陳少帥,顧 釩,朱垠燃,郭英杰,畢運(yùn)波,董輝躍
(1. 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,西安 710089;2.浙江大學(xué),杭州 310027)
陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic matrix composites,CMC)不僅具有普通復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn),而且具有超高的抗燒灼、抗氧化、耐高溫性能,在航空航天領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1–2]。CMC結(jié)構(gòu)件裝配需要大量連接孔,制孔質(zhì)量對裝配精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有重要影響,而制孔效率則直接決定裝配周期。CMC是一種典型的難加工材料,除了各向異性的特點(diǎn)外,其硬度高達(dá)2840~3320 kg/mm2,僅次于金剛石和立方氮化硼[3]。傳統(tǒng)的鉆孔加工刀具磨損快,加工一致性差,同時(shí)難以避免崩邊、撕裂等缺陷[4–5]。針對以上問題,特種加工技術(shù)在陶瓷基復(fù)合材料制孔中逐漸發(fā)展起來,如高壓水射流加工、激光加工、電火花加工、旋轉(zhuǎn)超聲加工等[6–8]。高壓水射流加工容易造成切口附近區(qū)域的損傷,只適用于粗加工;激光加工難以完成大厚度材料的制孔,而且加工效率較低;由于CMC材料導(dǎo)電性很弱,采用電火花加工同樣效率很低。旋轉(zhuǎn)超聲加工(Rotary ultrasonic machining,RUM)采用間歇式接觸磨削的制孔方式,有利于降低切削力和切削熱,有效抑制CMC制孔缺陷并減緩刀具磨損,同時(shí)加工效率較高,目前已得到科研人員的廣泛關(guān)注和研究。
丁凱等[9]通過對比C/SiC復(fù)合材料金剛石套料鉆超聲振動(dòng)輔助鉆削與CVD涂層麻花鉆、PCD焊刃麻花鉆的普通鉆削試驗(yàn)得出,超聲振動(dòng)輔助加工可以有效降低鉆削力及扭矩,同時(shí)減小刀具磨損。Feng等[10]通過研究C/SiC復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助鉆削與傳統(tǒng)鉆削的對比試驗(yàn)得出,超聲振動(dòng)輔助加工在降低鉆削力的同時(shí)還可有效抑制孔的出口撕裂。陳玉榮等[11]對超聲振動(dòng)輔助干式鉆削加工工藝中使用的釬焊金剛石套料鉆進(jìn)行了加工試驗(yàn)研究,提出了進(jìn)一步提高刀具使用壽命、減小切削力的刀具優(yōu)化方法??梢钥闯?,陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔的研究主要集中于刀具試驗(yàn)等初步研究階段,針對具體設(shè)備和工況的制孔工藝研究較少,限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。
目前,陶瓷基復(fù)合材料的實(shí)際加工仍然以數(shù)控機(jī)床為主,其設(shè)備安裝空間大、資金投入高、靈活性差,難以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制孔要求。近年來,具有機(jī)動(dòng)性高、靈活性好的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展,制造成本不斷降低,以機(jī)器人為平臺(tái)的加工系統(tǒng)在國內(nèi)外航空航天制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12–14]。本文構(gòu)建了一套以工業(yè)機(jī)器人為平臺(tái)的陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔系統(tǒng),并基于該系統(tǒng)對CMC工件高質(zhì)量制孔工藝策略進(jìn)行研究,詳細(xì)分析了工藝參數(shù)、刀具磨損等對制孔質(zhì)量的影響規(guī)律,并提出工藝優(yōu)化策略,確定最優(yōu)工藝參數(shù),為陶瓷基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件連接孔的高質(zhì)高效加工提供工藝基礎(chǔ)。
旋轉(zhuǎn)超聲加工(RUM)是一種復(fù)合加工方法,集傳統(tǒng)超聲加工和金剛石磨削于一體。結(jié)合這兩種加工方式各自的技術(shù)優(yōu)點(diǎn),傳統(tǒng)的磨削加工過程變成了間歇式接觸磨削,由于每一次微量的接觸切削都可以在很短時(shí)間內(nèi)完成[15–16],切削力和切削熱有效降低,從而減緩了刀具磨損,并且提高了加工的質(zhì)量和效率。旋轉(zhuǎn)超聲加工示意如圖1所示。
圖1 旋轉(zhuǎn)超聲加工示意圖Fig.1 Schematic of rotary ultrasonic machining
