Cf/SiC復合材料低溫銑削工藝優(yōu)化研究

徐亮，王凱，王新永，陳旭輝，劉宏瑞，王松，宋楠，韓軍，嚴偉容，劉鴻貴

(航天材料及工藝研究所 先進功能復合材料技術國防科技重點實驗室，北京 100076)

0 引言

在陶瓷基復合材料(CMC)領域，碳纖維具有高比強度、高比模量和優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性等特點，是連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料中最具應用前景的增強纖維之一[1]。Cf/SiC復合材料即碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料，是由碳纖維、SiC陶瓷基體和界面相組成的[2]。根據(jù)纖維的組織結構，Cf/SiC可分為2D、2.5D和3D的復合材料。

現(xiàn)如今，碳纖維復合材料廣泛應用于航空航天、能源技術、軌道交通工業(yè)、核工業(yè)等重要領域。但這種材料的硬度高、脆性大、各向異性、不均勻性和加工冷卻條件苛刻等特點，在切削加工過程中容易出現(xiàn)刀具壽命短、加工表面質(zhì)量低、加工精度低等問題，這使得Cf/SiC復合材料難以用傳統(tǒng)機械加工方法加工成高精度、低損傷的結構件。因此，如何實現(xiàn)Cf/SiC復合材料的高效、高質(zhì)量切削仍是實現(xiàn)其高性能應用的關鍵技術之一。

國內(nèi)外學者已經(jīng)對Cf/SiC復合材料的切削加工進行了研究。畢銘智[3]對Cf/SiC復合材料進行了鉆削、銑削加工試驗，確定了加工Cf/SiC復合材料的最佳刀具，并分析了工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響。劉艷等[4]通過旋轉超聲振動和普通銑磨加工的對比，得知旋轉超聲振動輔助加工可大大降低切削力，降低幅度可達到50%以上。AZARHOUSHANG B[5]提出了一種新的Cf/SiC復合材料超聲振動磨削系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)磨削系統(tǒng)進行了比較，驗證了該系統(tǒng)可以降低磨削力和表面粗糙度。

低溫切削技術是指利用低溫冷空氣、液氮或液態(tài)二氧化碳等低溫流體冷卻工件材料、刀具或切削區(qū)域，并在低溫下進行切削的方法[6]。目前，國內(nèi)外對低溫切削技術的研究主要集中在典型難加工金屬材料的切削上。齊向東[7]采用內(nèi)冷刀具對TC4鈦合金進行了低溫銑削，發(fā)現(xiàn)低溫冷卻有效降低了表面粗糙度，減少了刀具粘結磨損，提高了加工效率。MANIMARAN G等[8]使用液氮冷卻磨削鋼表面，相對于干磨削和傳統(tǒng)冷卻液磨削，低溫磨削技術可降低表面粗糙度，改善表面完整性。BORDIN A等[9]對Ti6A14V工件進行了低溫切削，發(fā)現(xiàn)低溫切削明顯改善了工件的加工質(zhì)量和延長刀具壽命，提高了Ti6A14V工件的加工性能。

雖然已有不少專家學者對Cf/SiC復合材料的切削加工進行了研究，但仍然難以滿足如今各行業(yè)對Cf/SiC材料高效率和高質(zhì)量的加工需求。國內(nèi)外對低溫切削技術的研究主要集中在難加工金屬材料，而對低溫切削加工Cf/SiC復合材料的研究較少。復合材料低溫切削匹配性和加工性、低溫介質(zhì)和參數(shù)對復合材料切削特性影響規(guī)律、冷卻工藝參數(shù)優(yōu)化等方面的研究仍需不斷開展。本文著重研究利用金剛石刀具低溫銑削Cf/SiC復合材料的工藝優(yōu)化，研究了聚晶金剛石(PCD)刀具低溫銑削Cf/SiC復合材料過程中，低溫冷卻介質(zhì)(干冰、液氮)和冷卻工藝參數(shù)對切削力、加工表面完整性和切屑的影響規(guī)律，從而為難加工材料的低溫切削加工技術如何有效地降低切削溫度、提高刀具壽命和改善加工表面質(zhì)量提供指導，為實現(xiàn)Cf/SiC復合材料高效率、高質(zhì)量和低成本切削加工探索新途徑。

