金剛石工具加工SiO_2f/SiO₂復(fù)合材料的可行性研究

高航 李睿祺 許啟灝 蘭寶華

關(guān)鍵詞 SiO2f/SiO2；切削力；表面粗糙度；表面質(zhì)量

中圖分類號 TG58；TG71；TB332；TQ164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0075-07

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1214

收稿日期 2021-12-14 修回日期 2022-03-28

石英纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（SiO_2f/SiO₂）具有優(yōu)異的高強(qiáng)耐沖蝕、透波、隔熱阻燃等性能，是制造高速飛行器用天線罩等殼體零件的最佳選擇[1]。然而，其高硬度、高脆性和低導(dǎo)熱性等特點(diǎn)也給其加工帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。采用硬質(zhì)合金刀具加工SiO_2f/SiO₂時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，加工后表面質(zhì)量差，需要頻繁更換刀具；采用金剛石磨削方式效率較低，且容易產(chǎn)生磨削燒傷。這是由于SiO_2f/SiO₂ 的多相結(jié)構(gòu)、內(nèi)部氣孔缺陷導(dǎo)致切削工況惡劣和損傷擴(kuò)展復(fù)雜，使加工后的表面質(zhì)量差，且加工表面易產(chǎn)生熱損傷；而選擇過低的切深等又對加工效率帶來負(fù)面影響。如何實(shí)現(xiàn)對該材料的高效、高質(zhì)、低損傷加工，成為實(shí)際加工過程中亟待解決的問題[2]。

針對SiO_2f/SiO₂難加工問題，國內(nèi)外圍繞其典型損傷及成因開展了較多的研究。王玉果等[3] 通過仿真分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)石英纖維復(fù)合材料加工過程中在不同的纖維切削角度會產(chǎn)生不同的表面及亞表面缺陷， 如纖維拔出、基體破碎以及界面脫黏等。ABRAO等[4] 通過4 種刀具進(jìn)行對比試驗(yàn)，研究了在加工石英纖維復(fù)合材料時(shí)刀具幾何形狀對軸向力和損傷的影響，發(fā)現(xiàn)刀具的多刃切削作用對材料加工時(shí)的損傷具有抑制的效果，但有時(shí)對切削力的影響不明顯。然而，圍繞具體多刃刀具結(jié)構(gòu)的研究還有待深入，超硬多刃刀具和新型磨削工具在多刃去除效果上的差異仍需要進(jìn)一步討論[5]。

為探索SiO_2f/SiO₂的可加工性，結(jié)合工程需求，在闡述微刃切削原理基礎(chǔ)上，應(yīng)用研制的整體多刃PCD銑刀和電鍍金剛石磨頭，開展金剛石工具加工SiO_2f/SiO₂復(fù)合材料的可行性研究，以期獲得可行的加工工藝規(guī)范。

1 試驗(yàn)條件

1.1 工件材料

圖1 為SiO_2f/SiO₂ 試驗(yàn)材料及其微觀特征。如圖1所示，試驗(yàn)材料為從某零件上取下的三向SiO_2f/SiO₂試驗(yàn)塊，該材料以二氧化硅為基體相，石英纖維編織物為增強(qiáng)相，在超景深顯微鏡下觀測可發(fā)現(xiàn)其有橫向和縱向2 種方向的纖維。

1.3 加工刀具

試驗(yàn)選擇新研制的整體多刃PCD 銑刀和電鍍金剛石磨頭2 種刀具，如圖3 所示，刀具直徑均為8 mm。其中：整體多刃PCD 刀具材料為聚晶金剛石，采用階梯刀型，切削刃整體焊在刀桿上，刀齒齒數(shù)為36；電鍍金剛石磨頭是在空心的金屬圓棒端面和周面電鍍金剛石磨粒，基體為45 鋼，磨?；绢w粒尺寸約為120 μm。

1.4 試驗(yàn)參數(shù)

