釬焊金剛石磨粒鉆鉆削C/SiC陶瓷基復(fù)合材料孔時(shí)切屑對鉆削過程的影響＊

邵國棟，史振宇

（山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

C/SiC陶瓷基復(fù)合材料是一種高性能材料，其具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、傳熱性能好、比強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到國防工業(yè)中，特別是用在高溫?zé)g、摩擦磨損等惡劣環(huán)境中，如航空發(fā)動機(jī)、火箭的熱防護(hù)構(gòu)件、剎車系統(tǒng)等領(lǐng)域[1]。C/SiC陶瓷基復(fù)合材料還是一種難加工材料，因其具有各向異性、不均勻性、硬度高、脆性大等特點(diǎn)。為了降低加工成本并提高加工效率，傳統(tǒng)加工技術(shù)和特種加工技術(shù)都被嘗試用來加工C/SiC陶瓷基復(fù)合材料，如車削、銑削、磨削、鉆削以及激光加工、電火花加工、磨粒水射流加工等[2-3]。

鉆孔是C/SiC陶瓷基復(fù)合材料需求較多的加工工藝之一。因?yàn)楹娇蘸教旃I(yè)中的復(fù)合材料連接主要采用鉚接，需要大量的孔特征；也有一些如發(fā)動機(jī)葉片零部件等的結(jié)構(gòu)，存在大量的孔用來散熱。但孔的鉆削加工易存在加工缺陷，如產(chǎn)生材料分層、纖維拔出、微裂紋、崩邊等，影響了其應(yīng)用。同時(shí)，C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的基體是碳化硅，其硬度很高，達(dá)到了22.2 GPa。高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具均不適合加工這種材料，因而其加工刀具較難選擇，相關(guān)研究也不足，對C/SiC 復(fù)合材料孔的鉆削加工研究更少。CHEN 等[4]使用PCD 刀具鉆削加工C/SiC 復(fù)合材料，為了降低成本，金剛石刀片被焊接在硬質(zhì)合金基體上。結(jié)果表明，這種焊接式PCD 刀具改善了C/SiC 復(fù)合材料的加工質(zhì)量，但仍然存在分層、崩邊等缺陷。ZOU 等[5]也采用這種焊接式PCD 刀具鉆削加工C/SiC 復(fù)合材料，與文獻(xiàn)[4]不同的是，其主要研究了刀具的前角和錐度角對C/SiC 復(fù)合材料加工性能的影響規(guī)律。

目前，由于刀具成本的限制，還沒有采用整體式PCD 刀具鉆削C/SiC 復(fù)合材料的研究。除了焊接式PCD 刀具外，釬焊金剛石磨粒鉆同樣可以成功鉆削C/SiC 復(fù)合材料。磨粒鉆的制備過程是使用釬焊工藝將金剛石磨粒焊接在硬質(zhì)合金棒料上，其實(shí)際加工過程類似磨削，可以取得較好的工件加工質(zhì)量，且刀具成本相對較低，因此得到了廣泛的關(guān)注和研究[6-7]。XING等[8-9]采用釬焊金剛石磨粒鉆鉆削加工C/SiC 復(fù)合材料，結(jié)果表明：采用高速、低進(jìn)給的加工參數(shù)，可以顯著降低孔出口的分層缺陷，從而改善其加工質(zhì)量。WANG等[10]采用釬焊金剛石磨粒鉆結(jié)合旋轉(zhuǎn)超聲波輔助工藝，鉆削加工C/SiC 復(fù)合材料，結(jié)果表明鉆削過程產(chǎn)生的切削力顯著降低。后來，WANG 等[11]把釬焊金剛石磨粒鉆的結(jié)構(gòu)改變?yōu)殡A梯狀，同樣獲得了良好的加工效果。