1 試驗設計

本文采用Cf/SiC復合材料作為工件材料，尺寸為50mm×20mm×20mm，如圖1所示。工件所用碳纖維是T800，單根纖維直徑為5～7μm，每根經(jīng)紗或緯紗的寬度為1～1.5mm，經(jīng)緯層表面的垂直紗線寬度約為1mm。每層的經(jīng)緯紗平織面上，由多根經(jīng)紗和多根緯紗相交且上下交替編織而成。

采用直徑為φ10mm的雙刃聚晶金剛石立銑刀，如圖2所示。刀具的螺旋角約為4°，前角約為1.9°，后角約為8.8°，將其裝夾于一臺高速五坐標加工中心(Mikron UCP710)，以此進行銑削試驗。

圖1 Cf/SiC復合材料

圖2 試驗用PCD銑刀

基于低溫噴射冷卻技術，設計了低溫冷卻系統(tǒng)，如圖3所示，將低溫液氮或干冰按照一定的閥體出口壓力和噴射角度噴射于切削區(qū)中，對銑削過程進行低溫冷卻。

試驗中采用順銑平面銑削，如圖4所示。切削過程中所用的切削參數(shù)如表1所示，其中，噴嘴噴射角度是指噴嘴與刀具軸向之間的角度。在初步選擇適合于Cf/SiC復合材料銑削的切削參數(shù)后，分別進行了Cf/SiC復合材料的干式銑削、干冰輔助銑削和液氮輔助銑削試驗研究，設計若干組單因素實驗，記錄各組實驗結果。通過比較不同冷卻介質(zhì)、噴嘴射流角度和閥門出口壓力下的銑削力、銑削表面形貌和切屑形貌，探究低溫工藝參數(shù)的影響規(guī)律，并優(yōu)化低溫工藝參數(shù)。

試驗過程中使用壓電式三向動態(tài)測力儀(KISTLER 9625B)測量切削過程中坐標軸x、y和z方向的切削力。采用光學顯微鏡(VHX-600)對工件表面形貌和微觀組織進行了測試。使用日立(S-4800)掃描電子顯微鏡觀測不同冷卻介質(zhì)下的切屑形貌。采用激光共聚焦顯微鏡(LSM 700)對加工表面粗糙度進行了測量，并觀察了表層的微觀形貌。

圖3 低溫液氮冷卻系統(tǒng)

圖4 Cf/SiC銑削示意圖

表1 主要參數(shù)表

2 試驗結果與分析

2.1 切削力隨冷卻工藝參數(shù)的變化規(guī)律

圖5為n=3000r/min，vf=60mm/min，ap=3mm，ae=2mm時單個銑削過程測得的三向切削力波形圖(本刊黑白印刷，相關疑問咨詢作者)。波形圖已經(jīng)進行過信號漂移補償和低通降噪濾波處理。當?shù)毒唛_始切削工件和即將完成切削時，由于刀具與工件在初始切削和最終切削階段時存在不穩(wěn)定沖擊振動，力的波動范圍比穩(wěn)定銑削階段大得多。而在穩(wěn)定銑削階段，也存在少量的力值突變峰點，這是由于材料本身的結構缺陷(材料內(nèi)部存在孔洞)和材料的各向異性所致，使得切削力有時會突然變得局部不均勻、不穩(wěn)定。本試驗中，取穩(wěn)定銑削階段的最大切削力(不包括數(shù)值極大的突變點)作為測得銑削力。根據(jù)測力儀上工件夾緊的位置方向和進給方向，確定力的方向。如圖5所示，F(xiàn)x(垂直于進給方向的水平力)取負方向的力值，F(xiàn)y(沿進給方向的力)和Fz(沿主軸軸線方向的力)取正方向的力值。

