Cf/SiC復(fù)合材料低溫銑削工藝優(yōu)化研究

徐亮，王凱，王新永，陳旭輝，劉宏瑞，王松，宋楠，韓軍，嚴(yán)偉容，劉鴻貴

(航天材料及工藝研究所 先進(jìn)功能復(fù)合材料技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076)

0 引言

在陶瓷基復(fù)合材料(CMC)領(lǐng)域，碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量和優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料中最具應(yīng)用前景的增強(qiáng)纖維之一[1]。Cf/SiC復(fù)合材料即碳纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，是由碳纖維、SiC陶瓷基體和界面相組成的[2]。根據(jù)纖維的組織結(jié)構(gòu)，Cf/SiC可分為2D、2.5D和3D的復(fù)合材料。

現(xiàn)如今，碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、能源技術(shù)、軌道交通工業(yè)、核工業(yè)等重要領(lǐng)域。但這種材料的硬度高、脆性大、各向異性、不均勻性和加工冷卻條件苛刻等特點(diǎn)，在切削加工過程中容易出現(xiàn)刀具壽命短、加工表面質(zhì)量低、加工精度低等問題，這使得Cf/SiC復(fù)合材料難以用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法加工成高精度、低損傷的結(jié)構(gòu)件。因此，如何實(shí)現(xiàn)Cf/SiC復(fù)合材料的高效、高質(zhì)量切削仍是實(shí)現(xiàn)其高性能應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)Cf/SiC復(fù)合材料的切削加工進(jìn)行了研究。畢銘智[3]對(duì)Cf/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了鉆削、銑削加工試驗(yàn)，確定了加工Cf/SiC復(fù)合材料的最佳刀具，并分析了工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響。劉艷等[4]通過旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)和普通銑磨加工的對(duì)比，得知旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助加工可大大降低切削力，降低幅度可達(dá)到50%以上。AZARHOUSHANG B[5]提出了一種新的Cf/SiC復(fù)合材料超聲振動(dòng)磨削系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)磨削系統(tǒng)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以降低磨削力和表面粗糙度。

低溫切削技術(shù)是指利用低溫冷空氣、液氮或液態(tài)二氧化碳等低溫流體冷卻工件材料、刀具或切削區(qū)域，并在低溫下進(jìn)行切削的方法[6]。目前，國內(nèi)外對(duì)低溫切削技術(shù)的研究主要集中在典型難加工金屬材料的切削上。齊向東[7]采用內(nèi)冷刀具對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了低溫銑削，發(fā)現(xiàn)低溫冷卻有效降低了表面粗糙度，減少了刀具粘結(jié)磨損，提高了加工效率。MANIMARAN G等[8]使用液氮冷卻磨削鋼表面，相對(duì)于干磨削和傳統(tǒng)冷卻液磨削，低溫磨削技術(shù)可降低表面粗糙度，改善表面完整性。BORDIN A等[9]對(duì)Ti6A14V工件進(jìn)行了低溫切削，發(fā)現(xiàn)低溫切削明顯改善了工件的加工質(zhì)量和延長刀具壽命，提高了Ti6A14V工件的加工性能。

雖然已有不少專家學(xué)者對(duì)Cf/SiC復(fù)合材料的切削加工進(jìn)行了研究，但仍然難以滿足如今各行業(yè)對(duì)Cf/SiC材料高效率和高質(zhì)量的加工需求。國內(nèi)外對(duì)低溫切削技術(shù)的研究主要集中在難加工金屬材料，而對(duì)低溫切削加工Cf/SiC復(fù)合材料的研究較少。復(fù)合材料低溫切削匹配性和加工性、低溫介質(zhì)和參數(shù)對(duì)復(fù)合材料切削特性影響規(guī)律、冷卻工藝參數(shù)優(yōu)化等方面的研究仍需不斷開展。本文著重研究利用金剛石刀具低溫銑削Cf/SiC復(fù)合材料的工藝優(yōu)化，研究了聚晶金剛石(PCD)刀具低溫銑削Cf/SiC復(fù)合材料過程中，低溫冷卻介質(zhì)(干冰、液氮)和冷卻工藝參數(shù)對(duì)切削力、加工表面完整性和切屑的影響規(guī)律，從而為難加工材料的低溫切削加工技術(shù)如何有效地降低切削溫度、提高刀具壽命和改善加工表面質(zhì)量提供指導(dǎo)，為實(shí)現(xiàn)Cf/SiC復(fù)合材料高效率、高質(zhì)量和低成本切削加工探索新途徑。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用Cf/SiC復(fù)合材料作為工件材料，尺寸為50mm×20mm×20mm，如圖1所示。工件所用碳纖維是T800，單根纖維直徑為5～7μm，每根經(jīng)紗或緯紗的寬度為1～1.5mm，經(jīng)緯層表面的垂直紗線寬度約為1mm。每層的經(jīng)緯紗平織面上，由多根經(jīng)紗和多根緯紗相交且上下交替編織而成。

