C/SiC復合材料表面粗糙度銑削加工工藝研究

吳煜斌 張飛飛 王 樂 劉可可

C/SiC復合材料表面粗糙度銑削加工工藝研究

吳煜斌 張飛飛 王 樂 劉可可

（西安航天復合材料研究所，西安 710025）

分別運用鑲嵌金剛石銑刀、鎢合金銑刀、金剛石磨棒以及超硬銑刀對C/SiC復合材料進行切削加工，通過大量的切削工況的試驗，分析了刀具、切削軌跡和加工余量對于材料表面質量和粗糙度的影響。試驗研究表明：金剛石銑刀相比其他三種刀具能有效地改善材料的粗糙度和亞表面質量；綜合材料粗糙度參數和電鏡結果得出銑削軌跡對材料表面質量的影響依次為單向刀路、縱向往復刀路，橫向往復刀路、螺旋刀路；當C/SiC復合材料的加工余量減少到一定程度,表面粗糙度會趨于穩定。

C/SiC復合材料；粗糙度；表面質量；切削軌跡；加工余量

1 引言

C/SiC復合材料作為一種綜合性能優異的高溫熱結構材料，在航空、航天核能領域具有著廣泛的應用前景，目前成為各個西方國家的研究熱點，但是SiC陶瓷基復合材料硬度高，屬于脆性材料，切削性能較差，一般使用銑削刀具或者磨棒加工。磨削加工雖然能得到較好的表面粗糙度，但是效率較低且不能留太大加工余量，而銑削加工材料表面的質量和粗糙度無法保證，這種加工會在材料表面或表面之下產生細微的裂紋。何濤等人討論了切削力的增大會使SiC材料的裂紋增多且擴展深度變大，影響表面質量。王明海等人研究了超聲輔助加工，通過改變刀具的切入方式，使工件和刀具產生周期性的分離，可以降低表面粗糙度。這些文獻雖然在改善SiC材料的粗糙度有技術上的提升，但是表觀質量的提升是一個無限的過程。在工程應用中，在保證一定加工效率的前提下，如何獲得滿足設計要求的粗糙度指標目前還不清楚。在上述研究的基礎上，選擇鑲嵌金剛石銑刀、鎢合金銑刀、超硬銑刀、金剛石磨棒和不同的加工工藝對SiC復合材料進行銑削加工。通過對比表面粗糙度和亞表面損傷，得出工藝方法對產品質量的影響，為SiC加工提供理論參考。

2 實驗條件及方法

2.1 實驗條件

C/SiC復合材料加工實驗在KV1400D加工中心上進行，選用的刀具為鑲嵌金剛石銑刀（A）、鎢合金銑刀（B）、超硬銑刀（C）以及金剛石磨棒（D），如圖1、圖2所示。實驗中所選取的試樣為化學氣相沉積聯合先驅體浸漬裂解法制備的針刺C/C-SiC復合材料，材料為碳布/網胎纖維疊層結構，針刺預制體向由兩種纖維組成：無序分布水平取向的網胎纖維，如圖3a；規律分布的碳布碳纖維，如圖3b。碳布纖維直徑為7μm，纖維體積分數為35%，碳基體體積分數為21%，碳化硅基體體積分數為37%，孔隙率為7%。

圖1 試驗刀具

圖2 C/SiC復合材料加工

圖3 XY向纖維

2.2 實驗方法

實驗在干切條件下，采用單向順銑方式，為了研究現有切削刀具和切削余量對加工表面質量的影響，采用單因素實驗法。實驗中的加工試樣為150mm×50mm×30mm，選取的加工參數為主軸轉速1500r/min，加工進給量100mm/min，徑向切削寬度2mm。對加工后的試樣切割，將其加工為適合電鏡的尺寸10mm×50mm×30mm，并用Mitutuyo SJ-210手持式粗糙度儀測量工件的表面粗糙度。由于SiC材料本身各向異性，內部存在孔隙，所以選取試樣兩個纖維方向各3個部位進行測量，從而得到試樣最準確的粗糙度值。

3 刀具的選擇與效果

C/SiC復合材料屬于各向異性材料，且為高硬脆性材料，機械加工該類材料，產品的粗糙度、尺寸精度、纖維完整性是主要考慮的因素。王明海等人通過電鍍金剛石和硬質合金對加工試樣的切削及亞表面分析，得出電鍍金剛石刀具表面微小磨粒使工件表面質量較好，但其未探究加工表面的粗糙度。

