金刚石工具加工SiO2f/SiO2复合材料的可行性研究
2023-10-25高航李睿祺许启灏兰宝华
高航 李睿祺 许启灏 兰宝华
关键词 SiO2f/SiO2；切削力；表面粗糙度；表面质量
中图分类号 TG58；TG71；TB332；TQ164 文献标志码 A
文章编号 1006-852X（2023）01-0075-07
DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2021.1214
收稿日期 2021-12-14 修回日期 2022-03-28
石英纤维增强陶瓷基复合材料（SiO2f/SiO2）具有优异的高强耐冲蚀、透波、隔热阻燃等性能，是制造高速飞行器用天线罩等壳体零件的最佳选择[1]。然而，其高硬度、高脆性和低导热性等特点也给其加工带来了严峻的挑战。采用硬质合金刀具加工SiO2f/SiO2时，刀具磨损严重，加工后表面质量差，需要频繁更换刀具；采用金刚石磨削方式效率较低，且容易产生磨削烧伤。这是由于SiO2f/SiO2 的多相结构、内部气孔缺陷导致切削工况恶劣和损伤扩展复杂，使加工后的表面质量差，且加工表面易产生热损伤；而选择过低的切深等又对加工效率带来负面影响。如何实现对该材料的高效、高质、低损伤加工，成为实际加工过程中亟待解决的问题[2]。
针对SiO2f/SiO2难加工问题，国内外围绕其典型损伤及成因开展了较多的研究。王玉果等[3] 通过仿真分析结合试验验证，发现石英纤维复合材料加工过程中在不同的纤维切削角度会产生不同的表面及亚表面缺陷， 如纤维拔出、基体破碎以及界面脱黏等。ABRAO等[4] 通过4 种刀具进行对比试验，研究了在加工石英纤维复合材料时刀具几何形状对轴向力和损伤的影响，发现刀具的多刃切削作用对材料加工时的损伤具有抑制的效果，但有时对切削力的影响不明显。然而，围绕具体多刃刀具结构的研究还有待深入，超硬多刃刀具和新型磨削工具在多刃去除效果上的差异仍需要进一步讨论[5]。
为探索SiO2f/SiO2的可加工性，结合工程需求，在阐述微刃切削原理基础上，应用研制的整体多刃PCD铣刀和电镀金刚石磨头，开展金刚石工具加工SiO2f/SiO2复合材料的可行性研究，以期获得可行的加工工艺规范。
1 试验条件
1.1 工件材料
图1 为SiO2f/SiO2 试验材料及其微观特征。如图1所示，试验材料为从某零件上取下的三向SiO2f/SiO2试验块，该材料以二氧化硅为基体相，石英纤维编织物为增强相，在超景深显微镜下观测可发现其有横向和纵向2 种方向的纤维。
1.3 加工刀具
试验选择新研制的整体多刃PCD 铣刀和电镀金刚石磨头2 种刀具，如图3 所示，刀具直径均为8 mm。其中：整体多刃PCD 刀具材料为聚晶金刚石，采用阶梯刀型，切削刃整体焊在刀杆上，刀齿齿数为36；电镀金刚石磨头是在空心的金属圆棒端面和周面电镀金刚石磨粒，基体为45 钢，磨粒基本颗粒尺寸约为120 μm。
1.4 试验参数
加工方式为干式切削，试验的加工条件和对应的加工参数如表1 所示。
2 微刃切削原理
Stephen 等[6] 在对切削几何学的研究中，把砂轮的切削过程比作铣刀加工过程，而把其切削刃看作铣刀刀齿，切削刃沿砂轮圆周方向以间隔L 均匀排列。
图5为微刃切削和普通切削示意图，且图5a 为微刃切削，对应金刚石磨头，图5b 为普通切削，对应整体多刃PCD 刀具。从图5 可以看出：使用金刚石磨头加工材料时，在1 个切削周期内，相比于使用整体多刃PCD 刀具，每个磨粒的切削深度较小，降低了切削刃和材料的接触长度，使其切削力较小[7]。
3 试验结果及讨论
3.1 切削力
切削力对机械加工中的材料去除、表面质量、切削区温度、切削热、刀具磨损等都具有较大影响。
图6 为主轴转速对切削力的影响。从图6 中可以看出：主轴转速增加，2 种刀具的切削力均下降，但变化幅度较小，这是因为随主轴转速增加，单齿切削厚度减小。进给速度和切削深度会对切削层的几何形状产生影响，因此对切削力影响较大[8]。图7 为进给速度对切削力的影响。从图7 中可以看出：进给速度增加， 2种刀具的切削力均逐渐上升，当进给速度大于60 mm/min时，切削力陡增。在进给速度为20 mm/min 时， 2 种刀具的切削力基本相等。图8 为切削深度对切削力的影响。从图8 中可以看出：随着切削深度的增加，2 种刀具的切削力逐步上升。切削深度为0.1 mm 时， 2 种刀具的切削力差距不大。在切削深度大于0.1 mm时，金刚石磨头的切削力低于整体多刃PCD 刀具的切削力。总体而言，金刚石磨头加工SiO2f/SiO2时的切削力略低于整体多刃PCD 刀具的。
