钎焊金刚石磨粒钻钻削C/SiC陶瓷基复合材料孔时切屑对钻削过程的影响＊

2022-07-14邵国栋史振宇

金刚石与磨料磨具工程 2022年3期

邵国栋，史振宇

（山东大学机械工程学院,高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061）

C/SiC陶瓷基复合材料是一种高性能材料，其具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、传热性能好、比强度高、质量轻等诸多优点，被广泛应用到国防工业中，特别是用在高温烧蚀、摩擦磨损等恶劣环境中，如航空发动机、火箭的热防护构件、刹车系统等领域[1]。C/SiC陶瓷基复合材料还是一种难加工材料，因其具有各向异性、不均匀性、硬度高、脆性大等特点。为了降低加工成本并提高加工效率，传统加工技术和特种加工技术都被尝试用来加工C/SiC陶瓷基复合材料，如车削、铣削、磨削、钻削以及激光加工、电火花加工、磨粒水射流加工等[2-3]。

钻孔是C/SiC陶瓷基复合材料需求较多的加工工艺之一。因为航空航天工业中的复合材料连接主要采用铆接，需要大量的孔特征；也有一些如发动机叶片零部件等的结构，存在大量的孔用来散热。但孔的钻削加工易存在加工缺陷，如产生材料分层、纤维拔出、微裂纹、崩边等，影响了其应用。同时，C/SiC陶瓷基复合材料的基体是碳化硅，其硬度很高，达到了22.2 GPa。高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具均不适合加工这种材料，因而其加工刀具较难选择，相关研究也不足，对C/SiC 复合材料孔的钻削加工研究更少。CHEN 等[4]使用PCD 刀具钻削加工C/SiC 复合材料，为了降低成本，金刚石刀片被焊接在硬质合金基体上。结果表明，这种焊接式PCD 刀具改善了C/SiC 复合材料的加工质量，但仍然存在分层、崩边等缺陷。ZOU 等[5]也采用这种焊接式PCD 刀具钻削加工C/SiC 复合材料，与文献[4]不同的是，其主要研究了刀具的前角和锥度角对C/SiC 复合材料加工性能的影响规律。

目前，由于刀具成本的限制，还没有采用整体式PCD 刀具钻削C/SiC 复合材料的研究。除了焊接式PCD 刀具外，钎焊金刚石磨粒钻同样可以成功钻削C/SiC 复合材料。磨粒钻的制备过程是使用钎焊工艺将金刚石磨粒焊接在硬质合金棒料上，其实际加工过程类似磨削，可以取得较好的工件加工质量，且刀具成本相对较低，因此得到了广泛的关注和研究[6-7]。XING等[8-9]采用钎焊金刚石磨粒钻钻削加工C/SiC 复合材料，结果表明：采用高速、低进给的加工参数，可以显著降低孔出口的分层缺陷，从而改善其加工质量。WANG等[10]采用钎焊金刚石磨粒钻结合旋转超声波辅助工艺，钻削加工C/SiC 复合材料，结果表明钻削过程产生的切削力显著降低。后来，WANG 等[11]把钎焊金刚石磨粒钻的结构改变为阶梯状，同样获得了良好的加工效果。

因此，钎焊金刚石磨粒钻可提高C/SiC 复合材料的加工质量，降低刀具成本，比较适合钻削加工C/SiC陶瓷基复合材料。但使用钎焊金刚石磨粒钻会产生大量切屑，且切屑排出较困难，将会对C/SiC 材料的加工过程产生不利影响。而且，对切屑排出不畅带来的一系列问题的相关研究较少。基于此，采用钎焊金刚石磨粒钻钻削加工C/SiC陶瓷基复合材料，分析其切屑排出过程并设计实验，研究切屑对钻削加工时的钻削力、孔加工质量、钻头磨损等产生的影响。

1 切屑的排出过程

图1 为麻花钻及钎焊金刚石磨粒钻钻削加工时切屑的产生及运动路线。如图1所示：钎焊金刚石磨粒钻钻削工件过程中，其切屑的排出和麻花钻的并不相同。在麻花钻钻削加工中，切屑产生于刀具的前刀面，并顺着排屑槽螺旋式上升，直至被排出孔外（图1a）。而钎焊金刚石磨粒钻钻削加工时，切屑产生于刀具端面磨粒的下方，通过挤压的方式被挤出孔外（图1b）。

