摘 要：采用超硬聚晶金剛石（PCD）刀具對(duì)SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行干式和低溫液氮冷卻銑削試驗(yàn)研究，獲得PCD刀具在干式和低溫液氮冷卻銑削條件下的前刀面和后刀面磨損形貌；分析PCD刀具在干式和低溫液氮冷卻銑削條件下的主要磨損形式，測(cè)得PCD刀具在干式和低溫液氮冷卻銑削條件下的刀具使用壽命。研究表明：在干式銑削條件下，PCD刀具前刀面的主要磨損形式為刀尖磨鈍和崩刃；而在低溫液氮冷卻銑削條件下，PCD刀具前刀面的主要磨損形式為刀尖磨鈍和微剝落；與干式銑削條件相比，PCD刀具在低溫液氮冷卻銑削條件下壽命提高約71.4%。

關(guān)鍵詞：SiC/SiC復(fù)合材料；干式銑削；低溫液氮冷卻銑削；PCD刀具；磨損形貌；磨損形式

中圖分類號(hào)：TG54文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0032-05

Wear Experimentand Reserch of Polycrystalline Diamond Tools on SiC/SiC

Composite Milling under Cryogenic Cooling Condition

Abstract：Polycrystalline diamond （PCD） tools were used to mill SiC/SiC composite under dry and cryogenic cooling conditions， obtaining wear morphology of the rake and flank surfaces on the PCD tool. The wear modes of the PCD tools were analyzed， and the tool service life was measured. The reserch results show that the major wear modes of the PCD tools are tool nose fracture and edge tripping under the dry milling condition， while the major wear modes are tool nose fracture and spalling under the cryogenic cooling condition. To compare with the PCD tool under the dry cutting condition， the usage life of the PCD tools under the cryogenic cooling condition increases up to 71.4%.

Keywords：SiC/SiC composites；dry milling；cryogenic cooling milling；PCD tool；wear morphology；wear mode

0 引言

SiC/SiC是一種采用連續(xù)SiC纖維增韌SiC基體的陶瓷基復(fù)合材料。SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料因其具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、優(yōu)異抗氧化和抗燒蝕性能等特性而廣泛應(yīng)用于航空、航天及船舶領(lǐng)域［1-3］。但因其具有典型的非均質(zhì)和各向異性等突出特點(diǎn)，使其成為典型的難加工材料，對(duì)切削加工刀具提出了很高的要求，即便是高性能的金剛石刀具，在傳統(tǒng)車削、銑削、鉆削和磨削等工序中也會(huì)因磨損劇烈導(dǎo)致刀具無(wú)法保持精密輪廓形貌，從而達(dá)不到SiC/SiC復(fù)合材料產(chǎn)品尺寸精度的要求。

焦健等［4］研究了SiC/SiC復(fù)合材料在傳統(tǒng)磨削加工、高壓水射流加工和激光加工過(guò)程中的表面加工質(zhì)量。在傳統(tǒng)磨削加工過(guò)程中，刀具因切削區(qū)溫度很高而出現(xiàn)了缺損、崩刃和磨損等失效形式，加工尺寸精度和形狀精度較低。徐俊杰［5］采用金剛石刀具對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料進(jìn)行輪廓加工和孔特征加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，刀具磨損較大，較難實(shí)現(xiàn)對(duì)崩口、撕裂和毛刺等缺陷的控制。陳玉榮等［6］采用普通麻花鉆、PCD麻花鉆和電鍍金剛石鉆頭等工具對(duì)SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了鉆孔加工試驗(yàn)研究，普通麻花鉆易引起SiC/SiC復(fù)合材料中碳纖維斷裂，PCD麻花鉆易導(dǎo)致孔出口處產(chǎn)生崩邊，而電鍍金剛石鉆頭使用壽命短、效率低。GAVALDA等［7］對(duì)SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)研究。研究表明，鉆削過(guò)程中所受到的高鉆削力是由材料自身的高硬度造成的，且鉆削過(guò)程中出現(xiàn)的徑向力是由材料自身的各向異性和非均質(zhì)性造成的。DIAZ等［8］采用拉曼光譜法檢測(cè)了SiC/SiC復(fù)合材料鉆削過(guò)程中纖維與基體的去除機(jī)理，SiC纖維以脆性去除為主，熱應(yīng)力梯度是導(dǎo)致纖維應(yīng)變的主要原因，而SiC基體以塑性去除為主，機(jī)械應(yīng)力是導(dǎo)致基體應(yīng)變的主要原因。YIN等［9］研究了不同磨削速度對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料去除機(jī)理及表面加工質(zhì)量的影響規(guī)律，當(dāng)沿纖維經(jīng)向時(shí)，在高速磨削過(guò)程中SiC纖維發(fā)生脆性斷裂，SiC基體發(fā)生撕裂；而在低速磨削時(shí)，纖維發(fā)生犁耕現(xiàn)象，基體發(fā)生致密化；當(dāng)沿纖維緯向，在高速磨削時(shí)纖維被完全去除，而在低速磨削時(shí)發(fā)現(xiàn)有殘留未切斷的纖維。BERTSCHE等［10］對(duì)比研究了傳統(tǒng)磨削加工和超聲振動(dòng)輔助磨削SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料過(guò)程中的刀具磨損和切削力等因素。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)磨削加工相比，超聲振動(dòng)輔助磨削過(guò)程中切削力降低了20%，刀具磨損量降低了36%。DONG等［11］開(kāi)展了激光加熱輔助微細(xì)銑削SiC/SiC復(fù)合材料的研究。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)微細(xì)銑削加工相比，激光加熱輔助微細(xì)銑削過(guò)程中的刀具磨損降低了76%，刀具壽命提高了3.8倍。

