刀具涂層和幾何參數對鉆削SiC/SiC的影響*

王明海，趙新偉，李曉鵬，莊 鑫

(沈陽航空航天大學 a.航空制造工藝數字化國防重點實驗室；b.沈陽市先進航空難加工結構數字化制造重點實驗室，沈陽 110136)

0 引言

碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料(SiC/SiC復合材料)具有耐高溫、低密度、高比模、高強度、高耐磨、抗氧化、耐化學腐蝕、低熱膨脹系數等優點，被廣泛應用于航空航天及核能等領域[1-3]。在飛機的結構件的裝配連接中需要大量的孔進行螺栓連接[4-5]，然而SiC/SiC復合材料的高硬度、高脆性等特點使其在孔加工中存在刀具磨損嚴重和材料在機械應力的作用下受到破壞等問題，所以研究SiC/SiC復合材料的制孔加工尤為重要。

針對SiC/SiC復合材料這類的硬脆難加工材料的制孔問題，焦健等[6]采用機械加工、水流射加工和激光加工的方式進行制孔，并分析了加工后的表面形貌。Sriram R[7]使用激光加工的方法進行了激光鉆孔，建立了一個加工過程中預測熱物理性質的數值模型。謝巍杰等[8]采用機械鉆孔和激光鉆孔的方式進行制孔，對制孔質量和兩種工藝的優缺點進行了分析。王健健[9]發現利用旋轉超聲加工技術可以減小約70%的出孔撕裂損傷，得到比普通磨削加工更好的孔壁表面質量。康仁科等[10]采用超聲輔助磨削和普通磨削的方式鉆孔，對比了兩者的磨削力大小和加工后材料的表面粗糙度，并分析了材料的去除機理。陳玉榮等[11]使用金剛石套料鉆進行超聲振動輔助鉆孔加工，研究了磨粒的排布參數對刀具壽命和制孔精度的影響。屈碩碩等[12]研究了不同的工藝參數下磨削制孔的工藝性能，分析了磨削參數對材料表面粗糙度、表面形貌及磨削力的影響。Chen J等[13]分析了不同銑削參數對加工表面完整性的影響，研究了銑削參數變化對材料去除機理的影響。Liu Y等[14]進行了超聲振動輔助銑削和金剛石涂層銑刀常規銑削的試驗測試，對超聲振動輔助加工過程中的切削力進行了研究，分析了兩種加工方式下涂層刀具的磨損形式和機理。Wang Y等[15]首次采用超聲振動銼削方式加工深腔結構零件的內表面，并驗證了其可行性。孟凡卓等[16]使用磨料水流射對C/SiC復合材料進行切槽加工，發現材料的去除形式是脆性斷裂。王明海等[17]使用超聲扭轉振動銑削C/SiC復合材料表面，研究了加工參數對表面粗糙度的影響。

目前，針對SiC/SiC復合材料的加工研究有了很多成果，但大多都是特種加工的方式，且制孔方式主要集中在磨削制孔上，很少使用鉆頭鉆削制孔的方式加工，且從刀具本身的角度出發去看切削力和刀具磨損的變化規律尚有待深入研究。本文通過進行鉆削SiC/SiC復合材料的試驗，研究刀具涂層對鉆削加工的影響，探究刀具角度和切削力變化的規律，并觀察和分析加工后的刀具磨損情況和孔出口質量，此研究對提高SiC/SiC復合材料制孔精度，減少加工成本具有重要意義。

1 刀具涂層的影響

1.1 試驗材料及裝夾方式

在VMC850B型數控加工中心進行實驗，實驗材料為尺寸50×100和20×75的兩塊SiC/SiC復合材料板，厚度均為3 mm，由于材料屬于硬脆材料，在加工時不能直接用傳統的機械裝夾方式，容易造成材料的二次損傷，所以在裝夾時采用石蠟粘接的方式，將其固定在夾具上，為了不影響實驗結果，夾具材料選擇材質較軟的樹脂陶瓷，試驗采用干式鉆削，試驗系統如圖1所示。

圖1 SiC/SiC復合材料鉆削試驗系統

1.2 試驗刀具

SiC/SiC復合材料屬于難加工的硬脆材料，在深入分析鉆削過程中的規律之前，首先要對其可加工性進行判斷，所以采用牌號相同，有無涂層的兩把刀具對SiC/SiC復合材料進行鉆孔驗證。刀具材料為廈門金鷺生產的牌號為GK05A的硬質合金，刀具直徑為6 mm，性能參數及涂層厚度參數如表1所示，加工材料為20×75的SiC/SiC復合材料板，采用超景深顯微鏡對孔進行觀察。鉆削的加工參數為：主軸轉速2000 r/min，進給速度10 mm/min。

