超聲輔助螺旋磨削SiCf/SiC陶瓷基復合材料＊

張海濤，鮑 巖，楊 峰，孫海琦，董志剛，康仁科

（大連理工大學，精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024）

SiCf/SiC 陶瓷基復合材料因具有耐高溫、抗氧化、高比強、高比模等優異特性，被廣泛應用于國防、航空航天領域[1-3]。由于其具有高硬度、高脆性、非均質以及各向異性等特點，在加工過程中存在材料去除困難、切削力大、加工質量差、刀具磨損嚴重等加工難題，屬于典型的難加工材料[4]。

常見的陶瓷基復合材料機械加工工藝包括磨削、銑削等。另外，超聲振動輔助技術越來越多地應用到陶瓷基復合材料加工中[5-6]。LUNA 等[7]采用不同形狀和尺寸的單一磨粒和多個磨粒對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料進行劃痕試驗，研究磨粒形狀、尺寸和間距對陶瓷基復合材料磨削后表面完整性的影響，結果表明：表面裂紋的形狀由磨粒形狀決定，而裂紋的擴展方向則取決于陶瓷基復合材料內部纖維的方向。BERTSCHE等[8]引入超聲輔助加工技術進行SiCf/SiC 陶瓷基復合材料的銑槽試驗，結果表明：與傳統銑槽相比，超聲的引入使銑削時的軸向力和進給力分別降低約9%和20%，刀具磨損降低約36%。

制孔是陶瓷基復合材料加工中常見的一種需求，如何高質高效完成陶瓷基復合材料的制孔加工，是目前行業面臨的重要技術難題之一。張園等[9]從動力學、切削力學和振動斷屑理論學等方面介紹了超聲振動輔助鉆削制孔技術，并從理論研究、超聲振動系統的完善、新材料加工工藝的制定以及超聲振動輔助加工規范標準的制定等方面指出了當下發展階段存在的問題，并展望了未來的發展方向。林佳杰等[10]在壓痕斷裂力學理論的基礎上建立縱扭復合超聲螺旋磨削制孔磨削力的理論預測模型，并以氧化鋯工程陶瓷為研究對象，對該模型進行驗證，結果表明：磨削力隨著超聲振幅、主軸轉速的增大而減小，隨著螺距、螺旋進給速度的增大而增大。LI 等[11]對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料進行傳統鉆削制孔與超聲輔助鉆削制孔的對比試驗，比較超聲的引入對磨削力和材料去除過程的影響，結果表明：相對于傳統鉆削制孔，超聲的引入使鉆削力的降幅最大達50%，材料去除率提高約10%。陳玉榮等[12]采用磨粒分布參數不同的金剛石套料鉆，對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料進行超聲振動輔助干式鉆削制孔試驗，得出磨粒分布參數對套料鉆壽命和制孔精度的影響規律。

盡管有學者研究了氧化鋯工程陶瓷縱扭復合超聲螺旋磨削制孔技術和SiCf/SiC 陶瓷基復合材料不同的制孔技術，但是關于SiCf/SiC 陶瓷基復合材料超聲輔助螺旋磨削制孔技術的研究仍較少。因此，采用超聲輔助螺旋磨削制孔技術，對SiCf/SiC 陶瓷基復合材料進行制孔試驗，分析材料去除方式、纖維受力特征、孔壁表面形貌及其表面粗糙度，研究超聲輔助螺旋磨削制孔質量。

1 試驗

1.1 工件材料

工件為厚度為6 mm 的SiCf/SiC 陶瓷基復合材料板材，其經化學氣相滲透(chemical vapor infiltration,CVI)工藝制備。工件經磨粒尺寸為150 μm 的金剛石砂輪磨平處理后，放入酒精溶液中清洗20 min；再放入去離子水中超聲清洗20 min；然后取出，放入烘干箱進行烘干處理，設定烘干溫度為50 ℃，烘干時長為2 h。

