SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動輔助切削試驗研究

黃 博 ，汪文虎 ，蔣睿嵩 ，熊一峰 ，劉智武 ，吳曉鋒

（ 1. 西北工業(yè)大學(xué)，航空發(fā)動機(jī)高性能制造工業(yè)和信息化部重點實驗室，航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心，陜西西安710072；2. 四川大學(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065；3. 中國航發(fā)西安航空發(fā)動機(jī)有限公司，陜西西安710072 ）

SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、 比剛度高、耐磨損、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，在發(fā)動機(jī)高溫零部件加工制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 然而，由于SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料硬度高、脆性大、抗磨損，使用普通切削工藝和一般刀具加工時存在切削力大、刀具磨損嚴(yán)重等問題，加工質(zhì)量更難以滿足設(shè)計要求。實現(xiàn)SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的高效率、高質(zhì)量、低成本加工成為其工程化應(yīng)用的一個瓶頸問題。

超聲振動輔助切削技術(shù)是在傳統(tǒng)切削工藝基礎(chǔ)上， 對刀具或工件施加高頻率微米級振幅的振動，通過刀具和工件間的機(jī)械-超聲復(fù)合作用，以獲得更好加工性能的加工方法。 由于超聲高頻振動縮短了刀具-工件的接觸時間， 減小了刀具與工件的摩擦力，能夠有效地降低切削力、切削熱和刀具磨損，從而提高了加工精度與加工表面質(zhì)量。 國內(nèi)外研究表明， 超聲振動輔助切削可用于陶瓷材料、碳纖維復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等難加工硬脆材料的精密加工，在航空航天等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

畢銘智[1]針對Cf/SiC 復(fù)合材料構(gòu)件制孔和銑削時的典型加工缺陷進(jìn)行了分析，并采用不同材質(zhì)刀具進(jìn)行了鉆削對比試驗， 得到了針對Cf/SiC 復(fù)合材料理想的鉆削制孔刀具， 結(jié)果表明：PCD 刀具在耐用度期以內(nèi)的制孔個數(shù)至少是普通硬質(zhì)合金刀具的 4 倍。 李歡[2]、王玉國[3]、張翀[4]、李振[5]分別對 Cf/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行有限元仿真研究，探究了切削參數(shù)和超聲振動參數(shù)對切削力的影響，對后續(xù)工藝試驗提供大量參考依據(jù)。 王健健[6]、屈碩碩[7]分別研究了Cf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的超聲振動輔助加工表面創(chuàng)成機(jī)理和加工損傷形成機(jī)理，為后續(xù)研究提升加工表面質(zhì)量、避免加工損傷奠定了理論基礎(chǔ)。 劉杰等[8]進(jìn)行了2D-Cf/SiC 復(fù)合材料超聲振動輔助磨削試驗研究，結(jié)果顯示：在進(jìn)給方向和纖維方向的任何夾角下，超聲振動輔助磨削都可以顯著降低磨削力及工件三維表面粗糙度。 馮平法等[9]對Cf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了超聲振動輔助鉆孔研究，發(fā)現(xiàn)在超聲振動作用下進(jìn)給力可有效降低55%以上，進(jìn)而可以減少孔出口撕裂等缺陷，提高加工質(zhì)量。 袁松梅等[10-11]建立了旋轉(zhuǎn)超聲表面加工最大穿透深度模型，并研究了材料韌性斷裂-脆性斷裂的轉(zhuǎn)變機(jī)制。蔡敏等[12]采用納秒激光和皮秒激光技術(shù)對SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了制孔試驗研究， 結(jié)果表明：SiCf/SiC 復(fù)合材料納秒激光制孔存在重鑄物、分層、熱影響區(qū)和微裂紋等加工熱缺陷，皮秒激光雖制孔質(zhì)量有明顯提高，但仍存在孔錐度、孔徑精度及孔質(zhì)量穩(wěn)定控制問題。