盡管學(xué)者們對(duì)碳化硅基復(fù)合材料（C/SiC、SiC/SiC）的切削加工進(jìn)行了大量的研究，但多數(shù)集中在干式切削條件下金剛石刀具對(duì)C/SiC復(fù)合材料切削特性（刀具磨損、加工表面形成機(jī)理及加工表面質(zhì)量表征等）的影響研究，而與SiC/SiC復(fù)合材料切削加工相關(guān)的研究文獻(xiàn)較少，對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料冷卻切削特性的研究更是少之又少?；诖?，本文主要對(duì)聚晶金剛石刀具（簡(jiǎn)稱PCD刀具）在干式和低溫冷卻條件下切削SiC/SiC復(fù)合材料時(shí)的刀具磨損程度開(kāi)展研究，獲得PCD刀具在干式和低溫冷卻銑削SiC/SiC復(fù)合材料時(shí)的磨損形式和磨損量，為金剛石刀具高效率銑削SiC/SiC復(fù)合材料加工提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的工件材料選用的是連續(xù)碳化硅纖維增加碳化硅基復(fù)合材料，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)為2.5D編織結(jié)構(gòu)，由SiC纖維、SiC基體和界面增強(qiáng)相組成，纖維的體積分?jǐn)?shù)約為30%。該材料的表面微觀形貌與參數(shù)分別如圖1和表1所示。進(jìn)行試驗(yàn)的工件尺寸為200mm（長(zhǎng)）×20mm（寬）×5mm（高），在加工試驗(yàn)前，工件毛坯進(jìn)行表面磨削處理，以保證較好的平整度。

加工刀具選用PCD刀具，刀柄選用硬質(zhì)合金材料，采用釬焊工藝將金剛石刀片焊接到硬質(zhì)合金刀柄上，實(shí)物如圖 2所示，刀具參數(shù)如表2所示。

將上述PCD刀具分別裝夾于一臺(tái)DMU 60五軸立式加工中心，如圖3所示，并將三向動(dòng)態(tài)測(cè)力儀安裝于機(jī)床工作臺(tái)面上，如圖4所示，檢測(cè)切削過(guò)程中所產(chǎn)生的切削力。采用單因素試驗(yàn)法，分別在干式切削條件和低溫液氮冷卻條件下進(jìn)行PCD刀具的磨損對(duì)比試驗(yàn)。其中，低溫液氮冷卻系統(tǒng)噴出的冷卻介質(zhì)流量為0.5L/min，噴射壓力為0.05MPa，切削參數(shù)和冷卻工藝參數(shù)如表3所示。該工藝參數(shù)是前期以獲得良好的工件質(zhì)量和高效的加工效率為目標(biāo)，通過(guò)開(kāi)展低溫冷卻射流溫度因素試驗(yàn)和低溫銑削參數(shù)單因素試驗(yàn)后優(yōu)選的結(jié)果。此外，本試驗(yàn)以PCD平底銑刀主切削刃后刀面的磨損來(lái)評(píng)價(jià)刀具的磨損，因此當(dāng)主切削刃后刀面的磨損帶平均寬度VB達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，判斷PCD刀具失效。本試驗(yàn)選取的后刀面磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VB=0.3mm。

用數(shù)字?jǐn)z像頭顯微鏡（UCMOS 10000KPA CCD，如圖 5所示）對(duì)PCD刀具前、后刀面磨損形貌進(jìn)行觀測(cè)，并采用圖像分析軟件ImageView對(duì)后刀面平均磨損寬度VB進(jìn)行測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

SiC/SiC復(fù)合材料具有大脆性、高硬度、各向異性和非均質(zhì)性等特點(diǎn)，銑削加工過(guò)程是一種不均勻受載的切削過(guò)程，刀具頻繁受到纖維的刻劃和劃擦以及碳化硅基體的沖擊與刻劃。在循環(huán)沖擊載荷與刻劃的作用下，切削刃容易發(fā)生崩裂。同時(shí)，若刀具受力達(dá)到刀片與基體之間的臨界結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，釬焊的刀片還會(huì)脫落。