采用直徑為φ10mm的雙刃聚晶金剛石立銑刀，如圖2所示。刀具的螺旋角約為4°，前角約為1.9°，后角約為8.8°，將其裝夾于一臺(tái)高速五坐標(biāo)加工中心(Mikron UCP710)，以此進(jìn)行銑削試驗(yàn)。

圖1 Cf/SiC復(fù)合材料

圖2 試驗(yàn)用PCD銑刀

基于低溫噴射冷卻技術(shù)，設(shè)計(jì)了低溫冷卻系統(tǒng)，如圖3所示，將低溫液氮或干冰按照一定的閥體出口壓力和噴射角度噴射于切削區(qū)中，對(duì)銑削過程進(jìn)行低溫冷卻。

試驗(yàn)中采用順銑平面銑削，如圖4所示。切削過程中所用的切削參數(shù)如表1所示，其中，噴嘴噴射角度是指噴嘴與刀具軸向之間的角度。在初步選擇適合于Cf/SiC復(fù)合材料銑削的切削參數(shù)后，分別進(jìn)行了Cf/SiC復(fù)合材料的干式銑削、干冰輔助銑削和液氮輔助銑削試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)若干組單因素實(shí)驗(yàn)，記錄各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過比較不同冷卻介質(zhì)、噴嘴射流角度和閥門出口壓力下的銑削力、銑削表面形貌和切屑形貌，探究低溫工藝參數(shù)的影響規(guī)律，并優(yōu)化低溫工藝參數(shù)。

試驗(yàn)過程中使用壓電式三向動(dòng)態(tài)測(cè)力儀(KISTLER 9625B)測(cè)量切削過程中坐標(biāo)軸x、y和z方向的切削力。采用光學(xué)顯微鏡(VHX-600)對(duì)工件表面形貌和微觀組織進(jìn)行了測(cè)試。使用日立(S-4800)掃描電子顯微鏡觀測(cè)不同冷卻介質(zhì)下的切屑形貌。采用激光共聚焦顯微鏡(LSM 700)對(duì)加工表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，并觀察了表層的微觀形貌。

圖3 低溫液氮冷卻系統(tǒng)

圖4 Cf/SiC銑削示意圖

表1 主要參數(shù)表

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削力隨冷卻工藝參數(shù)的變化規(guī)律

圖5為n=3000r/min，vf=60mm/min，ap=3mm，ae=2mm時(shí)單個(gè)銑削過程測(cè)得的三向切削力波形圖(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。波形圖已經(jīng)進(jìn)行過信號(hào)漂移補(bǔ)償和低通降噪濾波處理。當(dāng)?shù)毒唛_始切削工件和即將完成切削時(shí)，由于刀具與工件在初始切削和最終切削階段時(shí)存在不穩(wěn)定沖擊振動(dòng)，力的波動(dòng)范圍比穩(wěn)定銑削階段大得多。而在穩(wěn)定銑削階段，也存在少量的力值突變峰點(diǎn)，這是由于材料本身的結(jié)構(gòu)缺陷(材料內(nèi)部存在孔洞)和材料的各向異性所致，使得切削力有時(shí)會(huì)突然變得局部不均勻、不穩(wěn)定。本試驗(yàn)中，取穩(wěn)定銑削階段的最大切削力(不包括數(shù)值極大的突變點(diǎn))作為測(cè)得銑削力。根據(jù)測(cè)力儀上工件夾緊的位置方向和進(jìn)給方向，確定力的方向。如圖5所示，F(xiàn)x(垂直于進(jìn)給方向的水平力)取負(fù)方向的力值，F(xiàn)y(沿進(jìn)給方向的力)和Fz(沿主軸軸線方向的力)取正方向的力值。