綜上所述，目前陶瓷基復(fù)合材料研究體系已基本完備，在刀具優(yōu)化、切削參數(shù)優(yōu)化，試驗探究、數(shù)值計算模擬、理論建模，材料去除機(jī)理、延脆性轉(zhuǎn)變機(jī)制、加工質(zhì)量控制等方面均有研究。 然而，上述研究的對象大部分針對Cf/SiC 復(fù)合材料， 關(guān)于硬度更大、 加工難度更高的SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的切削加工研究少見報道。 本文擬開展SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的超聲振動輔助切削試驗研究，通過單因素試驗分析刀具磨損狀態(tài)， 篩選得到切削SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的理想刀具；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行切削參數(shù)試驗研究，對比分析超聲振動輔助切削和普通切削條件下主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切割深度等參數(shù)對于切削力的影響規(guī)律， 以得到降低切削力、減小刀具磨損的工藝參數(shù)。

1 試驗設(shè)備及方案

1.1 試驗裝置

圖1 是試驗采用的裝置，主要包括超聲振動系統(tǒng)、振幅測量系統(tǒng)、切削力測量系統(tǒng)及刀具磨損測量系統(tǒng)。 超聲振動輔助切削試驗采用CY-VMC850型三軸銑床。 試驗過程中，用LK-H020 型測振儀測量超聲振幅，用Kistler 9257B 型多分量測力儀對切削力進(jìn)行測量與采集；試驗后，用Alicona IF-Edge-Master 型全自動刀具掃描儀觀察刀具磨損。

圖1 試驗裝置系統(tǒng)

1.2 試驗刀具及材料

圖2 是試驗使用的三種刀具， 包括：φ6 mm 的PCD 銑刀，φ6 mm 的顆粒粒度50 目的釬焊金剛石磨頭（基體：45 鋼，結(jié)合劑：鎳），φ6 mm 的顆粒粒度50 目的電鍍金剛石磨頭（基體：45 鋼，結(jié)合劑：鎳）。采用低壓化學(xué)氣相沉積工藝制備2.5D- SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料，試樣尺寸為73 mm×48 mm×3.7 mm，材料屬性見表1，材料樣件見圖3。

1.3 試驗方案

1.3.1 超聲振動輔助切削刀具磨損試驗

采用表2 所示的切削參數(shù)及超聲參數(shù)，分別使用三種不同的刀具進(jìn)行SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動輔助切削試驗，對比分析刀具磨損，并得到加工SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的理想刀具。

表1 SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料屬性

圖2 試驗刀具

圖3 SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料

1.3.2 超聲振動輔助切削試驗

在優(yōu)選得到的SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料加工刀具基礎(chǔ)上，采用表3 所示的試驗參數(shù)，進(jìn)一步開展切削參數(shù)單因素試驗，對比研究超聲振動輔助加工和普通加工兩種情況下切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律。

表2 超聲振動輔助切削刀具磨損試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 超聲振動輔助切削刀具磨損試驗

2.1.1 切削力分析

表3 超聲振動輔助切削工藝試驗參數(shù)

由于進(jìn)給方向的切削力與加工表面粗糙度、加工崩邊及刀具磨損都有直接關(guān)系，因此切削力是優(yōu)選刀具的重要參考指標(biāo)。 圖4 是三種刀具在相同切削參數(shù)及超聲參數(shù)下的SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動輔助切削瞬時切削力、 平均切削力試驗結(jié)果?？梢?，對于SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的超聲振動輔助切削，PCD 銑刀的切削力最大， 而電鍍金剛石磨頭和釬焊金剛石磨頭的切削力都較小，且電鍍金剛石磨頭和釬焊金剛石磨頭的平均切削力僅為PCD 銑刀的24%以上。

2.1.2 刀具磨損分析

刀具磨損是優(yōu)選刀具的另一個重要參考指標(biāo)，圖5 是釬焊金剛石和電鍍金剛石刀具加工前后的刀具磨損對比結(jié)果。 可見，釬焊金剛石磨頭的損傷主要是磨粒磨損，且磨粒的磨損形式主要為形成磨耗平臺；而電鍍金剛石磨頭的磨損相較之下更加嚴(yán)重，發(fā)生了形成磨耗平臺、磨粒宏觀破裂、磨粒拔出等損傷。 這是由于電鍍金剛石磨頭的磨粒與鍍層基體或桿件之間僅僅通過機(jī)械鑲嵌的方式粘結(jié)在一起，粘結(jié)強(qiáng)度較低；而釬焊金剛石磨頭的磨粒、釬焊基體和桿件之間通過化學(xué)與冶金作用粘結(jié)在一起，粘結(jié)強(qiáng)度較高。 因此，在切削力相差不大的情況下，釬焊金剛石磨頭的磨粒僅發(fā)生了磨粒磨損，而電鍍金剛石磨粒會出現(xiàn)磨粒拔出現(xiàn)象；甚至在進(jìn)一步提高加工效率的過程中，電鍍金剛石磨頭的局部結(jié)合劑會從桿件上脫落，造成面積磨粒脫落的現(xiàn)象。

