SiCf /SiC陶瓷基復合材料超聲振動銑削試驗研究 *

■ 楊卓勇 劉秀梅 劉智武 周峰 / 中國航發西航 熊一峰 汪文虎 / 西北工業大學

目前，陶瓷基復合材料（特別是SiCf/SiC陶瓷基復合材料）的高效高質量切削加工仍是制約其快速工程化應用的瓶頸問題，需要全面深入展開相關研究。

陶瓷基復合材料（CMC）由陶瓷纖維和陶瓷基體組成，具有密度低、硬度高、熱穩定性能優異及化學耐受性強等特點，其密度為高溫合金的1/3，強度為其2倍，能夠在1000～1500℃（比高溫合金高出200～240℃）高溫環境中長時間工作，是替代高溫合金發動機熱端結構材料的首選[1,2]。SiCf/SiC陶瓷基復合材料的基體材料及增強相材料硬度高、抗磨損，使得材料的加工面臨著刀具磨損嚴重、切削力大、加工質量難以滿足要求等問題，甚至難以進行加工[3]。超聲振動輔助加工技術是在傳統機械加工工藝基礎上，對刀具或工件施加高頻率、微米級振幅的超聲振動，縮短刀具與工件的接觸時間、減小刀具與工件的摩擦力，獲得更好加工性能的方法。作為決定該技術是否可以應用于SiCf/SiC陶瓷基復合材料的關鍵性因素之一，刀具的選取至關重要。通過開展超聲振動輔助銑削試驗研究，對比分析超聲振動輔助銑削SiCf/SiC陶瓷基復合材料過程中聚晶金剛石（PCD）復合片刀具、釬焊金剛石刀具和電鍍金剛石刀具的加工表面質量、刀具壽命及刀具磨損形式，確定適合加工SiCf/SiC陶瓷基復合材料的刀具，并進一步分析切削參數對銑削力的影響規律，理解刀具磨損機理，為后續進一步開展SiCf/SiC陶瓷基復合材料超聲振動輔助加工研究提供參考。

超聲振動銑削試驗

試驗材料及加工刀具

試驗樣件材料為化學氣相滲透（CVI）工 藝 制 備 的 SiCf/ SiC陶瓷基復合材料，試驗樣件尺寸為80mm×45mm×3.8mm，其主要性能參數見表1。試驗分別采用PCD刀具、50目釬焊金剛石刀具和100目電鍍金剛石刀具，刀具直徑均為6mm，刀長54mm（PCD刀具如圖1所示）。

圖1 PCD刀具幾何結構及端面磨粒結構示意

表1 SiCf /SiC陶瓷基復合材料性能參數

試驗方案及數據測量

首先開展3種刀具銑削對比試驗，刀具對比試驗加工參數見表2，綜合考察刀具的材料去除體積、加工表面質量及主要磨損形式，優選出適用于加工SiCf/SiC陶瓷基復合材料的刀具。然后基于優選的刀具開展單因素試驗（單因素試驗加工參數詳見表3），研究加工參數對切削力的影響規律，揭示刀具磨損機理。

表2 刀具對比試驗加工參數

表3 單因素試驗加工參數

試驗結果分析

加工表面粗糙度

對比3種刀具的加工表面粗糙度（如圖2所示）：PCD刀具加工表面粗糙度值最小，加工表面質量最好；對比釬焊金剛石刀具及電鍍金剛石刀具加工表面粗糙度可以看出，刀具磨粒目數越大、磨粒個數越多，參與到加工過程中的磨粒也相應增多，加工表面粗糙度值也隨之降低，表面質量會相對更好。同時，分析試驗過程中測量數據的誤差棒，可以看出PCD刀具加工表面粗糙度值的測量數據誤差棒最小，表明加工表面粗糙度值差異不大、測量數據穩定性高，加工表面質量高。