根据LAWN 等[12-13]的研究，钎焊金刚石磨粒钻在钻削工件材料时，在金刚石磨粒的压迫下，工件材料表面产生横向裂纹和中心裂纹；随着钻头的旋转，金刚石磨粒刻划工件材料表面，其横向裂纹相互贯通，切屑产生。初步产生的切屑会暂时存放在金刚石磨粒的间隙内，随着钻削过程的持续，切屑在磨粒间隙内堆积越来越多，以至于很快达到容纳上限。此时，源源不断产生的新切屑将挤压间隙内的旧切屑，迫使旧切屑从孔口排出，如图1c、图1d所示：首先，切屑会被逐渐挤压到刀具端面的边缘。理论上，在切屑逐渐转移到刀具端面边缘的过程中，切屑需要穿过多个磨粒间隙，寻找一条最低的能量路线；然后，到达刀具端面边缘的切屑将继续沿着刀具侧面向上前进；最终，切屑从孔中排出，完成其排出过程。

图1 麻花钻及钎焊金刚石磨粒钻钻削加工时切屑的产生及运动路线Fig.1 Generation and movement path of chips during drilling with twist drill and brazed diamond abrasive drill

2 钻削实验材料、设计及过程

2.1 实验材料

工件材料是2.5D C/SiC陶瓷基复合材料，碳纤维体积分数是35%，其直径为5.000 μm，工件的长×宽×高是100 mm×20 mm×7 mm。图2 展示了工件材料的SEM 形貌和EDX 分析图。在图2a 中可以看到：C 纤维层是上下层叠结构的，这种结构可提高工件的断裂韧性；在图2a 中间有一条竖直方向上下贯通的分界线，这是材料制备过程中特意设计的针刺结构，目的是增强纤维层间的结合强度。图2b 和图2c 的EDX 分析中，紫色区域代表C 元素的分布，黄色区域代表Si 元素的分布。通过比较图2a、图2b 和图2c 发现：图2a 中的黑色区域与图2b 中的C 相保持一致，图2a 中的灰色区域则与图2c 中的Si 相保持一致。

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

图3 为工件材料的XRD 分析图。图3 的结果表明，材料中含有较大量的SiC 和C 以及少量的Si。工件材料的力学性能和物理性能展示在表1 中。

图3 C/SiC陶瓷基复合材料的XRD 分析Fig.3 XRD analysis of C/SiC ceramic matrix composite

表1 C/SiC 的力学和物理性能参数Tab.1 Mechanical and physical properties of C/SiC

2.2 钻头形貌

在实验中使用钎焊金刚石磨粒钻，其外部直径为6 mm，内部直径为3 mm，钻头上的金刚石磨粒基本颗粒尺寸为233 μm，钻头形貌如图4所示。根据图4的钻头形貌可知，钎焊金刚石磨粒钻的材料去除方式类似于磨削[14]。

图4 钻头形貌Fig.4 Drill morphology

2.3 实验设计及过程

排屑问题是钻削加工过程中普遍存在的问题。相比于传统的麻花钻，钎焊金刚石磨粒钻的排屑问题更加突出。为了掌握钎焊金刚石磨粒钻钻削过程中的切屑对钻削力、孔加工质量、刀具磨损的影响，设计如图5所示的一组特殊钻削实验，以求尽可能突出切屑对钻削过程带来的影响。图5 的钻削条件是干钻削，选择的钻削参数为：进给速度为10 mm/min，主轴转速为1 592 r/min。图5 的钻削参数的选择依据来自文献[5]和[8]。其中，采用较小主轴转速的原因，是想尽可能地避免钻削温度对加工质量、刀具磨损的影响。