加工方式為干式切削，試驗(yàn)的加工條件和對應(yīng)的加工參數(shù)如表1 所示。

2 微刃切削原理

Stephen 等[6] 在對切削幾何學(xué)的研究中，把砂輪的切削過程比作銑刀加工過程，而把其切削刃看作銑刀刀齒，切削刃沿砂輪圓周方向以間隔L 均勻排列。

圖5為微刃切削和普通切削示意圖，且圖5a 為微刃切削，對應(yīng)金剛石磨頭，圖5b 為普通切削，對應(yīng)整體多刃PCD 刀具。從圖5 可以看出：使用金剛石磨頭加工材料時(shí)，在1 個(gè)切削周期內(nèi)，相比于使用整體多刃PCD 刀具，每個(gè)磨粒的切削深度較小，降低了切削刃和材料的接觸長度，使其切削力較小[7]。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 切削力

切削力對機(jī)械加工中的材料去除、表面質(zhì)量、切削區(qū)溫度、切削熱、刀具磨損等都具有較大影響。

圖6 為主軸轉(zhuǎn)速對切削力的影響。從圖6 中可以看出：主軸轉(zhuǎn)速增加，2 種刀具的切削力均下降，但變化幅度較小，這是因?yàn)殡S主軸轉(zhuǎn)速增加，單齒切削厚度減小。進(jìn)給速度和切削深度會對切削層的幾何形狀產(chǎn)生影響，因此對切削力影響較大[8]。圖7 為進(jìn)給速度對切削力的影響。從圖7 中可以看出：進(jìn)給速度增加， 2種刀具的切削力均逐漸上升，當(dāng)進(jìn)給速度大于60 mm/min時(shí)，切削力陡增。在進(jìn)給速度為20 mm/min 時(shí)， 2 種刀具的切削力基本相等。圖8 為切削深度對切削力的影響。從圖8 中可以看出：隨著切削深度的增加，2 種刀具的切削力逐步上升。切削深度為0.1 mm 時(shí)， 2 種刀具的切削力差距不大。在切削深度大于0.1 mm時(shí)，金剛石磨頭的切削力低于整體多刃PCD 刀具的切削力?？傮w而言，金剛石磨頭加工SiO_2f/SiO₂時(shí)的切削力略低于整體多刃PCD 刀具的。

3.2 加工表面微觀形貌

圖9 為2 種刀具加工SiO_2f/SiO₂后，被加工表面放大后的掃描電鏡照片。圖9a、圖9b 分別為2 種刀具加工后的橫向纖維束的表面形貌對比，可以看出2 種刀具加工后的橫向纖維束均出現(xiàn)層狀脆斷剝落的特征。這是由于纖維受到切削刃的不斷擠壓發(fā)生類似懸臂梁的彎曲變形，當(dāng)纖維的彎曲應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，纖維斷裂，纖維束逐層去除。從圖9b 中可以看出：由于切削力較大，PCD 刀具加工后橫向纖維束附近還存在著基體開裂損傷；放大后，可以發(fā)現(xiàn)裂紋沿不同方向擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至一定程度后，還可能出現(xiàn)纖維束和基體完全脫黏的情況[3]。

圖9c、圖9d 分別為2 種刀具加工后的縱向纖維束的表面形貌對比，工件表面縱向纖維大多數(shù)受剪切作用去除，且其剪切強(qiáng)度較低，因此大部分纖維都被剪斷，但也有部分纖維被拔出。相比于PCD 刀具加工后的表面，金剛石磨頭加工后的表面較平整，而PCD 刀具加工后的表面存在較明顯的凹坑缺陷。這是由于多刃PCD刀具的切削力較大，在切削過程中存在著比較大的沖擊作用，會使基體破碎，產(chǎn)生凹坑。

