SiCf /SiC陶瓷基复合材料超声振动铣削试验研究 *

2021-11-07杨卓勇刘秀梅刘智武周峰中国航发西航熊一峰汪文虎西北工业大学

航空动力 2021年5期

■ 杨卓勇刘秀梅刘智武周峰 / 中国航发西航熊一峰汪文虎 / 西北工业大学

目前，陶瓷基复合材料（特别是SiCf/SiC陶瓷基复合材料）的高效高质量切削加工仍是制约其快速工程化应用的瓶颈问题，需要全面深入展开相关研究。

陶瓷基复合材料（CMC）由陶瓷纤维和陶瓷基体组成，具有密度低、硬度高、热稳定性能优异及化学耐受性强等特点，其密度为高温合金的1/3，强度为其2倍，能够在1000～1500℃（比高温合金高出200～240℃）高温环境中长时间工作，是替代高温合金发动机热端结构材料的首选[1,2]。SiCf/SiC陶瓷基复合材料的基体材料及增强相材料硬度高、抗磨损，使得材料的加工面临着刀具磨损严重、切削力大、加工质量难以满足要求等问题，甚至难以进行加工[3]。超声振动辅助加工技术是在传统机械加工工艺基础上，对刀具或工件施加高频率、微米级振幅的超声振动，缩短刀具与工件的接触时间、减小刀具与工件的摩擦力，获得更好加工性能的方法。作为决定该技术是否可以应用于SiCf/SiC陶瓷基复合材料的关键性因素之一，刀具的选取至关重要。通过开展超声振动辅助铣削试验研究，对比分析超声振动辅助铣削SiCf/SiC陶瓷基复合材料过程中聚晶金刚石（PCD）复合片刀具、钎焊金刚石刀具和电镀金刚石刀具的加工表面质量、刀具寿命及刀具磨损形式，确定适合加工SiCf/SiC陶瓷基复合材料的刀具，并进一步分析切削参数对铣削力的影响规律，理解刀具磨损机理，为后续进一步开展SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助加工研究提供参考。

超声振动铣削试验

试验材料及加工刀具

试验样件材料为化学气相渗透（CVI）工艺制备的 SiCf/ SiC陶瓷基复合材料，试验样件尺寸为80mm×45mm×3.8mm，其主要性能参数见表1。试验分别采用PCD刀具、50目钎焊金刚石刀具和100目电镀金刚石刀具，刀具直径均为6mm，刀长54mm（PCD刀具如图1所示）。

图1 PCD刀具几何结构及端面磨粒结构示意

表1 SiCf /SiC陶瓷基复合材料性能参数

试验方案及数据测量

首先开展3种刀具铣削对比试验，刀具对比试验加工参数见表2，综合考察刀具的材料去除体积、加工表面质量及主要磨损形式，优选出适用于加工SiCf/SiC陶瓷基复合材料的刀具。然后基于优选的刀具开展单因素试验（单因素试验加工参数详见表3），研究加工参数对切削力的影响规律，揭示刀具磨损机理。

表2 刀具对比试验加工参数

表3 单因素试验加工参数

试验结果分析

加工表面粗糙度

对比3种刀具的加工表面粗糙度（如图2所示）：PCD刀具加工表面粗糙度值最小，加工表面质量最好；对比钎焊金刚石刀具及电镀金刚石刀具加工表面粗糙度可以看出，刀具磨粒目数越大、磨粒个数越多，参与到加工过程中的磨粒也相应增多，加工表面粗糙度值也随之降低，表面质量会相对更好。同时，分析试验过程中测量数据的误差棒，可以看出PCD刀具加工表面粗糙度值的测量数据误差棒最小，表明加工表面粗糙度值差异不大、测量数据稳定性高，加工表面质量高。

图2 3种刀具加工表面粗糙度

刀具寿命

以材料去除体积表征刀具寿命，对比3种刀具采用相同加工参数，加工至刀具磨损失效时的试验结果（如图3所示）。在相同加工参数条件下，100目电镀金刚石磨头去除材料体积为192mm3，50目钎焊金刚石磨头去除材料体积为810mm3，PCD刀具去除材料体积为9720mm3，3种刀具寿命比为50.6∶4.2∶1。分析试验结果可知，PCD刀具磨损小，刀具寿命长，电镀金刚石磨头磨损严重，刀具寿命短。综合分析，100目电镀金刚石磨头不适合加工SiCf/SiC陶瓷基复合材料，PCD刀具及50目钎焊金刚石刀具可用于SiCf/SiC陶瓷基复合材料的加工。

图3 刀具去除材料体积

刀具磨损

根据刀具磨损形貌的扫描电镜（SEM）图可以看出，金刚石磨粒表面布满了破裂断面，磨粒棱边及型面发生了严重的磨料磨损（如图4所示）。这是由于电镀磨粒与刀具基体间结合强度不高，在超声振动铣削过程中，磨粒在磨料磨损的同时，容易从刀具端面上剥落下来，使得参与加工的磨粒数目减小，铣削力增大，刀具磨损加剧，在去除材料192mm3后，刀具端面被彻底磨平失效。

图4 3种刀具磨损形貌SEM图

钎焊金刚石磨头磨损主要为磨粒的磨料磨损，未发现磨粒的剥落。深入分析磨粒磨损形式，磨粒表面有明显的硬质材料滑刻磨损痕迹及破裂断面，表明金刚石磨粒在去除相同硬度的SiCf/SiC陶瓷基复合材料时，磨粒主要被硬质材料在表面进行磨料磨损，在高频超声振动冲击下，部分磨粒会被冲碎型面产生破裂断面。磨粒四周黏结剂亦被磨损说明，磨粒发生了严重的磨料磨损，磨粒凸起参与材料去除过程的部分已经被磨平。然而，由于钎焊黏结强度相对电镀要高，钎焊金刚石磨粒不易被剥离出刀具基体形成磨粒的剥落。

PCD刀具锥刺型的磨粒主要磨损形式为磨粒的磨料磨损及磨粒破裂。由于PCD刀具材质及SiCf/SiC陶瓷基复合材料硬度差异不大，在加工中刀具与去除材料相互磨损，极易造成PCD刀具磨粒的磨料磨损。同时，由于PCD及SiC陶瓷均属于脆性材质，在高频超声冲击下，磨粒容易发生破裂崩裂。然而，从SEM图可以看出PCD刀具整体磨粒磨损程度差异不大，这使得刀具加工过程相对更平稳，加工表面质量更高。

铣削力

加工参数对PCD刀具铣削力的影响主要表现为：随着主轴转速的增加，PCD刀具铣削力逐渐降低；随着进给速度及切削深度的增大，铣削力急剧增大。切削力增大是造成PCD刀具磨损的主要原因，为了减小刀具磨损，延长刀具寿命，需要降低SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助加工过程中的铣削力。由此可以确定，SiCf/SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助加工的主轴转速应不低于7000r/min，进给速度不高于300mm/min，切削深度小于0.1mm。

此外，根据超声振动参数对PCD刀具铣削力的影响可以发现，随着超声频率及超声振幅的逐渐增大，PCD刀具的铣削力均呈现出先降低后增大的趋势。高频超声振动使得刀具与材料之间发生高频的冲击，在一定条件下会造成PCD刀具磨粒的崩裂，导致刀具磨损，增大铣削力及加工表面粗糙度，故需要合理的选择超声振动参数。根据试验结果可以确定合理的超声振动频率应为30kHz，超声振幅为4μm。