針對本實驗所選用的C/SiC復合材料的特性，選用鑲嵌金剛石銑刀、鎢合金銑刀、金剛石磨棒以及超硬銑刀這四種刀具進行切削實驗。切削過程模擬產品精加工工況，選取加工余量0.4mm，刀具轉速1500r/min，進給量100mm/min，并用粗糙度儀測量試驗對象。

圖4 刀具對粗糙度的影響

圖4所示為用四種切削刀具對試樣加工后粗糙度數據對比，由于C/SiC復合材料本身的均勻性較差，單一一個點無法表征真實的粗糙度值，所以試驗得到的粗糙度數值均為多個點后采樣均值。通過數據對比可以看到金剛石銑刀加工后的表面粗糙度最佳，粗糙度值為3.8μm；鎢合金銑刀、金剛石磨棒、超硬銑刀相比粗糙度值較高，分別達到了5.55μm、7.04μm、8.05μm。造成該種情況的原因是刀具耐磨性差，無法保證刀具的鋒利程度，使表面粗糙度增大。圖5所示為用四種刀具加工后的表面放大30倍的電鏡照片，可以看到鎢合金銑刀、金剛石磨棒、超硬銑刀的加工表面的纖維和基體的結合部位出現了大量的空洞，以及纖維拔出現象。金剛石銑刀加工表面纖維的表面質量較好，纖維和基體孔隙缺陷較少，所以在后續的試驗均采用鑲嵌金剛石銑刀研究。

圖5 不同切削刀具下的表面形貌

4 刀路影響分析

圖6 刀路

與金屬切削加工不同，在C/SiC復合材料的加工過程中刀路軌跡不僅影響加工效率，同時也會影響產品的表觀及微觀質量，所以針對C/SiC復合材料在精加工過程中選擇合理的加工軌跡對保護纖維的完整性十分重要。本試驗所選取的復合材料為針刺C/C-SiC材料，在銑削過程中為了避免不合理的軌跡對材料的破壞，選用四種走刀方式，單向刀路、縱向往復、橫向往復、螺旋刀路，研究刀路軌跡對材料表觀質量的影響，如圖6所示為加工軌跡和材料纖維方向的關系，加工參數為=1500r/min、=100mm/min，刀具切深0.4mm。

圖7為銑削C/SiC復合材料試樣分別采用四種不同刀路軌跡后的表面粗糙度結果，可以看到單向刀路軌跡的加工表面的粗糙度最佳，粗糙度值為3.46μm；縱向往復、橫向往復、螺旋刀路粗糙度值分別達到了4.21μm、4.03μm、4.09μm，且三者之間差距較小。根據材料的特性，該材料有縱向、橫向纖維，而材料的去除機理是通過脆性斷裂方式去除，所以上述結果說明刀具沿著單一纖維方向切削（單向刀路）碳陶材料的表面粗糙度較好。其他的切削方式加工過程中，刀具至少有兩個方向對材料去除，這樣會使材料的表面粗糙度變大。

圖7 刀路對粗糙度的影響

圖8 不同切削刀具下的表面形貌

如圖8所示，通過觀察加工面表面放大50倍的掃描電鏡結果可以看到，復合材料基體和纖維上均出現了不同程度的纖維斷裂和孔隙。圖8d顯示采用螺旋式銑削軌跡纖維出現大面積斷裂，并且伴隨著纖維區域塌陷，這是由于刀具在運動過程中同時從橫縱兩個方向切斷纖維造成纖維拔出；圖8a采用單方向銑削刀路（單向刀路）的材料表面纖維完整性較好，并沒有出現明顯的纖維斷裂和基體塌陷，說明刀具沿著纖維方向切削可以保持纖維束的完整性；圖8b和圖8c從掃描電鏡照片可以看到兩種往復式刀路加工表面的損傷情況類似，纖維存在一定程度的斷裂。

5 余量影響分析

加工C/SiC復合材料時，為了得到更好的表面粗糙度和保持纖維的完整性，需要對其精加工，何濤等人研究了C/SiC復合材料表面粗糙度隨著軸向切深的增大而增大，但并沒有研究隨著加工余量的減小粗糙度的變化情況和亞表面情況。圖9為C/SiC復合材料加工表面粗糙度和加工余量的變化關系，加工刀具為金剛石銑刀，加工參數為=1500r/min、100mm/min，可以看到表面粗糙度隨加工余量的減小而減小，加工余量從1.8mm降低到1.0mm，粗糙度值從10.5μm降低到5.56μm，加工余量0.8～0.2mm，粗糙度穩定在4.36～3.63μm，說明C/SiC復合材料銑削加工表面粗糙度的減小程度會隨著加工余量的減小而減小，但是在到達某一個余量時最終會趨于穩定。