因此，釬焊金剛石磨粒鉆可提高C/SiC 復(fù)合材料的加工質(zhì)量，降低刀具成本，比較適合鉆削加工C/SiC陶瓷基復(fù)合材料。但使用釬焊金剛石磨粒鉆會產(chǎn)生大量切屑，且切屑排出較困難，將會對C/SiC 材料的加工過程產(chǎn)生不利影響。而且，對切屑排出不暢帶來的一系列問題的相關(guān)研究較少?；诖耍捎免F焊金剛石磨粒鉆鉆削加工C/SiC陶瓷基復(fù)合材料，分析其切屑排出過程并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究切屑對鉆削加工時(shí)的鉆削力、孔加工質(zhì)量、鉆頭磨損等產(chǎn)生的影響。

1 切屑的排出過程

圖1 為麻花鉆及釬焊金剛石磨粒鉆鉆削加工時(shí)切屑的產(chǎn)生及運(yùn)動路線。如圖1所示：釬焊金剛石磨粒鉆鉆削工件過程中，其切屑的排出和麻花鉆的并不相同。在麻花鉆鉆削加工中，切屑產(chǎn)生于刀具的前刀面，并順著排屑槽螺旋式上升，直至被排出孔外（圖1a）。而釬焊金剛石磨粒鉆鉆削加工時(shí)，切屑產(chǎn)生于刀具端面磨粒的下方，通過擠壓的方式被擠出孔外（圖1b）。

根據(jù)LAWN 等[12-13]的研究，釬焊金剛石磨粒鉆在鉆削工件材料時(shí)，在金剛石磨粒的壓迫下，工件材料表面產(chǎn)生橫向裂紋和中心裂紋；隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，金剛石磨?？虅澒ぜ牧媳砻?，其橫向裂紋相互貫通，切屑產(chǎn)生。初步產(chǎn)生的切屑會暫時(shí)存放在金剛石磨粒的間隙內(nèi)，隨著鉆削過程的持續(xù)，切屑在磨粒間隙內(nèi)堆積越來越多，以至于很快達(dá)到容納上限。此時(shí)，源源不斷產(chǎn)生的新切屑將擠壓間隙內(nèi)的舊切屑，迫使舊切屑從孔口排出，如圖1c、圖1d所示：首先，切屑會被逐漸擠壓到刀具端面的邊緣。理論上，在切屑逐漸轉(zhuǎn)移到刀具端面邊緣的過程中，切屑需要穿過多個(gè)磨粒間隙，尋找一條最低的能量路線；然后，到達(dá)刀具端面邊緣的切屑將繼續(xù)沿著刀具側(cè)面向上前進(jìn)；最終，切屑從孔中排出，完成其排出過程。

圖1 麻花鉆及釬焊金剛石磨粒鉆鉆削加工時(shí)切屑的產(chǎn)生及運(yùn)動路線Fig.1 Generation and movement path of chips during drilling with twist drill and brazed diamond abrasive drill

2 鉆削實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)計(jì)及過程

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

工件材料是2.5D C/SiC陶瓷基復(fù)合材料，碳纖維體積分?jǐn)?shù)是35%，其直徑為5.000 μm，工件的長×寬×高是100 mm×20 mm×7 mm。圖2 展示了工件材料的SEM 形貌和EDX 分析圖。在圖2a 中可以看到：C 纖維層是上下層疊結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)可提高工件的斷裂韌性；在圖2a 中間有一條豎直方向上下貫通的分界線，這是材料制備過程中特意設(shè)計(jì)的針刺結(jié)構(gòu)，目的是增強(qiáng)纖維層間的結(jié)合強(qiáng)度。圖2b 和圖2c 的EDX 分析中，紫色區(qū)域代表C 元素的分布，黃色區(qū)域代表Si 元素的分布。通過比較圖2a、圖2b 和圖2c 發(fā)現(xiàn)：圖2a 中的黑色區(qū)域與圖2b 中的C 相保持一致，圖2a 中的灰色區(qū)域則與圖2c 中的Si 相保持一致。

圖2 C/SiC 的SEM 形貌和EDX 分析圖Fig.2 SEM morphology and EDX analysis of C/SiC

圖3 為工件材料的XRD 分析圖。圖3 的結(jié)果表明，材料中含有較大量的SiC 和C 以及少量的Si。工件材料的力學(xué)性能和物理性能展示在表1 中。