旋轉(zhuǎn)超聲加工所用的刀具通常為釬焊金剛石套料鉆,這種刀具由基體和金剛石磨粒兩部分組成。其中基體為空心結(jié)構(gòu),便于冷卻刀具和排屑;金剛石磨粒釬焊于基體的端面和側(cè)面,并隨著刀具的運(yùn)動(dòng)完成切削加工。式(1)為加工時(shí)單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。在加工過程中,由于刀具振動(dòng)速度(0.3~0.4 m/s)遠(yuǎn)大于進(jìn)給速度(10~40 mm/min)[9],刀具與工件在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)存在部分分離。
式中,R為刀具半徑;ω為刀具旋轉(zhuǎn)角速度;vf為刀具進(jìn)給速度;A為振動(dòng)幅值;f為振動(dòng)頻率;t為時(shí)間。
實(shí)際加工時(shí),單顆磨粒對工件產(chǎn)生的切削力如式(2)所示[17],刀具受到的實(shí)際切削力為同時(shí)參與加工的所有磨粒切削力的矢量和。由于加工過程為間歇式微量接觸磨削,同一時(shí)刻參與加工的磨粒數(shù)量較少,并且切削力的峰值交錯(cuò)出現(xiàn),因而可以大大減小切削力,同時(shí)避免局部壓力過大造成的陶瓷基復(fù)材撕裂等缺陷。
式中,M為刀具振動(dòng)部分的等價(jià)質(zhì)量;W為刀具的靜態(tài)負(fù)載;Δt為一次振動(dòng)時(shí)刀具與工件的接觸時(shí)間;N為參與切削的磨粒數(shù)。
圖2為常見的陶瓷基復(fù)合材料制孔缺陷??梢姡肟谌毕莺苄?,其損傷為切削時(shí)的材料去除造成,以切屑方式排出[3];出口缺陷則顯著,其損傷為切削時(shí)底層材料失去支撐造成,損傷處的材料以塊狀形式掉落[4]。
圖2 陶瓷基復(fù)合材料制孔常見缺陷Fig.2 Common defects in ceramic matrix composites
陶瓷基復(fù)合材料出口的典型缺陷特征如圖3所示,從圖3(b)可以看到毛刺、崩邊和撕裂等多種出口缺陷。進(jìn)一步觀察可知,相比于毛刺和崩邊,撕裂缺陷更為顯著,可以認(rèn)為是陶瓷基復(fù)合材料制孔加工出口的主要缺陷。因此,本文主要研究出口撕裂缺陷的特征及其預(yù)防策略。
圖3 陶瓷基復(fù)合材料制孔出口典型缺陷特征Fig.3 Typical defect characteristics of the exit of ceramic matrix composites
如圖3(a)所示,首先根據(jù)撕裂區(qū)域形貌利用紅色曲線將其輪廓繪出,并將此封閉區(qū)域定義為撕裂面積。在復(fù)合材料制孔出口缺陷評估方面,通常以最大撕裂長度與孔徑比值作為參考來評估撕裂程度,這種僅考慮長度的一維方法對缺陷的評估不夠全面,因此本文采用一種考慮撕裂面積的二維評估方法,計(jì)算公式如式(3)所示。
式中,At為出口撕裂面積;Ah為孔的面積。
計(jì)算出口撕裂面積因子需要獲取撕裂區(qū)域的面積,為了便于求解,首先按圖4所示方法處理撕裂缺陷的顯微圖像,以藍(lán)色填充加工區(qū)域,以紅色填充撕裂區(qū)域;然后分別得到紅色區(qū)域和藍(lán)色區(qū)域的像素值,并根據(jù)兩者像素值大小準(zhǔn)確計(jì)算出孔出口的撕裂面積因子。
圖4 撕裂面積因子求解示意圖Fig.4 Schematic of calculating the tearing area factor
在陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔中,進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和超聲振幅等工藝參數(shù)對制孔質(zhì)量具有重要影響。為了研究這些參數(shù)對制孔質(zhì)量的具體影響規(guī)律,本文通過多因素多水平正交試驗(yàn),以及方差分析和極差分析等方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。此外還研究了刀具磨損對制孔質(zhì)量的影響規(guī)律,確定了刀具的壽命。
圖5為陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包括工業(yè)機(jī)器人、末端執(zhí)行器、C/SiC疊層試片、測力儀、固定支架、防爆吸塵器等。其中,工業(yè)機(jī)器人型號為KUKA KR600,額定負(fù)載600 kg,臂展2826 mm;末端執(zhí)行器為制孔執(zhí)行設(shè)備,集成了旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)制孔單元、孔徑檢測單元、視覺檢測單元、自動(dòng)送釘和插釘單元等,主軸最大轉(zhuǎn)速21000 r/min;疊層試片安裝在測力儀上,測力儀安裝在固定支架上;制孔產(chǎn)生的粉末顆粒由防爆吸塵器自動(dòng)處理。