1）干式銑削條件

在干式條件下，采用PCD平底銑刀對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料進(jìn)行銑削加工，不同銑削行程L下PCD刀具的前刀面磨損形貌如圖6所示。由圖可知，PCD刀具前刀面磨損主要發(fā)生在刀尖和主切削刃附近，且出現(xiàn)了明顯的刀尖磨鈍和崩刃等磨損形態(tài)。這是因?yàn)镾iC/SiC復(fù)合材料具有高的硬脆性，切屑主要呈現(xiàn)微小粉末狀顆粒，切削過(guò)程中切屑未與前刀面大面積接觸，快速經(jīng)前刀面排出，因此PCD刀具前刀面并未出現(xiàn)明顯的光亮區(qū)域或者月牙洼區(qū)域，而是集中發(fā)生在刀尖和切削刃附近，導(dǎo)致刀尖磨鈍和崩刃等磨損形態(tài)。

采集不同銑削行程時(shí)的PCD刀具后刀面磨損形貌，如圖7所示。由圖7可以看出，后刀面磨損區(qū)域沿主切削刃方向呈現(xiàn)連續(xù)均勻的磨損帶，且越靠近刀尖處，磨損區(qū)域越寬。這是因?yàn)榈都馓幩艿那邢髁^大，切削溫度較高，致使刀尖處磨損速率比其他區(qū)域更快，磨損量更大。

測(cè)得干式切削條件下不同銑削行程時(shí)的后刀面磨損量VB及主切削力Fx如圖 8所示。VB隨銑削行程的增加，呈現(xiàn)先快速增加、后緩慢增加的趨勢(shì)，直至達(dá)到刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，即VB=0.3mm。這是因?yàn)?，新刀具切削刃比較鋒利，且不可避免存在微小缺陷，加之切削刃表面粗糙度大，刀具應(yīng)力主要集中于刀尖和切削刃處，使得VB迅速增加；隨后刀具進(jìn)入正常磨損階段，后刀面磨損量呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，直至達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。另外，當(dāng)銑削行程約為1 750mm時(shí)，VB=0.3mm，表明干式切削條件下該P(yáng)CD刀具達(dá)到了磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

2）低溫液氮冷卻銑削條件

在低溫液氮冷卻銑削條件下，測(cè)得不同銑削行程對(duì)應(yīng)的前刀面磨損形貌，如圖9所示。由圖可以看到，PCD刀具的主要磨損形式為刀尖磨鈍和微剝落。與干式切削條件相比，磨損程度得到顯著降低。

測(cè)得低溫液氮冷卻切削條件下不同銑削行程時(shí)的PCD刀具后刀面磨損量如圖 10所示。由圖可以看到，后刀面磨損區(qū)域沿主切削刃方向呈現(xiàn)連續(xù)光亮的磨損帶，且越靠近刀尖處，磨損區(qū)域越寬。

測(cè)得低溫液氮冷卻切削條件下不同銑削行程時(shí)的后刀面磨損量VB及主切削力Fx如圖 11所示。由圖可以看出，與干式切削條件下相同，VB隨銑削行程的增加，呈現(xiàn)先快速增加、后緩慢增加的趨勢(shì)，直至達(dá)到刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，即VB=0.3mm，此時(shí)銑削行程約為3 000mm。與干式切削條件相比，PCD刀具具有更高的使用壽命，且壽命提高約71.4%。這是因?yàn)?，液氮冷卻介質(zhì)噴射至切削區(qū)后，在液氮自身較低溫度（-196℃）、液氮遇空氣瞬時(shí)汽化吸熱作用以及液氮降低刀-屑接觸區(qū)域面積等作用下，切削區(qū)溫度顯著低于干式切削時(shí)的切削區(qū)溫度，同時(shí)，切削力也得到有效降低，如圖 8和圖 11所示，有效地降低了刀具-工件間較高摩擦力而導(dǎo)致的磨損，使得PCD刀具磨損程度得到顯著降低，刀具壽命得到有效提高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了在干式銑削和低溫液氮冷卻條件下銑削SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料時(shí)的磨損機(jī)理，分析了PCD刀具在干式銑削和低溫液氮冷卻銑削條件下的磨損形貌和磨損量，得到結(jié)論如下：

1）在干式切削條件下，PCD刀具前刀面的主要磨損形式為刀尖磨鈍和崩刃，后刀面形成連續(xù)光亮的磨損帶，且當(dāng)銑削行程約為1 750mm時(shí)，達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；

2）在低溫液氮冷卻切削條件下，PCD刀具前刀面的主要磨損形式為刀尖磨鈍和微剝落，后刀面形成連續(xù)光亮的磨損帶，且當(dāng)銑削行程約為3 000mm時(shí)，達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；

3）與干式切削條件相比，低溫液氮冷卻條件下PCD刀具的磨損程度得到了顯著改善，刀具壽命提高約71.4%。

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