圖3 C/SiC陶瓷基復(fù)合材料的XRD 分析Fig.3 XRD analysis of C/SiC ceramic matrix composite

表1 C/SiC 的力學(xué)和物理性能參數(shù)Tab.1 Mechanical and physical properties of C/SiC

2.2 鉆頭形貌

在實(shí)驗(yàn)中使用釬焊金剛石磨粒鉆，其外部直徑為6 mm，內(nèi)部直徑為3 mm，鉆頭上的金剛石磨?；绢w粒尺寸為233 μm，鉆頭形貌如圖4所示。根據(jù)圖4的鉆頭形貌可知，釬焊金剛石磨粒鉆的材料去除方式類似于磨削[14]。

圖4 鉆頭形貌Fig.4 Drill morphology

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

排屑問題是鉆削加工過程中普遍存在的問題。相比于傳統(tǒng)的麻花鉆，釬焊金剛石磨粒鉆的排屑問題更加突出。為了掌握釬焊金剛石磨粒鉆鉆削過程中的切屑對鉆削力、孔加工質(zhì)量、刀具磨損的影響，設(shè)計(jì)如圖5所示的一組特殊鉆削實(shí)驗(yàn)，以求盡可能突出切屑對鉆削過程帶來的影響。圖5 的鉆削條件是干鉆削，選擇的鉆削參數(shù)為：進(jìn)給速度為10 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為1 592 r/min。圖5 的鉆削參數(shù)的選擇依據(jù)來自文獻(xiàn)[5]和[8]。其中，采用較小主軸轉(zhuǎn)速的原因，是想盡可能地避免鉆削溫度對加工質(zhì)量、刀具磨損的影響。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Fig.5 Experimental design

如圖5a所示：鉆頭鉆削1/2 孔時(shí)，切屑產(chǎn)生之后，首先存放在磨粒與磨粒的間隙中，隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)切屑轉(zhuǎn)移到右邊的半孔，由于其受到重力作用而從磨粒的間隙之間掉落。因此，鉆頭鉆削1/2 孔時(shí)切屑非常容易排出。從物理角度看，切屑幾乎不會對鉆頭和工件產(chǎn)生力的作用；從化學(xué)角度看，由于選用了相對較小的鉆削參數(shù)，加工過程產(chǎn)熱較慢，產(chǎn)生的鉆削溫度較低，因而可忽略切屑帶來的熱應(yīng)力及其他化學(xué)變化。所以，鉆削1/2 孔時(shí)切屑對加工過程的影響極小，可以忽略切屑的存在，故假設(shè)鉆削1/2 孔時(shí)無切屑。

如圖5b所示：結(jié)合圖1 提出的排屑過程，全孔加工中產(chǎn)生的切屑，將按照正常的排屑路徑從孔的上端排出，此時(shí)切屑對鉆削過程產(chǎn)生影響。

因此，以鉆削加工1/2 孔為對照組，以鉆削加工全孔為實(shí)驗(yàn)組，研究切屑對鉆削力、孔加工質(zhì)量、刀具磨損的影響。在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，將對照組的鉆削力乘以2，再與實(shí)驗(yàn)組的鉆削力比較。對比分析孔加工質(zhì)量時(shí)，選用對照組鉆削2 個(gè)1/2 孔后的形貌，實(shí)驗(yàn)組鉆削1 個(gè)全孔后的形貌。對比分析刀具磨損時(shí)，選用對照組鉆削10 個(gè)1/2 孔后的刀具形貌，實(shí)驗(yàn)組鉆削5 個(gè)全孔后的刀具形貌。

2.4 實(shí)驗(yàn)及檢測設(shè)備

鉆削實(shí)驗(yàn)使用Daewoo ACE?V500 數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，機(jī)床的最大轉(zhuǎn)速是10 000 r/min。實(shí)驗(yàn)分為2 組：一組是對照組，另一組是實(shí)驗(yàn)組。對照組鉆削次數(shù)為10 次，實(shí)驗(yàn)組鉆削次數(shù)為5 次。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，最后結(jié)果取平均值。

