C/SiC复合材料微孔的电镀金刚石钻头钻削加工

庞继伟　李升　郭明波　王兆辉　袭建人　杨晓涛

关键词 C/SiC 复合材料；微孔加工；电镀金刚石钻头；钻削加工

中图分类号 TG58; TQ164; TH162; TB332 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）01-0090-06

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0026

收稿日期 2022-03-22 修回日期 2022-07-18

C/SiC 复合材料以其耐高温、高比强度、高比模量、轻质、低热膨胀系数等优点，广泛应用在航空、航天等领域。由于其硬度高、难加工，某些特殊结构上要求的直径为1.000 mm 及以下的微孔，加工难度更大，急需针对这一方向进行研究[1-4]。

三维针刺毡基C/SiC 复合材料由碳纤维预制体经热解沉积陶瓷化技术制备而成，其零件的加工工艺一般分为碳纤维预制体粗加工和陶瓷化后复合材料精加工2 个阶段。由于碳纤维预制体易于切削加工，多数加工工序都安排在此阶段进行。但材料需要加工的微孔因孔径小，在热解沉积陶瓷化阶段会因晶粒生长而使微孔尺寸缩小或被填实，在精加工阶段重复加工也无法保证其位置精度。因此，对复合材料陶瓷化后的微孔加工一般都安排在精加工阶段。

鲍永杰等[5] 使用直径为6.000 mm 的电镀金刚石环形钻头钻削碳纤维复合材料孔，对比硬质合金麻花钻，电镀金刚石钻头钻削后的工件质量较好，更适合于碳纤维复合材料孔的加工。但考虑到环形钻头制作时的尺寸限制，其在极微小孔加工中的加工质量不佳或根本无法使用[6]。张国栋等[7] 使用直径为6.000 mm 的钎焊金刚石钻头钻削C/C-SiC 复合材料，研究了钻削参数对钻削力及孔出入口质量的影响规律。赵鹏等[8] 使用直径为4.600 mm 的电镀金刚石钻头对SiCp/Al 复合材料进行钻削试验，分析了钻削速度对钻孔入口棱边缺陷的影响。邵国栋等[9] 使用外径为6.000 mm 的中空钎焊金刚石磨粒钻头钻削C/SiC 复合材料，证明切屑对深孔钻削影響显著。

以上研究为复合材料孔钻削提供了经验借鉴，但都不是针对直径为1.000 mm 及以下微孔加工的。且微孔加工相关研究主要针对金属材料方面，硬脆复合材料微孔加工可借鉴的相关研究数据不足。因此，以三维针刺毡基C/SiC 复合材料为试件，使用直径为0.280～0.440 mm 的电镀金刚石钻头进行钻削试验，分析工艺参数、电镀金刚石钻头基体、钻头磨粒基本颗粒尺寸等对微孔加工表面形貌、表面质量和加工效率的影响，探索微孔加工的最佳工艺参数，以期钻出质量合格的C/SiC 复合材料微孔，满足工件功能需求。

1 加工试验

1.1 试验试件及工具

试验采用的试件材料为三维针刺毡基C/SiC 复合材料，其力学性能（常温下的均值数据）为：拉伸强度，117.5 MPa；弯曲强度，209.0 MPa；压缩强度，207.5 MPa；断裂韧性，7.1 MPa/m。试件的尺寸规格为70 mm × 16 mm ×10 mm，表面要钻削的微孔深度为3 mm，且要求微孔的入口轮廓完整、无大面积边缘崩裂等。

根据试件微孔尺寸要求，定制直径在0.280～0.440mm 的6 种不同规格的钻头钻削相应尺寸的微孔。电镀金刚石钻头基体为YG8 硬质合金且已加工出螺旋槽，其表面有金属镍镀层。钻头的尺寸规格及表面金刚石浓度见表1，表1 中的金刚石浓度用每毫米长度上的金刚石颗粒数表示，且6#钻头的外观如图1 所示。

为控制钻头的镀镍层厚度，要求电镀后金刚石钻头的出刃高度为金刚石磨粒基本颗粒尺寸的1/2。其目的是：一方面，保证有足够的镍层包裹金刚石，使金刚石包裹牢固，不至于过早脱落；另一方面，保证金刚石有足够的出刃高度，以保证钻头钻削时的锋利度。