圖5 銑削過程中測得的三向切削力波形圖

試驗分別按如下參數(shù)進行：

n=3000r/min；vf=60mm/min；ap=3mm；ae=2mm；P=4MPa(干冰)；P=0.075MPa(液氮)。

測得不同冷卻介質(zhì)、冷卻工藝參數(shù)所對應的x、y和z軸方向的切削力，獲得不同坐標軸方向上的切削力隨噴嘴噴射角度的變化曲線，如圖6所示。由此可知：

1) 無論是在干式切削、干冰輔助銑削還是液氮輔助銑削過程中，F(xiàn)x遠高于Fy和Fz，且Fx是主要切削力，應重點得到關注。干冰和液氮輔助銑削時的Fx明顯低于干式切削，即低溫銑削對Fx的影響較大。

2) 干冰輔助銑削時，F(xiàn)x隨噴射角度(30°～90°)的增大而平穩(wěn)減小，但變化不明顯，F(xiàn)y和Fz則呈先減小后增大的變化規(guī)律，且在φ=60°時，F(xiàn)y和Fz達到最低值。

3) 當液氮輔助銑削時，F(xiàn)x隨噴射角的增大(30°～90°)先減小后增大，φ=60°時銑削力最小，銑削力下降最大，此時低溫銑削降低切削力效果最好；而Fy和Fz的變化較小，射流角度對Fy和Fz的影響較小。

相同的方法獲得不同坐標軸方向上的切削力隨閥體出口壓力的變化曲線(n=3000r/min，vf=60mm/min，ap=3mm，ae=2mm，φ=30°)，如圖7所示。由此可知：

圖6 不同冷卻方式下各坐標軸方向的力隨噴射角度的變化曲線

1) 對于干冰和液氮輔助銑削，隨著閥體出口壓力的增加(用干冰時，P=3～5MPa，用液氮時，P=0.05～0.1MPa)，F(xiàn)x先減小后顯著增大，F(xiàn)y和Fz則很小。

2) 在相同的閥門出口壓力下，干冰和液氮輔助銑削時Fy和Fz均顯著低于干式切削時的切削力，閥體出口壓力對Fx和Fy的影響較大。其中，P=4MPa(干冰)、P=0.075MPa(液氮)時，F(xiàn)x和Fy的值下降最大，表明降低切削力的效果也最好。

圖7 不同冷卻方式下各坐標軸方向力隨閥體出口壓力的變化曲線

2.2 加工表面粗糙度隨冷卻工藝參數(shù)的變化規(guī)律

采用光學顯微鏡(VHX-600)測得了不同冷卻條件下工件的加工表面形貌，如圖8所示。工件的加工表面不可避免地存在孔隙，這與材料本身的孔隙率和材料切削斷裂機制有關。在Cf/SiC復合材料的制備過程中，特別是在碳纖維與基體SiC的結合處以及纖維束與其他纖維束的相交處，材料結合性較低，比較容易形成孔洞。

圖8 Cf/SiC 復合材料加工表面顯微圖

采用光學顯微鏡(VHX-600)測得了不同冷卻方式下加工表面放大200倍的形貌，如圖9所示，從被加工工件表面碳纖維區(qū)的表面形貌和碳纖維與基體的界面可以看出：