1.2 試驗條件

如圖1所示，基于五軸立式車銑復合加工中心(科德KMC600S UMT)搭建超聲輔助螺旋磨削制孔試驗平臺，螺旋磨削制孔運動通過數控加工中心的X軸、Y軸和Z軸插補實現。超聲振動系統為團隊自主研制，包括超聲電源、超聲刀柄、換能器、變幅桿等。選用磨粒尺寸為150 μm，直徑為3.4 mm 的金剛石砂輪。

圖1 試驗平臺Fig.1 Testing platform

在SiCf/SiC 陶瓷基復合材料的超聲輔助螺旋磨削制孔試驗中，主軸轉速為4 000 r/min，螺距為0.02 mm，制孔過程采用水基切削液，制孔直徑為4.4 mm，超聲頻率為20 kHz，其他試驗參數見表1。

表1 試驗參數Tab.1 Testing condition

1.3 試驗原理

超聲輔助螺旋磨削制孔原理如圖2所示。螺旋進給運動由3 個獨立的運動合成：砂輪繞自身軸線的旋轉運動(砂輪自轉)，砂輪繞加工孔軸線的旋轉進給運動(砂輪公轉)，砂輪沿加工孔軸線方向的直線進給運動(軸向進給)[13-15]。

圖2 超聲輔助螺旋磨削制孔原理Fig.2 Principle of hole making in ultrasonic assisted helical grinding

1.4 檢測條件

采用基恩士超景深三維顯微鏡(VHX-600E)和場發射掃描電鏡(日立SU5000)對孔壁的微觀形貌進行觀察，利用3D 表面輪廓儀(ZYGO 9000)對孔壁三維幾何形貌及粗糙度進行檢測。

2 結果分析

2.1 出口質量

圖3為使用傳統套料鉆(釬焊金剛石套料鉆，vf=80 mm/min)制孔和超聲輔助螺旋磨削制孔(vf=80 mm/min，A=2 μm)的出口形貌對比。從圖3可知：較傳統制孔相比，超聲輔助螺旋磨削制孔出口處材料無大面積崩邊，只有少量的崩邊現象。這是由于在螺旋磨削制孔出口處，材料所受磨削力分解為沿砂輪切線方向的力和指向砂輪軸向方向的力，且主要載荷為沿砂輪切線方向的力，這使超聲輔助螺旋磨削SiCf/SiC 陶瓷基復合材料時不容易產生分層缺陷，且超聲輔助技術的引入，使出口處材料所受軸向力減小，出口質量較好。

圖3 出口形貌Fig.3 Export morphology

2.2 孔壁形貌

如圖4所示，θ為砂輪磨削速度方向與纖維方向所成的夾角。將孔沿軸線剖開，以便觀察孔壁的表面形貌。使用掃描電鏡對孔壁的微觀形貌進行觀察，獲得夾角θ在0°～180°范圍內的孔壁加工表面形貌，分別取θ為0°/180°、45°、90°和135°時進行分析。

圖4 砂輪磨削速度方向與纖維方向所成夾角θFig.4 Angle θ between grinding speed direction and fiber direction

當夾角θ不同時，材料去除機理不同，纖維斷裂機制不同，進而導致孔壁形貌存在差異。圖5所示為vf=80 mm/min，A=2 μm 時 的SiCf/SiC 陶瓷基復合材料的制孔孔壁分析。

圖5 SiCf/SiC 陶瓷基復合材料制孔孔壁分析Fig.5 Analysis of hole wall of SiCf/SiC ceramic matrix composites