在實(shí)驗(yàn)前，為了更清楚地觀察孔的表面損傷，對工件表面拋光，使其表面粗糙度小于1 μm，然后將工件放入超聲波清洗器中，用無水乙醇清洗30 min 并干燥。使用Kistler 9257B 測力儀測量實(shí)驗(yàn)過程中的鉆削力；切屑的微觀形貌使用6610 LV 掃描電鏡進(jìn)行觀察；孔進(jìn)口和出口的損傷形貌使用VHX?600E 大景深顯微鏡進(jìn)行觀察；刀具的磨損形貌使用6610 LV 掃描電鏡進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果和分析

3.1 切屑的形貌和尺寸

圖6 展示了對照組和實(shí)驗(yàn)組的切屑形貌。比較圖6發(fā)現(xiàn)，切屑主要包括2 種類型，即顆粒狀和圓柱狀切屑。碳化硅是一種典型的硬脆材料，當(dāng)用金剛石磨粒鉆鉆削工件時(shí)，其會出現(xiàn)橫向裂紋和中心裂紋；隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)，鉆頭上的金剛石磨粒在工件表面刻劃，最終導(dǎo)致其橫向裂紋貫通，使碳化硅以顆粒狀剝落下來（圖6a和圖6c），這和文獻(xiàn)[12-13]的理論是一致的。而對于圖6b 和圖6d 的圓柱狀切屑，其輪廓十分規(guī)整，且圓柱的直徑為4.385 μm，和制備工件材料使用的碳纖維直徑5.000 μm 基本保持一致，可以確定圓柱狀的切屑為碳纖維。

圖6 切屑的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of chips

進(jìn)一步比較圖6a 和圖6c 發(fā)現(xiàn)：對照組的大多數(shù)顆粒狀切屑的長度在7.000 μm 左右，顆粒形狀為不規(guī)則的多邊形，且能觀察到比較尖銳的棱角；實(shí)驗(yàn)組的大多數(shù)顆粒狀切屑的長度在1.500～4.000 μm，且顆粒的形狀較圓滑。之所以出現(xiàn)切屑尺寸及形貌的差異，是因?yàn)閷φ战M加工過程中，切屑隨著刀具旋轉(zhuǎn)，由于自身重力的作用，自然下落脫離了刀具（圖5a），并沒有參與后續(xù)的鉆削過程。這意味著，對照組產(chǎn)生的切屑保留了原始的面貌。而實(shí)驗(yàn)組則不然，實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)生的切屑只能從孔上方排出，切屑將從磨粒之間穿過。當(dāng)切屑從磨粒之間穿過時(shí)，將會受到擠壓、碰撞、摩擦等，從而使切屑的棱角被磨掉，形狀變得圓滑，長度也相應(yīng)減小。

觀察圖6b 和圖6d 的圓柱狀切屑同樣發(fā)現(xiàn)：對照組的切屑長度為18.572 μm，而實(shí)驗(yàn)組的切屑長度為13.118 μm 和13.930 μm。因此，實(shí)驗(yàn)組的圓柱狀切屑經(jīng)過擠壓、碰撞等過程，其長度同樣存在減小現(xiàn)象。

3.2 切屑對鉆削力的影響

由文獻(xiàn)[15]可知：鉆削復(fù)合材料孔時(shí)，孔的加工質(zhì)量主要與軸向鉆削力相關(guān)。另外，實(shí)驗(yàn)顯示徑向方向的鉆削力非常小，可以忽略不計(jì)。所以，僅需考慮鉆削過程中的軸向鉆削力。將Kistler 9257B 測力儀獲得的軸向鉆削力數(shù)據(jù)導(dǎo)入ORIGIN 軟件，繪制出對照組和實(shí)驗(yàn)組的鉆削力圖7。其中，曲線1 和曲線3 分別表示對照組和實(shí)驗(yàn)組的軸向鉆削力，曲線2 是將曲線1 上的所有數(shù)據(jù)放大2 倍后得到的。