圖2 3種刀具加工表面粗糙度

刀具壽命

以材料去除體積表征刀具壽命，對比3種刀具采用相同加工參數，加工至刀具磨損失效時的試驗結果（如圖3所示）。在相同加工參數條件下，100目電鍍金剛石磨頭去除材料體積為192mm3，50目釬焊金剛石磨頭去除材料體積為810mm3，PCD刀具去除材料體積為9720mm3，3種刀具壽命比為50.6∶4.2∶1。分析試驗結果可知，PCD刀具磨損小，刀具壽命長，電鍍金剛石磨頭磨損嚴重，刀具壽命短。綜合分析，100目電鍍金剛石磨頭不適合加工SiCf/SiC陶瓷基復合材料，PCD刀具及50目釬焊金剛石刀具可用于SiCf/SiC陶瓷基復合材料的加工。

圖3 刀具去除材料體積

刀具磨損

根據刀具磨損形貌的掃描電鏡（SEM）圖可以看出，金剛石磨粒表面布滿了破裂斷面，磨粒棱邊及型面發生了嚴重的磨料磨損（如圖4所示）。這是由于電鍍磨粒與刀具基體間結合強度不高，在超聲振動銑削過程中，磨粒在磨料磨損的同時，容易從刀具端面上剝落下來，使得參與加工的磨粒數目減小，銑削力增大，刀具磨損加劇，在去除材料192mm3后，刀具端面被徹底磨平失效。

圖4 3種刀具磨損形貌SEM圖

釬焊金剛石磨頭磨損主要為磨粒的磨料磨損，未發現磨粒的剝落。深入分析磨粒磨損形式，磨粒表面有明顯的硬質材料滑刻磨損痕跡及破裂斷面，表明金剛石磨粒在去除相同硬度的SiCf/SiC陶瓷基復合材料時，磨粒主要被硬質材料在表面進行磨料磨損，在高頻超聲振動沖擊下，部分磨粒會被沖碎型面產生破裂斷面。磨粒四周黏結劑亦被磨損說明，磨粒發生了嚴重的磨料磨損，磨粒凸起參與材料去除過程的部分已經被磨平。然而，由于釬焊黏結強度相對電鍍要高，釬焊金剛石磨粒不易被剝離出刀具基體形成磨粒的剝落。

PCD刀具錐刺型的磨粒主要磨損形式為磨粒的磨料磨損及磨粒破裂。由于PCD刀具材質及SiCf/SiC陶瓷基復合材料硬度差異不大，在加工中刀具與去除材料相互磨損，極易造成PCD刀具磨粒的磨料磨損。同時，由于PCD及SiC陶瓷均屬于脆性材質，在高頻超聲沖擊下，磨粒容易發生破裂崩裂。然而，從SEM圖可以看出PCD刀具整體磨粒磨損程度差異不大，這使得刀具加工過程相對更平穩，加工表面質量更高。

銑削力

加工參數對PCD刀具銑削力的影響主要表現為：隨著主軸轉速的增加，PCD刀具銑削力逐漸降低；隨著進給速度及切削深度的增大，銑削力急劇增大。切削力增大是造成PCD刀具磨損的主要原因，為了減小刀具磨損，延長刀具壽命，需要降低SiCf/SiC陶瓷基復合材料超聲振動輔助加工過程中的銑削力。由此可以確定，SiCf/SiC陶瓷基復合材料超聲振動輔助加工的主軸轉速應不低于7000r/min，進給速度不高于300mm/min，切削深度小于0.1mm。

此外，根據超聲振動參數對PCD刀具銑削力的影響可以發現，隨著超聲頻率及超聲振幅的逐漸增大，PCD刀具的銑削力均呈現出先降低后增大的趨勢。高頻超聲振動使得刀具與材料之間發生高頻的沖擊，在一定條件下會造成PCD刀具磨粒的崩裂，導致刀具磨損，增大銑削力及加工表面粗糙度，故需要合理的選擇超聲振動參數。根據試驗結果可以確定合理的超聲振動頻率應為30kHz，超聲振幅為4μm。

結束語

在上述試驗的基礎上，針對SiCf/SiC陶瓷基復合材料的超聲振動輔助銑削的研究，后續還應深入開展超聲能場作用下的切削機理、微小孔加工的損傷形成機理與控制方法，以及超聲振動參數與加工參數匹配性研究，合理選擇各參數以強化SiCf/SiC陶瓷基復合材料超聲輔助加工的優勢，實現其優質高效加工。