從圖5a 中可以看出：在界面包裹下，大部分纖維裸露在外面，界面外表面光滑。此時，材料發生大面積脫黏現象，基體已經完全脫離了纖維，但表面質量較好。從圖5b 中可以看出：大部分纖維斷口表面光滑平整，纖維表面出現多條放射狀條紋，所有條紋匯聚到斷口表面某一點(即裂紋源)。此時，纖維主要發生剪切斷裂，表面質量較差。從圖5c 中可以看出：大部分纖維斷口平整。由于砂輪磨粒半徑大小與纖維半徑大小處于同一個數量級，在發生材料去除時主要發生磨粒端面與纖維柱面之間的接觸。此時，纖維主要發生擠壓斷裂，表面質量最好。從圖5d 中可以看出：加工表面呈鋸齒狀，凹凸不平。纖維斷裂往往發生在磨粒與纖維接觸的下方，即發生在纖維最大彎曲應力處，此時纖維同時受擠壓力和剪切力作用。從纖維斷口處可以發現：纖維發生了彎曲斷裂和剪切斷裂，與基體脫黏。此時，纖維斷裂形式復雜，表面質量最差。

圖6為0°～180°范圍內，夾角θ對應的材料去除示意圖。如圖6所示：θ不同，纖維在發生斷裂時受力不同，材料去除機理存在差異。圖6a 中，纖維所受磨粒作用力FN平行于纖維方向，使磨粒在進給過程中將纖維與基體整體剝離，發生大面積基體與纖維脫黏現象。圖6b 中，纖維所受磨粒作用力FN分解為沿纖維方向的力F1和垂直于纖維方向的力F2。在F2作用下，纖維發生剪切斷裂。圖6c 中，纖維所受磨粒作用力FN垂直于纖維方向，使纖維發生擠壓斷裂。圖6d 中，纖維所受磨粒作用力FN分解為垂直于纖維方向的力F1和沿纖維方向的力F2，纖維同時受到磨粒的擠壓力和剪切力作用，發生彎曲斷裂和剪切斷裂。

圖6 0°～ 180°范圍內夾角θ 對應的材料去除示意圖Fig.6 Schematic diagram of material removal corresponding of angle θ ranging from 0° to 180°

2.3 孔壁表面粗糙度

由于SiCf/SiC 陶瓷基復合材料結構的復雜性，加之砂輪磨削速度方向與SiC 纖維方向夾角的周期性變化，磨削后的表面質量不宜用Ra作為評價表面粗糙度的標準。因此，采用三維表面粗糙度Sa來評價孔壁表面上某個區域內的表面質量[16]。為研究工藝參數對孔壁加工質量的影響，減小材料本身缺陷對試驗結果的影響，在測量三維表面粗糙度時避開材料初始缺陷處。觀察不同θ角對應的孔壁表面質量，對孔壁損傷機理進行分析。不同θ角下，vf=80 mm/min，A=2 μm 時的孔壁三維形貌及粗糙度如圖7所示。

圖7a 中，孔壁表面大部分出現溝槽。這是因為，纖維拔出后留下的界面或是纖維與界面一起發生脫黏，留下了凹槽狀的基體，使表面凹凸不平。此時，Sz為11.206 μm，Sa為1.253 μm，表面質量較好。

圖7b 中，孔壁表面出現多個凹槽，與圖7a 相比，該凹槽沒有連成一體。當θ介于0°～90°時，纖維與基體發生脫黏現象，在磨削力的作用下，隨著θ增大，纖維發生剪切斷裂的現象更明顯，部分纖維與基體脫黏，形成表面凹槽；另一部分纖維沒有脫落，基體發生斷裂，造成纖維拔出，形成表面突起；同時，部分纖維發生剪切斷裂，造成纖維斷口處凹凸不平，這使纖維與基體脫黏現象不連續。此時，Sz為20.640 μm，Sa為1.753 μm，表面質量較差。

圖7c 中，孔壁表面出現大量圓形凹坑，纖維大部分發生擠壓斷裂，斷口平整。這是因為，在擠壓作用下，基體與纖維在斷口處發生小范圍的脫黏，在圖中表現為山丘狀的小凸起。由于沒有發生大面積的脫黏現象，Sz為9.150 μm，Sa為0.499 μm，表面質量最好。