圖5 陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 Rotary ultrasonic drilling test system for ceramic matrix composites
圖6為制孔試驗(yàn)所用的釬焊金剛石套料鉆,公稱直徑3 mm。試驗(yàn)采用的C/SiC疊層試片由CVI法制備而成,單層厚度4 mm,疊層厚度8 mm。刀具采用Φ3套料鉆,磨粒目數(shù)40~45 目,材料為釬焊金剛石顆粒(尺寸405~415 μm);工件厚度為4 mm×2 mm,材料為C/SiC。
圖6 金剛石套料鉆Fig.6 Diamond nesting drill
制孔試驗(yàn)中,切削力由Kistler 9257B測力儀系統(tǒng)測量,該系統(tǒng)包括信號采集傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)處理軟件等,可以實(shí)時(shí)采集并顯示切削力大小,測力儀X和Y向靈敏度為–7.5 pC/N,Z向?yàn)楱C3.7 pC/N。制孔完成后,用Dino-Lite手持式數(shù)碼顯微鏡獲取出口質(zhì)量信息,并通過專用軟件ID_STRING1進(jìn)行拍照和圖像處理,可從10倍到500倍自由改變倍率;采用Bowers公司的XT系列數(shù)顯內(nèi)徑千分尺測量孔徑,其測量范圍為2~20 mm,測量精度為2 μm。
2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)制孔相關(guān)工藝參數(shù)數(shù)量以及各個(gè)參數(shù)的可選取值范圍,本文采用L16(43)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)[5],各試驗(yàn)因素水平如表1所示。此外,根據(jù)刀具和制孔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性,為了使刀具處于軸向諧振狀態(tài),發(fā)揮最好的加工性能,超聲振動(dòng)頻率設(shè)置為29.7 kHz。此外,為了消除刀具磨損對試驗(yàn)結(jié)果的影響,重復(fù)進(jìn)行了兩組正交試驗(yàn),分別按照正交表的正序和逆序進(jìn)行。
表1 工藝參數(shù)與因素水平表Table 1 Process parameters and factor levels table
2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
陶瓷基復(fù)合材料制孔出口撕裂是制孔質(zhì)量的外在表現(xiàn),軸向力大小是制孔質(zhì)量的內(nèi)在成因,而孔徑誤差則是制孔精度的體現(xiàn)。因此,本文以制孔軸向力、出口撕裂面積因子和孔徑精度來評價(jià)正交試驗(yàn)的結(jié)果。
(1)切削力分析。
圖7為制孔試驗(yàn)中測力儀采集到的一組軸向力信號,可見制孔過程分為5個(gè)階段,分別為入口、穩(wěn)定切削、疊層界面、穩(wěn)定切削、出口等,由于入口、疊層界面和出口處都不是滿切狀態(tài),本文僅考慮兩次穩(wěn)定切削的力信號,并以其平均值作為軸向力來分析。
圖7 軸向力信號Fig.7 Axial force signal
圖8為制孔軸向力與各因素之間關(guān)系的變化趨勢圖。由圖8(a)可見,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,軸向力緩慢減小,最終趨于平穩(wěn);由圖8(b)可見,隨著進(jìn)給速度的增大,軸向力呈快速增大的趨勢;由圖8(c)可見,隨著超聲振幅的增大,軸向力上下波動(dòng),但整體變化較小。
圖8 軸向力與各因素之間的關(guān)系Fig.8 Relationship of axial force and various factors
(2)出口質(zhì)量分析。
圖9為制孔出口撕裂面積因子與各因素之間關(guān)系的變化趨勢圖。由圖9(a)可見,隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大,撕裂面積因子逐漸減小,最終趨于平穩(wěn);由圖9(b)可見,隨著進(jìn)給速度的增大,撕裂面積因子呈快速增大的趨勢;由圖9(c)可見,隨著超聲振幅的增大,撕裂面積因子緩慢減小,并逐漸趨于平穩(wěn)。
圖9 出口撕裂面積因子與各因素之間的關(guān)系Fig.9 Relationship of tearing area factor and various factors
(3)孔徑精度分析。
圖10為平均孔徑與各因素之間關(guān)系的變化趨勢圖。可見,平均孔徑隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高有微小下降的趨勢,而隨著進(jìn)給速度和超聲振幅的變化則沒有明顯規(guī)律。
圖10 平均孔徑與各因素之間的關(guān)系Fig.10 Relationship of average pore size and various factors