圖9 加工余量對粗糙度的影響

圖10 不同加工余量下的表面形貌

試驗選取了加工余量為1.6mm、1.0mm、0.6mm、0.2mm四種試樣進行掃描電鏡觀測，可以看到不同加工余量的材料表面纖維斷裂情況，電鏡結果和粗糙度測量結果保持一致。圖10a觀察加工余量為1.8mm的表面情況，由于加工余量較大，刀具抗力增大，使刀具加工時振幅增大，試樣表面出現了大面積的層狀破損和纖維切斷，表層縱向纖維和基體被脆性去除，露出下層的橫向纖維；圖10b是加工余量為1.0mm的加工試樣的電鏡照片，加工余量降低，刀具的切削力減小，從圖像上可以看到纖維并沒有發生整片區域的剝離和連片斷開，僅存在一定的基體塌陷和部分纖維斷裂；圖10c和圖10d為加工余量0.6mm、0.2mm加工試樣的電鏡照片，可以看到完整的縱向和橫向纖維束。通過圖9的數據和圖10的電鏡表征結果分析得到，雖然0.2mm加工余量的試樣表面的纖維完整性優于0.6mm的試樣，但是粗糙度值基本一致，可見C/SiC復合材料亞表觀質量并不能完全反映粗糙度的情況。

6 結束語

通過對C/SiC復合材料分別從切削刀具、切削軌跡、加工余量三方面進行試驗研究，得到以下結論：

a. C/SiC復合材料的加工通過刀具對材料進行層狀脆斷的方式去除材料，金剛石刀具耐磨性的特點可以降低表面粗糙度，同時也可以改善纖維斷裂和基體的塌陷情況。

b. C/SiC復合材料加工面的粗糙度和刀路軌跡有關聯，通過試驗中用到的四種刀路軌跡，并根據其粗糙度和亞表面情況可以得出：切削軌跡沿著單一纖維方向運動能夠改善表觀質量，而當刀路和纖維方向成一定角度切削時，會造成橫縱兩個方向切斷纖維及纖維拔出，導致表面質量和粗糙度下降。

c.為了得到較好的表面質量，可以通過減小加工余量改善，觀察材料表面電鏡結果可以看到從1.8～0.2mm纖維的完整性不斷提升。但是當加工余量≤0.8mm時，材料表面的粗糙度保持穩定，不會再隨余量的減小而下降。

1 Evans A G, Marshall D B. The mechanical behavior of ceramic matrix composites[J]. Acta Materialia, 1989, 37（10）：2567～2583

2 梁春華.纖維增強陶瓷基復合材料在國外航空發動機上的應用[J].航空制造技術，2006（3）：40～45

3 何濤，傅玉燦，蘇宏華，等.C/SiC復合材料銑削表面完整性研究[J].南京航空航天大學學報，2014，46（5）：701～706

4 王明海，姜慶杰，劉大響，等.超聲扭轉振動銑削C/SiC復合材料表面粗糙度研究[J].組合機床與自動化加工技術，2015（6）：12～16

Study on Surface Roughness Milling Process of C/SiC Composite Materials

Wu Yubin Zhang Feifei Wang Le Liu Keke

(Xi’an Aerospace Composite Research Institute, Xi’an 710025)

C/SiC composites are machined by inlaid diamond milling cutter, tungsten alloy milling cutter, diamond grinding rod and super hard milling cutter. Through a large number of cutting experiments, the influences of cutting tool, cutting path and cutting rate on the surface quality and roughness of materials are analyzed. The experimental results show that diamond milling cutter can effectively improve the material roughness and sub-surface quality compared with the other three kinds of cutting tools; the influence of milling path on material quality can be obtained by synthesizing the material roughness parameters and SEM results, which are unidirectional tool path, longitudinal reciprocating path, transverse reciprocating path and spiral path, transverse reciprocating path and spiral path; the finish allowance of C/SiC composites is reduced to a certain extent, and the surface roughness value tends to be stable.

C/SiC composite；roughness；surface quality；cutting path；finish allowance

吳煜斌（1992），工程師，化工過程機械專業；研究方向：復合材料機械制造。

2020-11-30