1.2 加工设备及钻削加工参数

使用的加工设备为DMU65 mono BLOCK 五轴加工中心，其主轴最高转速为18 000 r/min，X，Y，Z 轴的最大进给速度为40 000 mm/min， 定位精度为0.008 mm，重复定位精度为0.005 mm。

在钻削试验中，由于钻孔深度均远大于5 倍孔径，且属于深孔加工，不利于排屑，故采用间断进给，每次的进给量记作单步切削深度。每一步钻孔时，钻头首先定位至孔口中心正上方0.5 mm 处，后快速进给至距离上次加工面0.1 mm 处，以相同进给速度钻削至上次加工面往下一个单步切削深度，然后提刀至孔口上方0.5 mm 处；而后再执行下一次循环，如此往复，直至钻到孔要求的深度。根据前期的初步试验结果确定：钻削速度由大到小取值为16.0，11.0，8.0，5.5 和4.0 m/min；进给速度由小到大取值为2.0，3.0，5.0 mm/min；固定单步切削深度为0.05 mm。钻削试验方案如表2 所示。选取最优的钻削速度与进给速度，逐步改变单步切削深度进行钻削试验，以获取稳定钻削时的最大单步切深；选取最优的钻削速度，测试出其他5 种规格钻头在稳定钻削时的单步切深与进给速度数值，并得到基体和磨粒的最佳组合。

2 试验结果与讨论

2.1 工艺参数对微孔加工质量的影响

图2 为钻头钻削的微孔外观图。图2 中共计钻削15 个微孔：选用尺寸最大的6#钻头，固定单步切削深度为0.05 mm，设定5 组不同的钻削速度参数，在表2的1～5 条件下，沿直线排布依次钻削图2 中的1～5 微孔； 后在表2 的6～ 10 条件下， 依次钻削图2 中的6～10 微孔；再在表2 的11～15 条件下，钻削图2 中的11～15 微孔。15 个微孔在图2 中沿直线排列，且间距相同。图3 为6#钻头加工的15 个微孔放大图。

如图2、图3 所示： 1～10 微孔的入口轮廓质量都较好，未出现明细缺陷或仅有很少的边缘崩裂，符合试件微孔加工要求，且彼此间差别不明显。但第6 个微孔质量略优于第5 个微孔的，原因是第5 个微孔和第6个微孔的钻削速度差异较大，第5 个微孔采用了试验中最低的钻削速度，而第6 个微孔则采用了试验中最高的钻削速度。

由图2、图3 还可知：11～15 微孔处开始出现错位，其微孔不在一条直线上，个别微孔明显偏离直线位置。考虑是进给速度过高，钻头在接触材料时未有效钻削材料而打滑，这样微孔的切入位置会产生较大偏离，导致微孔的位置精度产生偏差。

同时，14～15 微孔轮廓质量明显变差（孔边缘有较多毛刺等）。考虑是钻削速度过低，进给速度过高，加速了钻头的磨损，导致其基体表面的磨粒加速脱落，使其钻削能力下降，钻削阻力增大所致。当钻头完全失去钻削能力时，在钻削阻力大于钻头基体扭曲强度时，还会出现如图4 所示的钻头直接断裂。因此，在现有加工条件下，最大钻削速度为16.0 m/min，其优于其他较低的钻削速度，为最佳钻削速度。同时进给速度越低，微孔加工质量越好。但进给速度过低，会严重影响钻削效率，故一般选进给速度的中间值。

固定钻削速度为16.0 m/min，进给速度为3.0 mm/min，使用6#同规格多个钻头进行钻削试验。结果发现：单步切削深度第1 次取0.05 mm 值时，可以稳定钻削36个微孔，之后钻头快速磨损磨粒脱落较多而报废；单步切削深度第2 次取值为0.07 mm 时，可以稳定钻削7 个微孔；单步切削深度第3 次取值为0.10 mm 时，可以钻削1 个微孔；单步切削深度第4 次取值为0.10 mm 时，钻头直接断裂并残留在试件中，如图4、图5 所示。所以，单步切削深度过大，会影响切屑等的排出，而加速钻头磨损，钻头瞬间受力超过其承受极限时会直接断裂。图5 为微孔中残存的断裂的6#钻头。