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對以上3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行極差分析,得到結(jié)果如表2所示??芍?,工藝參數(shù)對平均孔徑的影響不顯著。而除平均孔徑外,工藝參數(shù)對其他指標(biāo)的影響均為進(jìn)給速度>主軸轉(zhuǎn)速>超聲振幅。
表2 評價(jià)指標(biāo)極差分析Table 2 Evaluation index range analysis
進(jìn)一步對3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行方差分析,得到結(jié)果如表3所示??芍谳S向力方面,進(jìn)給速度影響最大,主軸轉(zhuǎn)速有較大影響,而超聲振幅幾乎沒有影響;在出口撕裂方面,進(jìn)給速度影響最大,主軸轉(zhuǎn)速有較大影響,而超聲振幅幾乎沒有影響;在孔徑方面,各因素的影響均不顯著。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),出口撕裂和軸向力與各因素之間的關(guān)系趨勢一致性很高,從數(shù)值上分析也具有相近的F值檢驗(yàn)結(jié)果,可見制孔出口撕裂缺陷的產(chǎn)生主要與軸向力的大小有關(guān)。
表3 方差分析Table 3 Variance analysis
由此,針對軸向力指標(biāo),較優(yōu)工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min、進(jìn)給速度9 mm/min、超聲振幅5 μm。針對撕裂面積因子指標(biāo),較優(yōu)工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min、進(jìn)給速度9 mm/min、超聲振幅7 μm。
2.2.3 工藝參數(shù)優(yōu)選
由以上分析可知,陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔時(shí),主軸轉(zhuǎn)速對軸向力和出口撕裂缺陷具有一定影響,當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增大時(shí),后兩者都會(huì)減小并趨于平穩(wěn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知,主軸轉(zhuǎn)速為10000 r/min時(shí),出口撕裂缺陷和軸向力已經(jīng)減小至平穩(wěn)狀態(tài),因此主軸轉(zhuǎn)速最優(yōu)值確定為10000 r/min。
進(jìn)給速度對制孔軸向力和出口撕裂缺陷具有顯著影響,后兩者會(huì)隨著進(jìn)給速度的增大而增大。但考慮到試驗(yàn)結(jié)果中,分別以9 mm/min和15 mm/min的進(jìn)給速度制孔,軸向力和出口撕裂面積因子差距較小,因此為了提高制孔效率,將進(jìn)給速度的最優(yōu)值確定為15 mm/min。
超聲振幅對制孔軸向力和出口撕裂缺陷的影響較小,但考慮到振幅增大時(shí),刀具在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)參與的切削量會(huì)變大,從而會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加快,因此根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將超聲振幅的最優(yōu)值確定為5 μm。
綜上可得,C/SiC陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔的最優(yōu)工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min、進(jìn)給速度15 mm/min、超聲振幅5 μm。
采用以上最優(yōu)工藝參數(shù),以新的套料鉆進(jìn)一步開展陶瓷基復(fù)合材料制孔試驗(yàn),以確定刀具磨損對制孔質(zhì)量的影響。圖11為制孔過程的軸向力、孔出口撕裂面積因子和孔徑變化曲線??梢姡?dāng)制孔數(shù)量在7~10個(gè)時(shí),軸向力由3.217 N增大至7.977 N,撕裂面積因子也快速增長,這個(gè)階段為初始加工階段。由于刀具側(cè)面部分金剛石磨粒出露高度較大,這個(gè)階段的孔徑較大,但隨著這部分磨粒的快速磨損,孔徑尺寸逐漸進(jìn)入穩(wěn)定階段,如圖11(c)所示。
圖11 制孔過程的軸向力、孔出口撕裂面積因子和孔徑變化曲線Fig.11 Axial force, tearing area factor at hole exit and hole diameter change curves during hole making