表1 刀具性能參數表

1.3 結果分析

加工后的鉆孔效果如圖2所示，可以看到普通硬質合金刀具并沒有成功鉆孔，孔的表面也沾結了大量的刀具基體材料，這是因為鉆削時產生的大量的切削熱使刀具基體融化，通過軸向力的作用沾結在材料表面。

圖2 涂層刀和未涂層 刀鉆孔對比

金剛石涂層的刀具鉆孔效果較好，如圖3所示，入口處孔徑6.279 mm，有一處崩邊，出口處孔徑6.117 mm，并有毛刺產生。這是因為刀具鉆尖部位在進給到材料的下表面時，在靠近主切削刃的副刃處由于磨損，刀具的直徑會變小，所以在繼續鉆出的過程中出口孔徑會減小。因為切削刃的缺失，出口處的纖維不能完全斷裂，加上部分基體的粘結，形成了出口的毛刺。

圖3 金剛石涂層刀具鉆孔后的孔出入口形貌

加工后的刀具如圖4所示，可以看到，普通硬質合金刀具主切削刃部分已經磨平，刀頭已經嚴重變形，金剛石涂層刀具的主切削刃和副切削刃連接處的刃尖已經磨鈍，主切削刃有崩刃，主后刀面金剛石涂層脫落，已經露出刀具基體。由此可以得出，普通硬質合金刀具在低轉速低進給的情況下并不適合加工SiC/SiC復合材料，而相同條件下的金剛石涂層刀具則可以加工，但是磨損較為嚴重。

圖4 未涂層鉆頭和金剛石涂層鉆頭加工后形貌

2 刀具幾何參數的影響

2.1 試驗方案

選取刀具角度(螺旋角、后角、頂角)作為對鉆削力的影響因素，如表2所示，鉆削力作為指標，且鉆削力越小越好，加工過程中使用Kistler9257B測力儀對鉆削力進行測量，試驗完成后使用VMX-2000C超大景深光學三維顯微鏡對刀具磨損和孔的表面形貌進行檢測。試驗所需刀具為金剛石涂層的硬質合金鉆頭，材料為50×100的SiC/SiC復合材料板，厚度為3 mm，試驗方案表如表3所示。

表2 因素水平表

表3 試驗方案表

2.2 試驗結果分析

2.2.1 切削力分析

鉆削過程主要分為3個階段，如圖5所示。即第1個階段(圖5a)為鉆頭橫刃剛接觸工件上表面到鉆頭整個主切削刃切入工件，第2階段(圖5b)為第1階段末至鉆頭橫刃鉆削至工件下表面，第3階段(圖5c)是從上階段末至主切削刃全部鉆出工件。在加工過程中刀具受到的切削力可以分解為x、y、z方向，但是鉆孔過程主要是向下的進給運動，所以鉆頭受到的切削力主要是測力儀測出的軸向的Fz,在試驗過程中的切削力取值在第2階段中的Fz的平均值。

(a) 第1階段 (b)第2階段 (c)第3階段

極差R的大小反應了相應因素作用的小，極差大的因素意味著其不同水平給指標所造成的差別較大，通常是主要因素，極差小的因素，意味著其不同水平給指標造成的差別較小，一般是次要因素，對試驗結果進行極差分析，結果如表4所示。

表4 試驗結果分析計算表

續表

表4中，Ⅰ為因素所在的列中水平1所對應的切削力的和；Ⅱ為因素所在的列中水平2所對應的切削力的和；Ⅲ為因素所在的列中水平3所對應的切削力的和；R為該因素的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中最大值與最小值的差。

由表4可知，按極差的大小，在鉆削SiC/SiC復合材料時，影響切削力大小的刀具角度因素是螺旋角>頂角>后角，且后角對切削力的影響遠小于螺旋角和頂角，實際生產中可不作要求。由于要得到最小切削力，故取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中最小值所對應的水平，得到頂角118°、螺旋角20°、后角16°。

因素水平變化時，切削力變化的趨勢如圖6所示，由圖可知，在鉆削SiC/SiC復合材料時，刀具頂角和螺旋角對切削力的影響整體呈上升趨勢，且螺旋角的上升趨勢明顯，后角整體呈水平狀態。

圖6 因素水平變化趨勢圖

為了驗證刀具角度變化對切削力的影響規律的準確性，使用試驗分析得到的較優條件制作一把刀具進行鉆孔試驗驗證，測得切削力后與已做試驗中的切削力最小的方案進行對比，來確定結論的準確性，得到的切削力曲線如圖7所示。

圖7 最優參數鉆削下的切削力

可以看到，在20.6 s時刀具接觸到工件上表面，在30.3 s～40.5 s階段為鉆削的第2階段，這一時間段的平均切削力為79.258 75 N，低于正交試驗中得到的切削力最小方案。