圖7d 中，孔壁表面出現多個形狀不規則的圓狀凹坑，且出現多種山丘狀的小凸起。當θ介于90°～180°時，纖維與基體也會發生脫黏現象。隨著θ增大，砂輪對纖維的彎曲折斷作用和剪切作用增大，大部分纖維發生彎曲斷裂和剪切斷裂，這造成界面與基體斷裂形式多樣，使一部分纖維被去除，而界面與基體保留在原材料上，形成不規則的凹坑。另一部分纖維發生彎曲，沒有達到彎曲斷裂極限，留在原材料上，部分界面與基體隨之發生不規則的碎裂，形成多種山丘狀的凸起，造成孔壁表面極為粗糙。此時，Sz為22.658 μm，Sa為2.150 μm，表面質量最差。

圖7 孔壁三維形貌及粗糙度Fig.7 Three-dimensional morphology and roughness of hole wall

研究不同工藝參數對孔壁表面粗糙度的影響。圖8所示為不同超聲振幅作用下的孔壁粗糙度值，為避免材料本身缺陷對孔壁粗糙度值的影響，對9 個孔進行多次測量，取平均值，得到9 個孔的孔壁粗糙度值。

圖8 超聲振幅對孔壁粗糙度值的影響Fig.8 Influence of ultrasonic amplitude on roughness of hole wall

由圖8可知：在同一進給速度下，超聲振幅由0 增大到4 μm 時，表面粗糙度值Sa逐漸降低；在進給速度為100 mm/min 時，Sa降幅最大，由1.506 μm 下降到0.923 μm，降幅為38.7%。在同一超聲振幅內，表面粗糙度值Sa隨著進給速度的增大而升高，但是在進給速度由80 mm/min增大到100 mm/min 時變化不明顯。這是因為在螺旋進給過程中，側面磨粒對材料有去除作用。在進給速度較小時，超聲的引入對孔壁表面粗糙度的影響不明顯。但是進給速度從80 mm/min 增大到120 mm/min 時，表面粗糙度值Sa總體上表現為升高趨勢，在超聲振幅為4 μm 時，Sa增幅最大，由0.854 μm 上升到1.190 μm，增幅為39.3%。

3 結論

(1)超聲輔助螺旋磨削制孔SiCf/SiC 陶瓷基復合材料在出口處不容易產生分層缺陷，出口處材料所受磨削力主要為沿砂輪切線方向的力，出口質量高。砂輪磨削速度方向與SiC 纖維方向夾角的周期性變化導致制孔表面質量呈現規律性變化，纖維與基體的脫黏現象多發生在θ角為0°/180°附近，表面質量較好；纖維發生剪切斷裂主要在θ角為45°附近，表面質量較差；纖維發生擠壓斷裂主要在θ角為90°附近，表面質量最好；纖維在最大彎曲應力處發生斷裂，主要在θ角為135°附近，此時受擠壓力和剪切力作用，纖維斷裂形式復雜，表面質量最差。

(2)采用三維表面粗糙度Sa來評價孔壁表面上某個區域內的表面質量。θ角不同，纖維受力方式不同，使材料去除機理不同，導致孔壁表面質量有較大差距。θ=90°時，孔壁表面質量最好，Sa為0.499 μm；θ=135°時，孔壁表面質量最差，Sa為2.150 μm。超聲振幅和進給速度對孔壁表面粗糙度有不同的影響。在試驗參數范圍內，在同一進給速度下，孔壁表面粗糙度值Sa隨著超聲振幅的增大而降低，最大降幅為38.7%；在同一超聲振幅下，表面粗糙度值Sa隨著進給速度的增大而升高，最大增幅為39.3%。在實際生產中，為了提高加工質量，進給速度在80～120 mm/min，超聲振幅在0～4 μm內，可選用較大超聲振幅、較低進給速度作為超聲輔助螺旋磨削制孔SiCf/SiC 陶瓷基復合材料工藝參數。