當(dāng)制孔數(shù)量為10 當(dāng)制孔數(shù)目N≥50~55個(gè)時(shí),軸向力繼續(xù)增大,最大值為10.777 N,這個(gè)階段為加工失效階段。此時(shí)孔徑尺寸出現(xiàn)大幅波動(dòng)且逐漸減小,開始出現(xiàn)大量磨粒脫落和破碎現(xiàn)象,刀具逐漸失效。 圖12為出口質(zhì)量變化情況,可見隨著制孔數(shù)量的增多,陶瓷基復(fù)合材料出口撕裂缺陷越來越大,當(dāng)制孔序號為55時(shí),出口撕裂損傷最為嚴(yán)重,此時(shí)撕裂面積因子為0.352。 圖12 出口質(zhì)量變化情況Fig.12 Changes of hole exit quality 綜合以上分析可知,以最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔,對于8 mm厚的疊層試片,金剛石套料鉆可以穩(wěn)定制孔40個(gè)左右,孔徑誤差保持在0.02 mm以內(nèi)。需要注意的是,刀具在初始加工階段,由于刀具側(cè)面的金剛石磨粒出露高度不一致,前幾個(gè)孔的孔徑會(huì)偏大。對于這個(gè)問題,在實(shí)際應(yīng)用中可在新刀制孔前進(jìn)行試切操作,將刀具側(cè)面的金剛石磨粒出露高度快速磨損為一致。 在制孔加工中,質(zhì)量和效率是一對矛盾,提高制孔質(zhì)量常會(huì)引起制孔效率的下降。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,需要探索新的工藝策略,在不影響陶瓷基復(fù)合材料制孔質(zhì)量的前提下,達(dá)到制孔效率的最大化。 陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔效率主要取決于刀具的進(jìn)給速度。由上文的制孔試驗(yàn)結(jié)果可知,進(jìn)給速度與孔的出口質(zhì)量呈負(fù)相關(guān),當(dāng)進(jìn)給速度較大時(shí),孔的出口質(zhì)量較差;當(dāng)進(jìn)給速度較小時(shí),孔的出口質(zhì)量較好。基于這個(gè)規(guī)律,本節(jié)提出先快后慢的分段進(jìn)給工藝策略來完成陶瓷基復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲制孔,在不影響制孔質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)制孔效率最大化。 為了驗(yàn)證分段進(jìn)給策略的有效性,在機(jī)器人旋轉(zhuǎn)超聲制孔系統(tǒng)中開展了3種加工策略的對比試驗(yàn)。如圖13所示。3種策略分別為: (1)進(jìn)給速度恒定27 mm/min; (2)進(jìn)給速度恒定9 mm/min; (3)進(jìn)給速度分段設(shè)置,第1段設(shè)為27 mm/min,第2段設(shè)為9 mm/min,速度切換點(diǎn)位于出口前1 mm處。在對比試驗(yàn)中,除了進(jìn)給速度的設(shè)置不同以外,其他參數(shù)均相同,即主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min,超聲振幅5 μm,超聲頻率29.7 kHz。圖14為3種不同加工策略下孔的出口圖。 圖14 不同加工策略孔的出口Fig.14 Hole exit with different machining strategies 由圖13和14中可知,采用加工策略1制孔效率最高,但出口撕裂損傷也最大,出口撕裂面積因子平均值為0.32,難以滿足制孔質(zhì)量要求;采用加工策略2的制孔質(zhì)量最好,出口撕裂面積因子在0.05以內(nèi),但制孔效率太低;而采用本節(jié)所提出的分段進(jìn)給策略,則不僅可以滿足制孔質(zhì)量要求,又可以顯著提高制孔效率。 圖13 加工策略對比Fig.13 Comparison of machining strategies (1)出口撕裂缺陷是陶瓷基復(fù)合材料制孔的主要缺陷特征,本文采用撕裂面積因子定量評估出口撕裂程度。 (2)旋轉(zhuǎn)超聲制孔工藝參數(shù)對軸向力和撕裂面積因子的影響顯著度從大到小依次為進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和超聲振幅。本文工藝試驗(yàn)確定的最優(yōu)制孔工藝參數(shù)為主軸旋轉(zhuǎn)速度10000 r/min,刀具進(jìn)給速度15 mm/min,旋轉(zhuǎn)超聲振幅5 μm。 (3)采用優(yōu)選參數(shù)進(jìn)行刀具磨損試驗(yàn),結(jié)果表明,對于厚度為8 mm的C/SiC陶瓷基復(fù)合材料疊層試板,釬焊金剛石套料鉆可以穩(wěn)定制孔40個(gè),孔徑精度達(dá)H9,撕裂面積因子在0.2以內(nèi)。 (4)綜合考慮制孔質(zhì)量與效率要求,采用先快后慢的分段進(jìn)給策略,第1段進(jìn)給速度設(shè)為27 mm/min,第2段設(shè)為9 mm/min,速度轉(zhuǎn)換點(diǎn)設(shè)置于出口前1 mm處,可以在保證制孔質(zhì)量的同時(shí)提高制孔效率。3 最大制孔效率實(shí)現(xiàn)策略
4 結(jié)論