綜合對比三種刀具切削力大小和刀具磨損結(jié)果可看出， 釬焊金剛石磨頭是加工SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的理想刀具。

圖4 三種刀具的切削力對比

圖5 電鍍磨頭磨粒形貌變化

2.2 超聲振動輔助切削工藝試驗

在加工過程中，切削力是聯(lián)系工藝參數(shù)與加工表面質(zhì)量、加工損傷及刀具壽命的重要紐帶，切削力的大小可反映出加工質(zhì)量的好壞及加工效率的高低。 圖6 是主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及切削深度對切削力的影響規(guī)律。 可見，整體上超聲振動輔助切削相較于普通切削的切削力降低了10%~20%， 這主要是由于高頻超聲振動的引入在刀具-切屑-工件接觸界面產(chǎn)生周期性分離（即斷續(xù)切削）；同時，超聲振動具有自潤效應(yīng)， 可減小摩擦系數(shù)的作用，使刀具和工件的摩擦力大大降低，最終導(dǎo)致切削力比普通切削明顯降低。

圖6 切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律

從圖6a 可看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，切削力呈先下降后上升的趨勢， 這是由于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在3000~4000 r/min 時，轉(zhuǎn)速的增加會加大相鄰磨粒軌跡的重疊區(qū)域， 降低單顆磨粒的實際切削厚度，進(jìn)而降低切削過程中單顆磨粒的實際去除材料體積，最終導(dǎo)致切削力的降低。 但是，隨著主軸轉(zhuǎn)速的持續(xù)增加并大于4000 r/min， 切削過程產(chǎn)生的切削熱也會逐漸上升，熱量的累計會加劇金剛石磨頭磨粒的脫落，造成刀具的磨損，切削力反而上升。

從圖6b、圖6c 可看出，隨著進(jìn)給速度和切削深度的增加，切削力也逐步增加，這是由于隨進(jìn)給速度的增加，單顆磨粒的實際切削厚度增加，從而導(dǎo)致了切削力的增加。 同時，隨著切削深度的增加，參與切削的磨粒數(shù)也會增多，因此在單顆磨粒實際切削厚度不變（即單顆磨粒切削力變化不大）的情況下，增加切削深度會造成切削力的上升。

3 結(jié)論

本文進(jìn)行了SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料刀具磨損、切削參數(shù)試驗研究，分析了不同刀具的磨損、切削力大小，以及超聲振動輔助切削和普通切削條件下切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）最適合進(jìn)行SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動輔助切削的刀具是釬焊金剛石磨頭。 釬焊金剛石磨頭和電鍍金剛石磨頭的切削力均遠(yuǎn)小于PCD銑刀，且釬焊金剛石磨頭在加工過程中表現(xiàn)出比電鍍金剛石磨頭更低的刀具磨損。

（2）由于超聲振動的斷續(xù)切削和自潤效應(yīng)，超聲振動輔助切削的切削力比普通切削顯著降低，整體上超聲振動輔助切削相較于普通切削的切削力降低了10%~20%。

（3）隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，超聲振動輔助切削和普通切削力均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，而隨著進(jìn)給速度和切削深度的增加， 切削力則不斷增加。為了有效控制切削力和刀具磨損，SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動輔助切削時，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在4000 r/min 最為適宜。

本文的研究內(nèi)容只是針對切削力， 而SiCf/SiC陶瓷基復(fù)材作為典型的硬脆性材料，在加工過程中切削力、 硬脆特性和裂紋擴(kuò)展等因素的綜合作用下，極易產(chǎn)生加工損傷。 因此，基于硬脆性材料高效低加工損傷的應(yīng)用背景，SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)材的加工損傷問題也是一個重要的研究方向。 后續(xù)研究可以從加工損傷形成機(jī)理入手，建立相應(yīng)的加工損傷理論預(yù)測模型， 形成系統(tǒng)有效的加工損傷控制方法，從而實現(xiàn)高效低損傷加工。