C/C-SiC復合材料的超聲振動銑削工藝研究

徐紅霞 王 歡 孫 坤 牛 軍 劉 斌

C/C-SiC復合材料的超聲振動銑削工藝研究

徐紅霞 王 歡 孫 坤 牛 軍 劉 斌

（西安航天復合材料研究所，西安 710025）

C/C-SiC復合材料具有高比強、高硬度、耐高溫和熱穩定性好等優點，已在航空、航天、高速剎車等領域廣泛應用，但加工表觀質量是限制其應用的重要因素。研究了切削深度p、主軸轉速、切削進給量對C/C-SiC復合材料的超聲振動銑削表觀質量的影響。結果表明：當切削深度p=1～2mm、主軸轉速=1000～2000r/min、切削進給量=0.2～0.5mm/r時，C/C-SiC復合材料的超聲振動銑削加工效率最高，相應的表觀質量也較好，適用于粗加工工序；當切削深度p=0.1～0.5mm、主軸轉速=1000～2000r/min、切削進給量<0.2mm/r，則可以獲取最佳的表面加工質量，適用于精加工工序。

C/C-SiC；超聲振動銑削；切削深度；主軸轉速；切削進給量

1 引言

C/C-SiC復合材料具有高強度、高剛度、高溫尺寸穩定、高溫力學性能好、抗燒蝕、抗熱震、耐腐蝕等諸多優點，其結構可設計性尤為突出，可以滿足1600℃以下長壽命、2200℃以下有限壽命服役要求，是火箭發動機噴管、航空發動機等關鍵熱端部件或熱防護系統、軍用/民用飛機剎車片、大型空間反射鏡等的理想材料[1～3]。C/C-SiC復合材料的制備工藝特性，決定了必須對其進行二次加工才能滿足最終產品或構件的表觀質量和精度要求。但是，C/C-SiC復合材料致密到較高密度時，會顯示出高硬度、高強度特點，其力學性能還具有各向異性，采用傳統的機械加工方法極易出現掉渣、崩邊、毛刺、表面裂紋等缺陷，同時也會導致刀具嚴重磨損和失效，是一種典型既硬又脆的難加工材料[4～7]。隨著C/C-SiC復合材料在航空航天等領域應用的推廣和深入，對其加工精度、加工表觀質量和加工效率等方面提出越來越高的要求[1，2]。因此，亟需尋求一種工藝穩定性好的高效特種加工方法，以解決C/C-SiC復合材料普通機械加工時所出現的加工效率低、加工表觀質量差、刀具嚴重磨損等一系列難題。

超聲振動銑削是一種新興的特種材料加工技術，其原理是利用產生超聲振動（振動頻率超過每秒16000次的振動波）的工具，帶動其所安裝刀具對被加工零件進行微小沖擊加工，對待加工材料產生微小脆性破壞，通過刀具的可控、有規律的微小振動，從微觀上粉碎待加工材料，借助磨料等輔助作用，達到去除材料的作用，具有加工質量好、表面精度高、加工過程平穩，殘余應力小等優點[4，5，7～11]。項超等[9]研究了針刺C/SiC復合材料的超聲振動磨削工藝，發現材料脆性去除方式為主，采用高速微磨削可以有效提高加工效率和表面加工質量；李仁鎖等[10]對氧化鋁工程陶瓷材料進行了超聲振動車削研究。發現相對于傳統車削技術，超聲振動車削在提高構件表觀質量方面具有顯著優勢。梁桂強等[12]將超聲輔助加工技術應用到高體積分數SiCp/Al復合材料的磨削加工，也證實了其在高效精密加工方面的優勢；肖春芳等[13]發現超聲振動銑削能夠有效提高磨削表觀質量，降低粗糙度，但是大振幅和高頻振動情況下會導致材料表面損傷增加。目前C/SiC復合材料的超聲振動銑削工程化應用方面工藝研究還不夠成熟，加工工藝參數對構件表觀質量的影響規律研究也不夠深入，仍存在較多的加工技術瓶頸[4，5，14，15]。

本文對C/C-SiC復合材料進行了超聲振動銑削加工對比試驗，研究超聲振動銑削工藝三大要素，即切削深度p、主軸轉速、切削進給量對加工表觀質量的影響規律，探索工程化應用條件下C/C-SiC復合材料的超聲振動銑削工藝。