3.2 加工表面微观形貌
图9 為2 种刀具加工SiO2f/SiO2后，被加工表面放大后的扫描电镜照片。图9a、图9b 分别为2 种刀具加工后的横向纤维束的表面形貌对比，可以看出2 种刀具加工后的横向纤维束均出现层状脆断剥落的特征。这是由于纤维受到切削刃的不断挤压发生类似悬臂梁的弯曲变形，当纤维的弯曲应力达到强度极限时，纤维断裂，纤维束逐层去除。从图9b 中可以看出：由于切削力较大，PCD 刀具加工后横向纤维束附近还存在着基体开裂损伤；放大后，可以发现裂纹沿不同方向扩展，当裂纹扩展至一定程度后，还可能出现纤维束和基体完全脱黏的情况[3]。
图9c、图9d 分别为2 种刀具加工后的纵向纤维束的表面形貌对比，工件表面纵向纤维大多数受剪切作用去除，且其剪切强度较低，因此大部分纤维都被剪断，但也有部分纤维被拔出。相比于PCD 刀具加工后的表面，金刚石磨头加工后的表面较平整，而PCD 刀具加工后的表面存在较明显的凹坑缺陷。这是由于多刃PCD刀具的切削力较大，在切削过程中存在着比较大的冲击作用，会使基体破碎，产生凹坑。
3.3 表面粗糙度
表面粗糙度是影响机械零件的配合性能、表面质量的关键因素[6]。由于SiO2f/SiO2各向异性的特点，磨削后的表面质量不能再使用表面粗糙度Ra 为评价标准，因为Ra 只能反映1 个或几个方向的轮廓数值分布，而三维表面粗糙度则是在整个测量区内进行采点取样，更能反映复合材料的表面形貌[9]。
图10 和图11 为SiO2f/SiO2 经不同刀具加工后，表面粗糙度随主轴转速和进给速度的变化规律。在主轴转速为3 000 r/min 时2 种刀具的粗糙度相差不大，随着主轴转速增加，表面粗糙度减小，金刚石磨头加工后工件表面的粗糙度略低于整体多刃PCD 刀具的粗糙度。如图11 所示：随着进给速度的增加，表面粗糙度增加，尤其当进给速度为80 mm/min 时，表面粗糙度陡增，这是由于在进给速度较大时，材料加工后表面存在着大量的以纤维层状脆断剥落和纤维拔出的损伤。整体而言，使用金刚石磨头加工后工件表面的表面粗糙度较好，这也和前述表面微观形貌的观测结果一致。
同时，材料表面粗糙度的波动较大，这是由于该材料本身为各向异性的复合材料，具有非均质、非致密和结构单元多等特征。图12 为材料自身孔隙对表面粗糙度的影响，如图12 所示：已加工表面出现新的孔隙，因此对表面粗糙度的评价也会造成影响。实际工程应用中，可以选择再次沉积基体，再进行多次交替加工提高材料表面质量[10]。
3.4 刀具磨损
使用整体多刃PCD 刀具和金刚石磨头加工SiO2f/SiO2后，使用SEM 拍摄2 种刀具的磨损。
在切削复合材料时，后刀面磨损是主要的磨损形式[11]。PCD 刀具后刀面原始形貌如图13 所示。加工后刀面会与已加工表面接触，且相互挤压摩擦，使用整体多刃PCD 刀具切削SiO2f/SiO2后刀具的后刀面形貌如图14 所示。从图14 可以看出， PCD 刀具的后刀面出现了切削刃崩刃[12]。
金刚石磨头是砂轮的形式之一，常见的磨损类型为磨粒磨损、破碎和磨粒脱落3 种。图15 为金刚石磨头的原始形貌。磨头在加工过程中与工件发生摩擦、钝化，最终发生如图16 所示的部分磨粒脱落和如图17所示的少量磨粒崩碎[13]。
4 结论
（1） 采用基于微刃切削原理设计的整体多刃PCD 刀具和电镀金刚石磨头均能用于SiO2f/SiO2复合材料的加工，但是二者在加工效率、切削力和加工表面质量方面存在一定的差异。在相同加工工艺参数条件下，电镀金刚石磨头加工SiO2f/SiO2时的切削力较低、表面粗糙度较低；
（2）观察2 种刀具加工后工件表面微观形貌，金刚石磨头加工后的表面質量较好，而整体多刃PCD 刀具加工后的表面存在基体开裂、界面脱黏和凹坑等表面缺陷，这是材料特性以及材料本身存在孔隙等缺陷，使加工表面形貌和质量波动较大。
（3）2 种刀具在加工SiO2f/SiO2后都出现了磨损，整体多刃PCD刀具的磨损形式为切削刃崩刃，金刚石磨头的磨损形式为部分磨粒脱落和少量磨粒崩碎。
