲振動(dòng)銑削試驗(yàn)

試驗(yàn)材料及加工刀具

試驗(yàn)樣件材料為化學(xué)氣相滲透（CVI）工 藝 制 備 的 SiCf/ SiC陶瓷基復(fù)合材料，試驗(yàn)樣件尺寸為80mm×45mm×3.8mm，其主要性能參數(shù)見表1。試驗(yàn)分別采用PCD刀具、50目釬焊金剛石刀具和100目電鍍金剛石刀具，刀具直徑均為6mm，刀長54mm（PCD刀具如圖1所示）。

圖1 PCD刀具幾何結(jié)構(gòu)及端面磨粒結(jié)構(gòu)示意

表1 SiCf /SiC陶瓷基復(fù)合材料性能參數(shù)

試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)測(cè)量

首先開展3種刀具銑削對(duì)比試驗(yàn)，刀具對(duì)比試驗(yàn)加工參數(shù)見表2，綜合考察刀具的材料去除體積、加工表面質(zhì)量及主要磨損形式，優(yōu)選出適用于加工SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的刀具。然后基于優(yōu)選的刀具開展單因素試驗(yàn)（單因素試驗(yàn)加工參數(shù)詳見表3），研究加工參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，揭示刀具磨損機(jī)理。

表2 刀具對(duì)比試驗(yàn)加工參數(shù)

表3 單因素試驗(yàn)加工參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果分析

加工表面粗糙度

對(duì)比3種刀具的加工表面粗糙度（如圖2所示）：PCD刀具加工表面粗糙度值最小，加工表面質(zhì)量最好；對(duì)比釬焊金剛石刀具及電鍍金剛石刀具加工表面粗糙度可以看出，刀具磨粒目數(shù)越大、磨粒個(gè)數(shù)越多，參與到加工過程中的磨粒也相應(yīng)增多，加工表面粗糙度值也隨之降低，表面質(zhì)量會(huì)相對(duì)更好。同時(shí)，分析試驗(yàn)過程中測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差棒，可以看出PCD刀具加工表面粗糙度值的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差棒最小，表明加工表面粗糙度值差異不大、測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，加工表面質(zhì)量高。

圖2 3種刀具加工表面粗糙度

刀具壽命

以材料去除體積表征刀具壽命，對(duì)比3種刀具采用相同加工參數(shù)，加工至刀具磨損失效時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果（如圖3所示）。在相同加工參數(shù)條件下，100目電鍍金剛石磨頭去除材料體積為192mm3，50目釬焊金剛石磨頭去除材料體積為810mm3，PCD刀具去除材料體積為9720mm3，3種刀具壽命比為50.6∶4.2∶1。分析試驗(yàn)結(jié)果可知，PCD刀具磨損小，刀具壽命長，電鍍金剛石磨頭磨損嚴(yán)重，刀具壽命短。綜合分析，100目電鍍金剛石磨頭不適合加工SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料，PCD刀具及50目釬焊金剛石刀具可用于SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的加工。

圖3 刀具去除材料體積

刀具磨損

根據(jù)刀具磨損形貌的掃描電鏡（SEM）圖可以看出，金剛石磨粒表面布滿了破裂斷面，磨粒棱邊及型面發(fā)生了嚴(yán)重的磨料磨損（如圖4所示）。這是由于電鍍磨粒與刀具基體間結(jié)合強(qiáng)度不高，在超聲振動(dòng)銑削過程中，磨粒在磨料磨損的同時(shí)，容易從刀具端面上剝落下來，使得參與加工的磨粒數(shù)目減小，銑削力增大，刀具磨損加劇，在去除材料192mm3后，刀具端面被徹底磨平失效。

圖4 3種刀具磨損形貌SEM圖

釬焊金剛石磨頭磨損主要為磨粒的磨料磨損，未發(fā)現(xiàn)磨粒的剝落。深入分析磨粒磨損形式，磨粒表面有明顯的硬質(zhì)材料滑刻磨損痕跡及破裂斷面，表明金剛石磨粒在去除相同硬度的SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，磨粒主要被硬質(zhì)材料在表面進(jìn)行磨料磨損，在高頻超聲振動(dòng)沖擊下，部分磨粒會(huì)被沖碎型面產(chǎn)生破裂斷面。磨粒四周黏結(jié)劑亦被磨損說明，磨粒發(fā)生了嚴(yán)重的磨料磨損，磨粒凸起參與材料去除過程的部分已經(jīng)被磨平。然而，由于釬焊黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)電鍍要高，釬焊金剛石磨粒不易被剝離出刀具基體形成磨粒的剝落。

PCD刀具錐刺型的磨粒主要磨損形式為磨粒的磨料磨損及磨粒破裂。由于PCD刀具材質(zhì)及SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料硬度差異不大，在加工中刀具與去除材料相互磨損，極易造成PCD刀具磨粒的磨料磨損。同時(shí)，由于PCD及SiC陶瓷均屬于脆性材質(zhì)，在高頻超聲沖擊下，磨粒容易發(fā)生破裂崩裂。然而，從SEM圖可以看出PCD刀具整體磨粒磨損程度差異不大，這使得刀具加工過程相對(duì)更平穩(wěn)，加工表面質(zhì)量更高。

銑削力

加工參數(shù)對(duì)PCD刀具銑削力的影響主要表現(xiàn)為：隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，PCD刀具銑削力逐漸降低；隨著進(jìn)給速度及切削深度的增大，銑削力急劇增大。切削力增大是造成PCD刀具磨損的主要原因，為了減小刀具磨損，延長刀具壽命，需要降低SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助加工過程中的銑削力。由此可以確定，SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助加工的主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于7000r/min，進(jìn)給速度不高于300mm/min，切削深度小于0.1mm。

此外，根據(jù)超聲振動(dòng)參數(shù)對(duì)PCD刀具銑削力的影響可以發(fā)現(xiàn)，隨著超聲頻率及超聲振幅的逐漸增大，PCD刀具的銑削力均呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢(shì)。高頻超聲振動(dòng)使得刀具與材料之間發(fā)生高頻的沖擊，在一定條件下會(huì)造成PCD刀具磨粒的崩裂，導(dǎo)致刀具磨損，增大銑削力及加工表面粗糙度，故需要合理的選擇超聲振動(dòng)參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以確定合理的超聲振動(dòng)頻率應(yīng)為30kHz，超聲振幅為4μm。

結(jié)束語

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的超聲振動(dòng)輔助銑削的研究，后續(xù)還應(yīng)深入開展超聲能場(chǎng)作用下的切削機(jī)理、微小孔加工的損傷形成機(jī)理與控制方法，以及超聲振動(dòng)參數(shù)與加工參數(shù)匹配性研究，合理選擇各參數(shù)以強(qiáng)化SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料超聲輔助加工的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)其優(yōu)質(zhì)高效加工。