2 實驗材料及方法

2.1 試驗材料及設備

試驗材料為C/C-SiC復合材料，經化學氣相滲透致密、浸漬、固化、裂解等工藝方法制備。超聲波振動三軸銑削數控機床CKN-200901（超聲波振動頻率超過每秒16000次的振動，波超聲加工電流約為110mA）進行試樣加工，表觀質量由日本三豐SJ-210便攜式表面粗糙度測量儀進行表面粗糙度測量表征。

2.2 超聲振動銑削工藝參數

2.2.1 切削深度p

控制主軸轉速=1000r/min和切削進給量=100mm/min的條件下，選用不同切削深度，相應表面粗糙度測量結果及表觀質量情況見圖1。

圖1 切削深度ap與加工表觀質量關系圖（f=0.1mm/r、n=1000r/min）

2.2.2 主軸轉速

控制切削深度p=0.5mm和切削進給量=100mm/min的條件下，選用不同主軸轉速后，相應的表面粗糙度測量結果及表觀質量情況見圖2。

圖2 主軸轉速與加工表觀質量關系（f=0.1mm/r，ap=0.5mm）

2.2.3 進給量

數控系統分別設置恒定切削深度p=0.5㎜和恒定主軸轉速=1000r/min條件下，依次設置車削進給量=0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、0.8（單位mm/r）。進給量每次變動都需在試驗件100mm行程內進行加工試驗，并觀察加工過程，同時測量并記錄粗糙度，相應表面粗糙度測量結果及表觀質量情況見圖3。

圖3 切削進給量f與加工表觀質量關系圖（n=1000 r/min，ap=0.5mm）

3 結果與討論

3.1 切削深度ap對表觀質量的影響

圖1為C/C-SiC復合材料超聲振動銑削主軸轉速和進給量恒定時，表面粗糙度與切削深度p變化曲線圖。可知，在主軸轉速和進給量恒定條件下，C/C-SiC復合材料的表面粗糙與切削深度a之間呈非線性正相關關系，大致可劃分以下四個區間：

當切削深度p=0.1～0.5mm時，C/C-SiC復合材料的表面粗糙度變化不大，維持在a=1.5mm左右，加工表觀質量好；隨著切削深度p增加至1～2mm時，表面粗糙度有一定程度的增加，但仍可獲得較好的加工表觀質量a＜5mm；當切削深度p增大至3mm左右時，開始出現掉渣現象，加工表觀質量明顯變差；當切削深度p再繼續增大時，表面粗糙度增長迅速，加工刀具發顫，材料銑削加工基本無法實現。切削深度p是直接影響材料超聲振動銑削加工表觀質量與生產效率的重要因素。因此，當C/C-SiC復合材料需要大量去除加工余量、追求生產效率時，可選用超聲振動銑削切削深度p=1～2mm，既可保證一定的表觀質量和尺寸精度，同時也兼顧了生產效率；要求精加工時，可以將切削深度p控制在0.1～0.5mm范圍，保證材料的表觀質量。

3.2 主軸轉速n對表觀質量的影響

圖2為C/C-SiC復合材料超聲振動銑削切削深度p和進給量恒定時，主軸轉速與加工表觀質量關系圖。可知，C/C-SiC復合材料產生振動銑削表面粗糙度隨著主軸轉速的增加先快速降低，然后緩慢減小至基本穩定，大致可分成三個區間：

當主軸轉速較低（例如≤600r/min）時，超聲振動銑削刀具發顫現象明顯，基本無法實現正常加工；當主軸轉速繼續增大至≈800r/min時，加工刀具基本恢復正常，可以獲得較好的加工表觀質量；當主軸轉速增加至1000～3000r/min時，超聲振動銑削刀具正常，加工表觀質量好，表面粗糙度基本保持穩定a≤2mm。

從生產角度出發，轉速越高，效率越高，但結合實際設備的負載情況，主軸速度越快，反而不利于設備的長期穩定使用。因此，C/C-SiC復合材料超聲振動銑削主軸轉速可以選取在1000～2000r/min。