3.3 表面粗糙度

表面粗糙度是影響機(jī)械零件的配合性能、表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素[6]。由于SiO_2f/SiO₂各向異性的特點(diǎn)，磨削后的表面質(zhì)量不能再使用表面粗糙度Ra 為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)镽a 只能反映1 個(gè)或幾個(gè)方向的輪廓數(shù)值分布，而三維表面粗糙度則是在整個(gè)測量區(qū)內(nèi)進(jìn)行采點(diǎn)取樣，更能反映復(fù)合材料的表面形貌[9]。

圖10 和圖11 為SiO_2f/SiO₂ 經(jīng)不同刀具加工后，表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的變化規(guī)律。在主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)2 種刀具的粗糙度相差不大，隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，表面粗糙度減小，金剛石磨頭加工后工件表面的粗糙度略低于整體多刃PCD 刀具的粗糙度。如圖11 所示：隨著進(jìn)給速度的增加，表面粗糙度增加，尤其當(dāng)進(jìn)給速度為80 mm/min 時(shí)，表面粗糙度陡增，這是由于在進(jìn)給速度較大時(shí)，材料加工后表面存在著大量的以纖維層狀脆斷剝落和纖維拔出的損傷。整體而言，使用金剛石磨頭加工后工件表面的表面粗糙度較好，這也和前述表面微觀形貌的觀測結(jié)果一致。

同時(shí)，材料表面粗糙度的波動較大，這是由于該材料本身為各向異性的復(fù)合材料，具有非均質(zhì)、非致密和結(jié)構(gòu)單元多等特征。圖12 為材料自身孔隙對表面粗糙度的影響，如圖12 所示：已加工表面出現(xiàn)新的孔隙，因此對表面粗糙度的評價(jià)也會造成影響。實(shí)際工程應(yīng)用中，可以選擇再次沉積基體，再進(jìn)行多次交替加工提高材料表面質(zhì)量[10]。

3.4 刀具磨損

使用整體多刃PCD 刀具和金剛石磨頭加工SiO_2f/SiO₂后，使用SEM 拍攝2 種刀具的磨損。

在切削復(fù)合材料時(shí)，后刀面磨損是主要的磨損形式[11]。PCD 刀具后刀面原始形貌如圖13 所示。加工后刀面會與已加工表面接觸，且相互擠壓摩擦，使用整體多刃PCD 刀具切削SiO_2f/SiO₂后刀具的后刀面形貌如圖14 所示。從圖14 可以看出， PCD 刀具的后刀面出現(xiàn)了切削刃崩刃[12]。

金剛石磨頭是砂輪的形式之一，常見的磨損類型為磨粒磨損、破碎和磨粒脫落3 種。圖15 為金剛石磨頭的原始形貌。磨頭在加工過程中與工件發(fā)生摩擦、鈍化，最終發(fā)生如圖16 所示的部分磨粒脫落和如圖17所示的少量磨粒崩碎[13]。

4 結(jié)論

（1） 采用基于微刃切削原理設(shè)計(jì)的整體多刃PCD 刀具和電鍍金剛石磨頭均能用于SiO_2f/SiO₂復(fù)合材料的加工，但是二者在加工效率、切削力和加工表面質(zhì)量方面存在一定的差異。在相同加工工藝參數(shù)條件下，電鍍金剛石磨頭加工SiO_2f/SiO₂時(shí)的切削力較低、表面粗糙度較低；

（2）觀察2 種刀具加工后工件表面微觀形貌，金剛石磨頭加工后的表面質(zhì)量較好，而整體多刃PCD 刀具加工后的表面存在基體開裂、界面脫黏和凹坑等表面缺陷，這是材料特性以及材料本身存在孔隙等缺陷，使加工表面形貌和質(zhì)量波動較大。

（3）2 種刀具在加工SiO_2f/SiO₂后都出現(xiàn)了磨損，整體多刃PCD刀具的磨損形式為切削刃崩刃，金剛石磨頭的磨損形式為部分磨粒脫落和少量磨粒崩碎。