圖5 銑削過程中測(cè)得的三向切削力波形圖

試驗(yàn)分別按如下參數(shù)進(jìn)行：

n=3000r/min；vf=60mm/min；ap=3mm；ae=2mm；P=4MPa(干冰)；P=0.075MPa(液氮)。

測(cè)得不同冷卻介質(zhì)、冷卻工藝參數(shù)所對(duì)應(yīng)的x、y和z軸方向的切削力，獲得不同坐標(biāo)軸方向上的切削力隨噴嘴噴射角度的變化曲線，如圖6所示。由此可知：

1) 無論是在干式切削、干冰輔助銑削還是液氮輔助銑削過程中，F(xiàn)x遠(yuǎn)高于Fy和Fz，且Fx是主要切削力，應(yīng)重點(diǎn)得到關(guān)注。干冰和液氮輔助銑削時(shí)的Fx明顯低于干式切削，即低溫銑削對(duì)Fx的影響較大。

2) 干冰輔助銑削時(shí)，F(xiàn)x隨噴射角度(30°～90°)的增大而平穩(wěn)減小，但變化不明顯，F(xiàn)y和Fz則呈先減小后增大的變化規(guī)律，且在φ=60°時(shí)，F(xiàn)y和Fz達(dá)到最低值。

3) 當(dāng)液氮輔助銑削時(shí)，F(xiàn)x隨噴射角的增大(30°～90°)先減小后增大，φ=60°時(shí)銑削力最小，銑削力下降最大，此時(shí)低溫銑削降低切削力效果最好；而Fy和Fz的變化較小，射流角度對(duì)Fy和Fz的影響較小。

相同的方法獲得不同坐標(biāo)軸方向上的切削力隨閥體出口壓力的變化曲線(n=3000r/min，vf=60mm/min，ap=3mm，ae=2mm，φ=30°)，如圖7所示。由此可知：

圖6 不同冷卻方式下各坐標(biāo)軸方向的力隨噴射角度的變化曲線

1) 對(duì)于干冰和液氮輔助銑削，隨著閥體出口壓力的增加(用干冰時(shí)，P=3～5MPa，用液氮時(shí)，P=0.05～0.1MPa)，F(xiàn)x先減小后顯著增大，F(xiàn)y和Fz則很小。

2) 在相同的閥門出口壓力下，干冰和液氮輔助銑削時(shí)Fy和Fz均顯著低于干式切削時(shí)的切削力，閥體出口壓力對(duì)Fx和Fy的影響較大。其中，P=4MPa(干冰)、P=0.075MPa(液氮)時(shí)，F(xiàn)x和Fy的值下降最大，表明降低切削力的效果也最好。

圖7 不同冷卻方式下各坐標(biāo)軸方向力隨閥體出口壓力的變化曲線

2.2 加工表面粗糙度隨冷卻工藝參數(shù)的變化規(guī)律

采用光學(xué)顯微鏡(VHX-600)測(cè)得了不同冷卻條件下工件的加工表面形貌，如圖8所示。工件的加工表面不可避免地存在孔隙，這與材料本身的孔隙率和材料切削斷裂機(jī)制有關(guān)。在Cf/SiC復(fù)合材料的制備過程中，特別是在碳纖維與基體SiC的結(jié)合處以及纖維束與其他纖維束的相交處，材料結(jié)合性較低，比較容易形成孔洞。

圖8 Cf/SiC 復(fù)合材料加工表面顯微圖

采用光學(xué)顯微鏡(VHX-600)測(cè)得了不同冷卻方式下加工表面放大200倍的形貌，如圖9所示，從被加工工件表面碳纖維區(qū)的表面形貌和碳纖維與基體的界面可以看出：

1) 干式銑削時(shí)，工件表面碳纖維層斷裂較多，甚至可以看到多層纖維束的斷裂痕跡和界面脫粘現(xiàn)象；

2) 干冰輔助銑削表面相對(duì)較好，但仍有不少碳纖維斷裂層；

3) 與前兩種冷卻方式對(duì)比，液氮輔助銑削加工的工件表面斷裂較少，碳纖維區(qū)的纖維束層也相對(duì)連續(xù)完整，表明液氮輔助銑削加工的工件表面完整性相對(duì)較好。