3.3 切削進給量f對表觀質量的影響

圖3為C/C-SiC復合材料超聲振動銑削主軸轉速和切削深度p恒定時，進給量與加工表觀質量關系圖。由圖可知，在主軸轉速和切削深度p恒定條件下，C/C-SiC復合材料的表面粗糙與進給量之間呈非線性正相關關系，即隨著進給量增大，表面粗糙度增長速率逐漸增大，超過一定范圍后，表觀質量急劇下降，大致可分為三個區間：

當進給量＜0.2mm/r時，表面粗糙度變化不大，維持在a≤1.5mm，加工表觀質量很好；隨著進給量增加至0.2～0.5mm/r時，表面粗糙度有一定程度的增加，但仍可以獲得較好的加工表觀質量；當進給量繼續增大（例如＞0.6mm/r）時，加工刀具發顫現象逐漸加劇，難以對C/C-SiC復合材料進行正常加工。這是由于隨著進給量的增加，在進給方向上刀具銑削殘留面積會增多，進而導致表面粗糙度值也增大和工件表觀質量變差，這與項超[9]、肖春芳[13]等的研究發現類似。通常應在保證工件表面粗糙度的前提下，增加進給量可以獲得更高的加工效率。因此，當C/C-SiC復合材料需要快速去除加工余量或追求生產效率時，可選用超聲振動銑削進給量=0.2～0.5mm/r；精加工時，則可以將進給量控制在<0.2mm/r，確保可以獲得良好的加工表觀質量。

3.4 表觀質量分析

表面粗糙度隨切削深度的增大而增大，隨轉速的增加而降低，隨進給速度增大而增大[17，18]。因此，在加工過程中通常選擇合適的工藝參數以達到較好的表觀質量及生產效率，且一定的工藝參數對銑削機理、表面缺陷、力學性能造成一定影響。因此，在加工過程中，一方面，提高主軸轉速減小進給速度，另一方面，依據上述分析內容將加工過程分為粗加工及精加工，兩者均可在保證生產效率的同時獲得較好的表觀質量。

從切削機理上分析，超聲振動切削力越小，表觀質量越好。因為陶瓷基復合材料纖維-基體間為弱界面結合，當加工過程中切削力小到不足以產生纖維拉斷、界面脫粘、纖維剝離等缺陷時，可以獲得較高的表觀質量。而超聲振動切削力隨主軸轉速的增大而降低，隨切削深度和進給速度的增大而增大，在工程應用中，應選擇高轉速，小切削深度多次走刀的方式加工。

4 結束語

a. 超聲振動銑削三要素切削深度、主軸轉速、進給速度直接影響C/C-SiC復合材料表觀質量，并且表觀質量隨切削深度、進給速度的增大而降低，隨轉速的增加而提高。

b. 粗加工時，選取切削深度p=1～2mm、主軸轉速=1000～2000r/min、切削進給量=0.2～0.5mm/r，可以獲取最高生產效率和較好的加工表面；

c. 精加工時，選取切削深度p=0.1～0.5mm、主軸轉速=1000～2000r/min、切削進給量<0.2mm/r，可以獲取最佳加工表觀質量。

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Ultrasonic Vibration Milling of C/C-SiC Composites

Xu Hongxia Wang Huan Sun Kun Niu Jun Liu Bin

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

C/C-SiC composites have been extensively used in the fields such as aerospace and high speed braking, due to their excellent performances like high specific strength, high hardness, high temperature resistance and good thermal stability. However, the processed surface quality is an important factor limiting their application. Influences of parameters of the ultrasonic vibration milling technology, such as the depth of cuttingp, spindle rotateand the feed rate, on the machined surface quality of C/C-SiC composites were investigated. The results showed that the highest production efficiency together with a relative good surface quality, could be obtained for the C/C-SiC composites at the given parameters: the depth of cuttingp=1～2mm, the spindle rotate=1000～2500r/min, and the feed rate=0.2～0.5mm/r, which was appropriate for rough milling. Meanwhile, the optimum surface quality could be achieved at the given parameters: the depth of cuttingp=0.1～0.5mm, the spindle rotate=1000～2000r/min, and the feed rate<0.2mm/r,which was most suitable for finish machining.

C/C-SiC；ultrasonic vibration machining；cutting depth；spindle rotate；feed rate

TB33、TG51

A

徐紅霞（1986），工程師，材料科學與工程專業；研究方向：復合材料加工。

2021-06-11