由圖7 可以發(fā)現(xiàn)：每條曲線都存在一定程度的波動，這是一種正?，F(xiàn)象。其原因是工件材料是一種具有各向異性的復(fù)合材料，由C 纖維和SiC 基體層交疊形成，并且材料中還存在針刺結(jié)構(gòu)和少量的氣孔，鉆頭在不同時(shí)刻鉆削的工件材料是不同的，材料的各向異性必然導(dǎo)致鉆削力波動。從理論角度考慮，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)組加工區(qū)域的面積是對照組的2 倍，所以實(shí)驗(yàn)組的鉆削力應(yīng)該為對照組鉆削力的2 倍，即曲線3 和曲線2 的變化趨勢應(yīng)該基本吻合。但實(shí)際上，圖7 中的2 條曲線差別非常明顯。

如圖7所示：在3 條曲線的A1?B1，A2?B2 和A3?B3 階段，鉆頭開始加工工件，鉆削力逐漸增加，且分別在B1，B2，B3 點(diǎn)達(dá)到峰值，這種現(xiàn)象和文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)論是一致的。這是由于鉆頭剛開始加工工件時(shí)，工件產(chǎn)生了輕微的彎曲變形，從而引起進(jìn)給量的瞬時(shí)變化，使切削力迅速上升；在B1?C1，B2?C2 和B3?C3階段，鉆頭的切削刃完全鉆入工件，與工件形成穩(wěn)定的接觸面，鉆削力進(jìn)入相對穩(wěn)定的階段。同時(shí)，B1?C1 和B2?C2 段曲線在一定的范圍上下波動，呈現(xiàn)出一定程度的穩(wěn)定性，這是因?yàn)閷φ战M中的切屑能及時(shí)排出，沒有對后續(xù)的鉆削過程產(chǎn)生影響。但B3?C3 段曲線則不同，隨著鉆削時(shí)間延長、鉆削深度增加，鉆削力呈現(xiàn)出逐漸增大的現(xiàn)象。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)組中的切屑排出路徑要依次經(jīng)過鉆頭的端面磨粒間隙和側(cè)面磨粒間隙，隨著鉆削深度增加，切屑需要走過的路徑延長，消耗的能量也增加，所以需要更大的鉆削力；在C1?D1，C2?D2和C3?D3 階段，鉆削過程進(jìn)入尾聲，鉆頭貫穿整個(gè)工件，鉆削力降為0，鉆削過程結(jié)束。比較C2 和C3 點(diǎn)的峰值可以發(fā)現(xiàn)，C3 點(diǎn)的鉆削力達(dá)到了300 N，而此時(shí)C2 點(diǎn)的鉆削力僅為100 N。這表明鉆削C/SiC 復(fù)合材料深孔時(shí)，切屑對鉆削力的影響較大。

3.3 切屑對孔加工質(zhì)量的影響

圖8 為孔進(jìn)口形貌。從圖8a 可以看出：對照組的孔進(jìn)口形貌基本完好，僅僅在孔進(jìn)口的周邊觀察到輕微的崩邊現(xiàn)象。由圖8b 發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)組的孔進(jìn)口形貌同樣保持完好，僅出現(xiàn)輕微的崩邊現(xiàn)象，與XING 等[8]的研究結(jié)果一致。這表明，切屑不會對孔進(jìn)口形貌產(chǎn)生顯著影響。

圖9 展示了對照組和實(shí)驗(yàn)組的孔出口形貌。比較圖9a 和圖9b 可以看出：對照組的孔出口形貌較規(guī)則和順滑，實(shí)驗(yàn)組的孔出口形貌損傷程度比對照組的嚴(yán)重得多。在圖9a 的右下局部放大圖中，可以觀察到基體沒有大面積的剝落，也沒有形成分層缺陷，只僅僅在孔的邊緣形成了少量的崩邊和纖維斷裂現(xiàn)象。在圖9b 的左上局部放大圖中，可以看到在孔的邊緣區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的纖維斷裂、撕裂缺陷以及基體大區(qū)域脫落現(xiàn)象。這表明切屑對孔出口的形貌有顯著影響。這是因?yàn)榍行嫉拇嬖谠龃罅溯S向鉆削力（圖7），根據(jù)CHENG等[16]研究，軸向鉆削力的增大將導(dǎo)致嚴(yán)重的孔出口損傷。