圖9 3種銑削方式下Cf/SiC復(fù)合材料加工表面顯微圖

采用激光共聚焦纖維鏡測(cè)得了不同冷卻方式下工件加工表面的形貌，如圖10所示，由此可知：

1) 干式銑削時(shí)工件表面非常不均勻，表面起伏變化大，有較多的深溝和高峰突起，表面質(zhì)量較差；

2) 干冰輔助銑削時(shí)，工件加工表面質(zhì)量較干式銑削時(shí)略有改善；

3) 液氮輔助銑削時(shí)，工件加工表面非常均勻，表面起伏變化不大，深溝槽少，突起的高峰也較少，加工表面完整性相對(duì)較好，表面質(zhì)量最好。

圖10 3種銑削方式下Cf/SiC加工表面激光共聚焦掃描圖

測(cè)得不同冷卻方式下工件加工的表面粗糙度，如圖11所示。由此可知，在低溫冷卻條件下，加工表面的Sa、Sq和Sz值明顯小于干式切削，表明低溫介質(zhì)冷卻輔助銑削時(shí)，工件加工表面質(zhì)量優(yōu)于干式切削。主要原因是低溫介質(zhì)降低了銑削力，提高了材料的低溫脆性，減少了工件的塑性，降低了工件材料在切削區(qū)的變形程度和對(duì)加工表面變形的影響。另外，與干冰冷卻相比，液氮冷卻輔助時(shí)工件加工表面的Sa、Sq和Sz值最低，表明加工表面質(zhì)量較高。

圖11 3種銑削方法加工的工件表面粗糙度

2.3 切屑形貌隨冷卻工藝參數(shù)的變化規(guī)律

采用掃描電子顯微鏡測(cè)得了不同冷卻介質(zhì)下銑削過程所產(chǎn)生的切屑形貌，如圖12所示。由此可知，用3種冷卻方式下銑削Cf/SiC時(shí)的切屑均為破碎的碳纖維和SiC陶瓷顆粒的混合粉末狀切屑。其中：

1) 干式銑削時(shí)，切屑多為細(xì)小的破碎顆粒(粉末SiC顆粒和破碎的細(xì)小碳纖維)，微塊狀陶瓷顆粒和長條狀碳纖維較少；

2) 與干式銑削相比，干冰輔助銑削時(shí)的切屑中含有較多的長條形碳纖維和微塊狀SiC顆粒，而液氮輔助銑削的切屑中含有大量的長條形碳纖維和較大塊狀的SiC陶瓷碎塊。這是因?yàn)镃f/SiC是硬脆材料，特別是陶瓷基體，在干式切削過程中容易以破碎的形式被去除。而在低溫介質(zhì)冷卻下，切削區(qū)溫度降低，導(dǎo)致基體與增強(qiáng)纖維結(jié)合強(qiáng)度降低，增強(qiáng)碳纖維更容易在整個(gè)截面上拔出或整體去除，而靠近碳纖維與基體界面處的碳化硅陶瓷也容易被整塊切削去除。

圖12 不同冷卻方式下切削Cf/SiC所得到的切屑形貌

3 結(jié)語

本文利用聚晶金剛石(PCD)刀具切削Cf/SiC復(fù)合材料，研究了Cf/SiC復(fù)合材料低溫銑削特性，并得出如下結(jié)論：

1) 無論是干式銑削還是干冰或液氮冷卻輔助銑削，F(xiàn)x(垂直于進(jìn)給方向的水平力)均遠(yuǎn)高于Fy(沿進(jìn)給方向的力)和Fz(沿主軸軸線方向的力)；與干式銑削相比，干冰或液氮冷卻輔助銑削的切削力均顯著降低；其中，在液氮輔助銑削條件下，當(dāng)閥體出口壓力為0.075MPa、噴射角度為60°時(shí)，銑削力最低，相對(duì)于干式銑削時(shí)切削力下降最大，低溫輔助降低切削力的效果最明顯，可作為冷卻工藝參數(shù)的最優(yōu)化方案。

2) 經(jīng)低溫冷卻(干冰和液氮)后，工件加工表面粗糙度Sa、Sq和Sz明顯低于干式切削，工件加工表面纖維束斷裂層較少，碳纖維區(qū)的纖維束層相對(duì)連續(xù)完整，表面起伏變化不大，液氮輔助銑削加工的工件表面完整性最好。

3) 3種冷卻方式輔助銑削Cf/SiC復(fù)合材料時(shí)的切屑均為破碎碳纖維和破碎SiC陶瓷的混合粉末狀切屑。與干式銑削相比，干冰輔助銑削的切屑中含有較多的長條碳纖維和微塊狀碳化硅顆粒，而液氮輔助銑削的切屑中含有大量的長條形碳纖維和大塊碳化硅碎塊。