图5 实验设计Fig.5 Experimental design

如图5a所示：钻头钻削1/2 孔时，切屑产生之后，首先存放在磨粒与磨粒的间隙中，随着钻头的旋转切屑转移到右边的半孔，由于其受到重力作用而从磨粒的间隙之间掉落。因此，钻头钻削1/2 孔时切屑非常容易排出。从物理角度看，切屑几乎不会对钻头和工件产生力的作用；从化学角度看，由于选用了相对较小的钻削参数，加工过程产热较慢，产生的钻削温度较低，因而可忽略切屑带来的热应力及其他化学变化。所以，钻削1/2 孔时切屑对加工过程的影响极小，可以忽略切屑的存在，故假设钻削1/2 孔时无切屑。

如图5b所示：结合图1 提出的排屑过程，全孔加工中产生的切屑，将按照正常的排屑路径从孔的上端排出，此时切屑对钻削过程产生影响。

因此，以钻削加工1/2 孔为对照组，以钻削加工全孔为实验组，研究切屑对钻削力、孔加工质量、刀具磨损的影响。在分析实验数据时，将对照组的钻削力乘以2，再与实验组的钻削力比较。对比分析孔加工质量时，选用对照组钻削2 个1/2 孔后的形貌，实验组钻削1 个全孔后的形貌。对比分析刀具磨损时，选用对照组钻削10 个1/2 孔后的刀具形貌，实验组钻削5 个全孔后的刀具形貌。

2.4 实验及检测设备

钻削实验使用Daewoo ACE−V500 数控机床进行加工，机床的最大转速是10 000 r/min。实验分为2 组：一组是对照组，另一组是实验组。对照组钻削次数为10 次，实验组钻削次数为5 次。每组实验重复3 次，最后结果取平均值。

在实验前，为了更清楚地观察孔的表面损伤，对工件表面抛光，使其表面粗糙度小于1 μm，然后将工件放入超声波清洗器中，用无水乙醇清洗30 min 并干燥。使用Kistler 9257B 测力仪测量实验过程中的钻削力；切屑的微观形貌使用6610 LV 扫描电镜进行观察；孔进口和出口的损伤形貌使用VHX−600E 大景深显微镜进行观察；刀具的磨损形貌使用6610 LV 扫描电镜进行观察。

3 结果和分析

3.1 切屑的形貌和尺寸

图6 展示了对照组和实验组的切屑形貌。比较图6发现，切屑主要包括2 种类型，即颗粒状和圆柱状切屑。碳化硅是一种典型的硬脆材料，当用金刚石磨粒钻钻削工件时，其会出现横向裂纹和中心裂纹；随着钻头的旋转，钻头上的金刚石磨粒在工件表面刻划，最终导致其横向裂纹贯通，使碳化硅以颗粒状剥落下来（图6a和图6c），这和文献[12-13]的理论是一致的。而对于图6b 和图6d 的圆柱状切屑，其轮廓十分规整，且圆柱的直径为4.385 μm，和制备工件材料使用的碳纤维直径5.000 μm 基本保持一致，可以确定圆柱状的切屑为碳纤维。

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

进一步比较图6a 和图6c 发现：对照组的大多数颗粒状切屑的长度在7.000 μm 左右，颗粒形状为不规则的多边形，且能观察到比较尖锐的棱角；实验组的大多数颗粒状切屑的长度在1.500～4.000 μm，且颗粒的形状较圆滑。之所以出现切屑尺寸及形貌的差异，是因为对照组加工过程中，切屑随着刀具旋转，由于自身重力的作用，自然下落脱离了刀具（图5a），并没有参与后续的钻削过程。这意味着，对照组产生的切屑保留了原始的面貌。而实验组则不然，实验组产生的切屑只能从孔上方排出，切屑将从磨粒之间穿过。当切屑从磨粒之间穿过时，将会受到挤压、碰撞、摩擦等，从而使切屑的棱角被磨掉，形状变得圆滑，长度也相应减小。

观察图6b 和图6d 的圆柱状切屑同样发现：对照组的切屑长度为18.572 μm，而实验组的切屑长度为13.118 μm 和13.930 μm。因此，实验组的圆柱状切屑经过挤压、碰撞等过程，其长度同样存在减小现象。