圖9 孔出口形貌Fig.9 Morphology of hole outlet

3.4 切屑對鉆頭磨損的影響

通過觀察鉆頭的SEM 形貌，定性分析切屑對鉆頭磨損的影響。圖10、圖11 展示了對照組和實(shí)驗(yàn)組鉆削實(shí)驗(yàn)之后的鉆頭形貌。由圖10 和圖11 可知：對照組的鉆頭磨損主要為斷裂（圖10b）、微裂紋（圖10c）、崩刃（圖10d）；實(shí)驗(yàn)組的鉆頭磨損不僅出現(xiàn)了崩刃、微裂紋、斷裂，還出現(xiàn)了磨粒剝落（圖11b）、基體剝落（圖11d）等嚴(yán)重磨損行為。這表明切屑對鉆頭磨損有顯著影響。

圖10 對照組鉆削10 個(gè)1/2 孔后的鉆頭形貌Fig.10 Drill morphology after drilling 10 1/2 holes in the control group

圖11 實(shí)驗(yàn)組鉆削5 個(gè)全孔后的鉆頭形貌Fig.11 Drill morphology after drilling 5 full holes in the experimental group

根據(jù)圖1 的切屑排出過程，切屑在排出時(shí)，必須要通過磨粒之間的間隙。在這一過程中，切屑會連續(xù)沖擊、摩擦、刻劃金剛石顆粒，從而導(dǎo)致釬焊金剛石磨粒鉆的快速磨損。另外，切屑的存在將增大軸向鉆削力（圖7）。在更大軸向鉆削力的壓迫下，切屑與金剛石磨粒的沖擊、摩擦、刻劃會更嚴(yán)重，金剛石磨粒的磨損將進(jìn)一步加快。

4 結(jié)論

采用釬焊金剛石磨粒鉆鉆削C/SiC陶瓷基復(fù)合材料，分析了切屑排出過程及切屑形貌，研究了切屑對鉆削時(shí)的軸向鉆削力、孔加工質(zhì)量、鉆頭磨損的影響。得出如下結(jié)論：

（1）釬焊金剛石磨粒鉆鉆削C/SiC陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，切屑的排出方式與麻花鉆的排屑方式不同。其切屑產(chǎn)生于端面磨粒下方，散布在金剛石磨粒間隙內(nèi)，最終以擠壓方式被擠出孔外。切屑的排出路徑，首先經(jīng)過端面磨粒的間隙，然后通過側(cè)面磨粒的間隙，直至切屑排出孔外。

（2）切屑的形貌主要有顆粒狀和圓柱狀2 類。切屑在排出過程中，將會經(jīng)歷擠壓、碰撞、摩擦、刻劃等過程。在這一過程中，切屑將變得圓滑，切屑的尺寸也會相應(yīng)減小。

（3）切屑對軸向鉆削力有影響。隨著鉆削深度增加，切屑的排出更加困難，軸向鉆削力會相應(yīng)增大。鉆削深孔時(shí)，切屑對軸向鉆削力的影響顯著。

（4）切屑對孔進(jìn)口加工質(zhì)量幾乎沒有影響，對照組和實(shí)驗(yàn)組均表現(xiàn)為輕微崩邊。切屑對孔出口的加工質(zhì)量影響顯著，切屑的存在造成了嚴(yán)重的纖維斷裂、撕裂缺陷以及基體大區(qū)域脫落現(xiàn)象。

（5）切屑對鉆頭磨損有顯著影響。切屑的存在加劇了鉆頭磨損，鉆頭在出現(xiàn)崩刃、微裂紋等磨損的同時(shí)，還出現(xiàn)了基體剝落、金剛石剝落等嚴(yán)重磨損行為。