同时还发现：使用6#钻头钻削时，超出其稳定钻削范围后，钻头的顶端外轮廓位置最先磨损，磨粒从顶端向底端逐渐脱落，最终只剩下基体材料而失去切削能力，如图6 所示。

所以，6#钻头的最佳钻削速度为16.0 m/min，进给速度为3.0 mm/min，单步切削深度为0.05 mm。此时，其钻削的微孔最多，质量最好。

依次选用其他1#～5#钻头在表2 条件下进行钻削试验，试验发现：在现有加工条件下，其他5 种钻头的最佳钻削速度都为16.0 m/min，但进给速度与表2 中的值不匹配，也就是说使用表2 中的进给速度时不能稳定钻削，达不到最佳钻削效果，特别是1#、4#钻头的情况更甚。为此，扩大进给速度范围，使其取0.5～5.0 mm/min，使每种钻头都能达到最佳钻削效果。得到的6 种钻头最佳工艺参数如表3 所示。

2.2 金刚石磨粒基本颗粒尺寸对微孔加工效果的影响

图7 和图8 分别是钻削速度为16.0 m/min 下，金刚石磨粒基本颗粒尺寸对单步切深和进给速度的影响。其中，图7 和图8 的参数是在钻削速度固定时，以不同进给速度和单步切深钻削复合材料，6 种钻头能够稳定钻削20 个微孔及以上，且钻削的微孔质量好并满足质量要求。

如图7、图8 所示：1#～3#钻头随着磨粒尺寸的增大，稳定钻削单步切深从0.01 mm 增加至0.04 mm，进给速度从1.0 mm/min 增加至3.0 mm/min；4#～6#钻头稳定钻削的单步切深值从0.02 mm 增加至0.05 mm，进给速度从2.0 mm/min 增加至5.0 mm/min。且4#钻头相较于3#钻头，其单步切深和进给速度都大幅度降低。

因此，磨粒基本颗粒尺寸越大，基本上允许的进给速度越大，同时断续钻削所允许的单步切深也越大。

2.3 基体直径对钻头加工效果的影响

电镀金刚石磨粒基本颗粒尺寸（即粒径）越大，磨粒切削能力越强，允许的切削力也越大。当切削力超过基体的扭曲强度时，会导致钻头基体断裂（图5）。相反，金刚石磨粒基本颗粒尺寸越小，磨粒切削能力越弱，允许的切削力也越小。另外，基体外径越大，钻头的强度也越高。因此，在电镀钻头外径相同情况下，需合理搭配基体直径与电镀磨粒的粒径，以获得最佳切削效果。

图9 是在表3 的工艺参数下钻削复合材料时，试验中的6 种钻头能够稳定钻削的微孔个数。如图9 所示：1#、2#、3#钻头相比，2#钻头最优，3#钻头次之，1#钻头最差；4#、5#、6#钻头相比，6#钻头优于4#、5#钻头。

综合分析图7、图8、图9 及表3，结果表明：在同等加工条件下，2#和6#钻头具有更高的加工效率和更长的使用寿命，3#和5#钻头次之，1#和4#钻头最差。因此，三维针刺毡基C/SiC 复合材料钻孔时，在钻头直径为0.280～0.440 mm 时进行钻头基体选择时，宜在直径为0.300 mm 的基体上电镀63～75 μm的金刚石，直径为0.200 mm 的基体上电镀36～54 μm 的金刚石，制作的钻头能获得更优的钻孔性能。

3 结论

用金刚石基本颗粒尺寸分别为20～30， 36～54 和63～75 μm，钻头直径在0.280～0.440 mm 范围的6 种电镀金刚石钻头，钻削三维针刺毡基C/SiC 复合材料微孔，研究了钻削速度、进给速度及单步切深等工艺参数及金刚石基本颗粒尺寸、钻头基体直径等对微孔加工效率、加工质量的影响，得出如下结论：

（1）现有加工条件下，在相同钻削速度条件时，进给速度越低，加工的微孔质量越好；进给速度过高时，会导致微孔的位置精度偏差，同时还会加速钻头的磨损。

（2）钻头磨粒粒径越大，允许的进给速度越大，断续钻削所允许的单步切深也越大，即磨粒越大钻削效率越高。

（3）在指定尺寸微孔加工的情况下，需合理搭配钻头基体与电镀用磨粒粒径以获得最佳切削效果。在6 种钻头的试验中， 直径为0.300 mm 的基体上电镀63～75 μm 的金剛石磨粒，直径为0.200 mm 的基体上电镀36～54 μm 的金刚石磨粒，制作的钻头能够获得更优的钻孔性能。