3.2 切屑对钻削力的影响

由文献[15]可知：钻削复合材料孔时，孔的加工质量主要与轴向钻削力相关。另外，实验显示径向方向的钻削力非常小，可以忽略不计。所以，仅需考虑钻削过程中的轴向钻削力。将Kistler 9257B 测力仪获得的轴向钻削力数据导入ORIGIN 软件，绘制出对照组和实验组的钻削力图7。其中，曲线1 和曲线3 分别表示对照组和实验组的轴向钻削力，曲线2 是将曲线1 上的所有数据放大2 倍后得到的。

由图7 可以发现：每条曲线都存在一定程度的波动，这是一种正常现象。其原因是工件材料是一种具有各向异性的复合材料，由C 纤维和SiC 基体层交叠形成，并且材料中还存在针刺结构和少量的气孔，钻头在不同时刻钻削的工件材料是不同的，材料的各向异性必然导致钻削力波动。从理论角度考虑，因为实验组加工区域的面积是对照组的2 倍，所以实验组的钻削力应该为对照组钻削力的2 倍，即曲线3 和曲线2 的变化趋势应该基本吻合。但实际上，图7 中的2 条曲线差别非常明显。

如图7所示：在3 条曲线的A1−B1，A2−B2 和A3−B3 阶段，钻头开始加工工件，钻削力逐渐增加，且分别在B1，B2，B3 点达到峰值，这种现象和文献[8]的研究结论是一致的。这是由于钻头刚开始加工工件时，工件产生了轻微的弯曲变形，从而引起进给量的瞬时变化，使切削力迅速上升；在B1−C1，B2−C2 和B3−C3阶段，钻头的切削刃完全钻入工件，与工件形成稳定的接触面，钻削力进入相对稳定的阶段。同时，B1−C1 和B2−C2 段曲线在一定的范围上下波动，呈现出一定程度的稳定性，这是因为对照组中的切屑能及时排出，没有对后续的钻削过程产生影响。但B3−C3 段曲线则不同，随着钻削时间延长、钻削深度增加，钻削力呈现出逐渐增大的现象。这是因为实验组中的切屑排出路径要依次经过钻头的端面磨粒间隙和侧面磨粒间隙，随着钻削深度增加，切屑需要走过的路径延长，消耗的能量也增加，所以需要更大的钻削力；在C1−D1，C2−D2和C3−D3 阶段，钻削过程进入尾声，钻头贯穿整个工件，钻削力降为0，钻削过程结束。比较C2 和C3 点的峰值可以发现，C3 点的钻削力达到了300 N，而此时C2 点的钻削力仅为100 N。这表明钻削C/SiC 复合材料深孔时，切屑对钻削力的影响较大。

3.3 切屑对孔加工质量的影响

图8 为孔进口形貌。从图8a 可以看出：对照组的孔进口形貌基本完好，仅仅在孔进口的周边观察到轻微的崩边现象。由图8b 发现：实验组的孔进口形貌同样保持完好，仅出现轻微的崩边现象，与XING 等[8]的研究结果一致。这表明，切屑不会对孔进口形貌产生显著影响。

图9 展示了对照组和实验组的孔出口形貌。比较图9a 和图9b 可以看出：对照组的孔出口形貌较规则和顺滑，实验组的孔出口形貌损伤程度比对照组的严重得多。在图9a 的右下局部放大图中，可以观察到基体没有大面积的剥落，也没有形成分层缺陷，只仅仅在孔的边缘形成了少量的崩边和纤维断裂现象。在图9b 的左上局部放大图中，可以看到在孔的边缘区域出现了严重的纤维断裂、撕裂缺陷以及基体大区域脱落现象。这表明切屑对孔出口的形貌有显著影响。这是因为切屑的存在增大了轴向钻削力（图7），根据CHENG等[16]研究，轴向钻削力的增大将导致严重的孔出口损伤。

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

3.4 切屑对钻头磨损的影响

通过观察钻头的SEM 形貌，定性分析切屑对钻头磨损的影响。图10、图11 展示了对照组和实验组钻削实验之后的钻头形貌。由图10 和图11 可知：对照组的钻头磨损主要为断裂（图10b）、微裂纹（图10c）、崩刃（图10d）；实验组的钻头磨损不仅出现了崩刃、微裂纹、断裂，还出现了磨粒剥落（图11b）、基体剥落（图11d）等严重磨损行为。这表明切屑对钻头磨损有显著影响。