2.2.2 刀具磨損和孔形貌分析

SiC/SiC復合材料屬于難加工材料，在鉆削過程中對刀具的磨損量巨大，因此研究刀具角度對刀具磨損之間的規律有助于指導實際生產，有效的提高刀具的利用率，縮小成本。如圖8～圖10所示，分別為頂角118°，螺旋角20°、25°、30°，后角12°、16°、20°的鉆頭在加工一個孔之后孔出口處的表面形貌。

由圖可知，螺旋角在20°和25°時，孔出口處有毛刺和纖維拔出，螺旋角30°時孔出口處的圓度較前兩組有明顯差異，這是因為刀具切削刃的崩刃造成在鉆出時的孔徑達不到標準。圖11所示為刀具鉆削后磨損形貌，由圖可知刀具的主要磨損形式是切削刃處的涂層脫落和切削刃的崩刃，可以用圖中標注的陰影部分，即涂層脫落面積來判斷刀具的磨損程度。圖12為9組試驗對應的刀具磨損曲線。

圖8 頂角118°、螺旋角20°、后角12°鉆頭鉆孔形貌 圖9 頂角118°、螺旋角25°、后角16°鉆頭鉆孔形貌

圖10 頂角118°、螺旋角30°、后角20°鉆頭鉆孔形貌 圖 11刀具磨損形貌

圖 12刀具涂層脫落面積曲線

如圖13～圖15所示，分別為頂角124°，螺旋角20°、25°、30°，后角16°、20°、12°的鉆頭在加工一個孔之后的孔出口形貌，由圖可知，孔出口處的質量較1、2、3組試驗結果差，毛刺和纖維拔出明顯增多，這是因為頂角增大，鉆頭鋒利程度減小，但耐磨性增大，所以崩刃情況和涂層脫落要好于前三組試驗。涂層脫落面積情況呈逐漸增加的趨勢，在螺旋角30°時相比前兩組刀具切削刃有一大塊缺口，這是因為涂層脫落速度較快，刀具基體過早的與材料接觸導致。

如圖16～圖18所示，分別為頂角130°，螺旋角20°、25°、30°，后角20°、12°、16°的鉆頭在加工一個孔之后的孔出口形貌，由圖可以看出孔出口處的質量好于上一組試驗，且涂層脫落面積情況為螺旋角20°>螺旋角30°>螺旋角25°，綜合三組試驗，在螺旋角相同時，頂角在118°時的涂層脫落面積最小，孔出口處毛刺數量最少，所對應的切削力也最小，與正交試驗得到的結論相符。

圖13 頂角124°、螺旋角20°、后角16°、鉆頭鉆孔形貌 圖14 頂角124°、螺旋角25°、后角20°鉆頭鉆孔形貌

圖15 頂角124°、螺旋角30°、后角12°鉆頭鉆孔形貌 圖16 頂角130°、螺旋角20°、后角20°鉆頭鉆孔形貌

圖17 頂角130°、螺旋角25°、后角12°鉆頭鉆孔形貌 圖18 頂角130°、螺旋角30°、后角16°鉆頭鉆孔形貌

3 結束語

本文首先使用有無金剛石涂層的刀具鉆削SiC/SiC復合材料，研究刀具涂層對加工SiC/SiC復合材料的影響，發現沒有涂層的硬質合金刀具在低轉速遞進給的情況下不適合加工SiC/SiC復合材料，而金剛石涂層的刀具加工效果較好，在主軸轉速2000 r/min、進給10 mm/min，刀具涂層不變的情況下，改變刀具幾何角度，研究切削力的變化規律，并對加工后孔出口處的缺陷和刀具的磨損進行了分析，最后得出結論：

(1)在鉆削SiC/SiC復合材料過程中，刀具角度的變化對切削力影響明顯，且螺旋角對切削力的影響最大，其次是頂角，后角的影響最小。刀具頂角和螺旋角對切削力的影響整體呈上升趨勢，且螺旋角的上升趨勢明顯，后角的影響相對可以忽略不計，整體呈水平狀態。最后通過正交試驗得到的一組最小切削力的刀具角度參數為頂角118°、螺旋角20°、后角16°。

(2)刀具磨損的主要形式是涂層脫落和切削刃崩刃，在頂角124°、螺旋角25°、后角12°時涂層脫落面積最大，在頂角和后角一定時，隨著螺旋角增大，涂層脫落面積增大，螺旋角和后角一定時，頂角越大，涂層脫落面積越大，變化趨勢同切削力變化趨勢相同。

(3)孔入口處形貌完整，沒有缺陷，隨著刀具產生磨損，出口處的形貌差別較大，主要缺陷是毛刺和纖維拔出，產生的原因是涂層脫落后，切削刃的硬度和強度下降，導致切削刃崩刃，從而產生缺陷。