1) 干式銑削時，工件表面碳纖維層斷裂較多，甚至可以看到多層纖維束的斷裂痕跡和界面脫粘現(xiàn)象；

2) 干冰輔助銑削表面相對較好，但仍有不少碳纖維斷裂層；

3) 與前兩種冷卻方式對比，液氮輔助銑削加工的工件表面斷裂較少，碳纖維區(qū)的纖維束層也相對連續(xù)完整，表明液氮輔助銑削加工的工件表面完整性相對較好。

圖9 3種銑削方式下Cf/SiC復合材料加工表面顯微圖

采用激光共聚焦纖維鏡測得了不同冷卻方式下工件加工表面的形貌，如圖10所示，由此可知：

1) 干式銑削時工件表面非常不均勻，表面起伏變化大，有較多的深溝和高峰突起，表面質(zhì)量較差；

2) 干冰輔助銑削時，工件加工表面質(zhì)量較干式銑削時略有改善；

3) 液氮輔助銑削時，工件加工表面非常均勻，表面起伏變化不大，深溝槽少，突起的高峰也較少，加工表面完整性相對較好，表面質(zhì)量最好。

圖10 3種銑削方式下Cf/SiC加工表面激光共聚焦掃描圖

測得不同冷卻方式下工件加工的表面粗糙度，如圖11所示。由此可知，在低溫冷卻條件下，加工表面的Sa、Sq和Sz值明顯小于干式切削，表明低溫介質(zhì)冷卻輔助銑削時，工件加工表面質(zhì)量優(yōu)于干式切削。主要原因是低溫介質(zhì)降低了銑削力，提高了材料的低溫脆性，減少了工件的塑性，降低了工件材料在切削區(qū)的變形程度和對加工表面變形的影響。另外，與干冰冷卻相比，液氮冷卻輔助時工件加工表面的Sa、Sq和Sz值最低，表明加工表面質(zhì)量較高。

圖11 3種銑削方法加工的工件表面粗糙度

2.3 切屑形貌隨冷卻工藝參數(shù)的變化規(guī)律

采用掃描電子顯微鏡測得了不同冷卻介質(zhì)下銑削過程所產(chǎn)生的切屑形貌，如圖12所示。由此可知，用3種冷卻方式下銑削Cf/SiC時的切屑均為破碎的碳纖維和SiC陶瓷顆粒的混合粉末狀切屑。其中：

1) 干式銑削時，切屑多為細小的破碎顆粒(粉末SiC顆粒和破碎的細小碳纖維)，微塊狀陶瓷顆粒和長條狀碳纖維較少；

2) 與干式銑削相比，干冰輔助銑削時的切屑中含有較多的長條形碳纖維和微塊狀SiC顆粒，而液氮輔助銑削的切屑中含有大量的長條形碳纖維和較大塊狀的SiC陶瓷碎塊。這是因為Cf/SiC是硬脆材料，特別是陶瓷基體，在干式切削過程中容易以破碎的形式被去除。而在低溫介質(zhì)冷卻下，切削區(qū)溫度降低，導致基體與增強纖維結合強度降低，增強碳纖維更容易在整個截面上拔出或整體去除，而靠近碳纖維與基體界面處的碳化硅陶瓷也容易被整塊切削去除。

圖12 不同冷卻方式下切削Cf/SiC所得到的切屑形貌

3 結語

本文利用聚晶金剛石(PCD)刀具切削Cf/SiC復合材料，研究了Cf/SiC復合材料低溫銑削特性，并得出如下結論：

1) 無論是干式銑削還是干冰或液氮冷卻輔助銑削，F(xiàn)x(垂直于進給方向的水平力)均遠高于Fy(沿進給方向的力)和Fz(沿主軸軸線方向的力)；與干式銑削相比，干冰或液氮冷卻輔助銑削的切削力均顯著降低；其中，在液氮輔助銑削條件下，當閥體出口壓力為0.075MPa、噴射角度為60°時，銑削力最低，相對于干式銑削時切削力下降最大，低溫輔助降低切削力的效果最明顯，可作為冷卻工藝參數(shù)的最優(yōu)化方案。

2) 經(jīng)低溫冷卻(干冰和液氮)后，工件加工表面粗糙度Sa、Sq和Sz明顯低于干式切削，工件加工表面纖維束斷裂層較少，碳纖維區(qū)的纖維束層相對連續(xù)完整，表面起伏變化不大，液氮輔助銑削加工的工件表面完整性最好。

3) 3種冷卻方式輔助銑削Cf/SiC復合材料時的切屑均為破碎碳纖維和破碎SiC陶瓷的混合粉末狀切屑。與干式銑削相比，干冰輔助銑削的切屑中含有較多的長條碳纖維和微塊狀碳化硅顆粒，而液氮輔助銑削的切屑中含有大量的長條形碳纖維和大塊碳化硅碎塊。