C_f/SiC 復(fù)合材料微小孔的鉆削加工特性

中圖分類號：TB332

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.07.023 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Drilling Characteristics of Micro Holes on C_f /SiC Composites

YANG Haotian'HE Wenbo1，2.3ZHAO Guolong1*NIAN Zhiwen'YANG Yinfei1，2.3LI Liangl 1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016 2.Yangtze River Delta Intelligent Manufacturing Innovation Center，Nanjing，210014 3.Nanjing Avionics Intelligent Manufacturing Technology Co.，Ltd.，Nanjing，210014

Abstract： Diamond drills were used to drill holes of 0.5mm diameter on C_f/SiC composite materials in vertical direction and parallel direction to the fiber weaving. The effects of drilling method and processing parameters on driling forces，hole quality and tool wear were investigated. Material removal mechanism and tool wear mechanism were studied. The results show that vertical drilling has 30% greater thrust forces， 8% less hole damage factor， 20% greater roundness errors，and less tool wear rate than those of parallel drilling.Delamination defects result in smaller surface roughness of hole walls for parallel drilling than those of vertical drilling. The FOA has a significant impact on the material removal mechanism：when FOA is as 0^° to 90^° ，the carbon fibers undergo shear fracture re sulting in better surface quality;when FOA is as 90^° to 180^° ，the carbon fibers undergo bending fracture leading to poorer surface quality.

Key words： C_f/SiC composite；drilling；hole quality； fiber orientation angle（FOA）；material removal mechanism

0 引言

C_f/SiC 復(fù)合材料兼具陶瓷的高溫耐磨性、化學穩(wěn)定性，以及碳纖維的高強度和韌性，是一種新型高溫結(jié)構(gòu)材料[1-2]，由于其輕質(zhì)、高強、高溫穩(wěn)定、耐磨、耐腐蝕等特點，已廣泛用于航天器結(jié)構(gòu)件、熱防護系統(tǒng)、高性能制動盤、光學透鏡、太陽能反射器、化學反應(yīng)器等設(shè)備[3-4]]

陶瓷基復(fù)合材料中的大尺寸孔通常用于連接和裝配，微小孔通常具有運輸氣體和液體的功能[5-6]。SiC的高硬度，以及碳纖維和SiC之間的巨大性能差異使得陶瓷基復(fù)材微小孔屬于典型的難加工結(jié)構(gòu)[7]。國內(nèi)的大量研究集中于陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的孔加工，包括鉆削、磨削等傳統(tǒng)方法，以及激光加工[8-10]、磨料水射流加工[11-12]等特種加工方法。

鉆削加工是孔加工中最常用且效率較高的方法。SiC的硬度較大，鉆頭在加工過程中的磨損嚴重[13-14]。微鉆頭的切削刃長度與直徑的比值較大，切削刃在加工過程中容易發(fā)生彎曲變形。變形過大時，刀具易發(fā)生斷裂[15-16]。因此，較多學者研究了鉆削陶瓷基復(fù)合材料時的材料去除機理和刀具磨損機理。劉瓊等[17]采用硬質(zhì)合金麻花鉆鉆削 C_f/SiC 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)加工孔的主要缺陷為啃邊、毛刺、撕裂、分層。張犇陽[18]構(gòu)建了PCD刀具鉆削C/SiC復(fù)合材料的鉆削力模型，研究了工藝參數(shù)對鉆削力的影響，發(fā)現(xiàn)鉆削力隨轉(zhuǎn)速的升高和進給量的降低而降低，力學模型與試驗的誤差為 20% 。CHEN等[19]使用PCD刀具在2D-C_f/SiC 復(fù)合材料上鉆孔來研究材料去除機理，發(fā)現(xiàn)隨著切削厚度的增大，單根碳纖維內(nèi)部發(fā)生的微脆性斷裂變?yōu)檎祭w維束上發(fā)生的宏觀脆性斷裂。ZHANG等[20]研究了工藝參數(shù)和PCD刀具磨損對加工孔質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)孔出口的損傷因子隨轉(zhuǎn)速提高和進給量的降低而降低，PCD鉆頭的主要磨損機理是磨粒磨損和擴散磨損，隨著PCD鉆頭的磨損加劇，孔壁質(zhì)量先升高后降低。DIAZ等[21]考慮 SiC_f /SiC復(fù)合材料的特性，采用概率學的方法建立鉆削力模型并進行鉆孔試驗研究，發(fā)現(xiàn)材料不同部位的碳纖維、SiC基體和孔隙的體積分數(shù)不同，這導(dǎo)致鉆孔過程中的徑向分力波動，且小直徑鉆頭的切削刃徑向跳動更顯著。

近年來的研究聚焦于復(fù)合材料的微孔加工。趙悅等[22]用PCD鉆頭在碳纖維增強復(fù)合材料上加工直徑 2mm 的小孔，研究尺寸效應(yīng)對加工過程的影響，發(fā)現(xiàn)進給量小于 1/3 切削刃圓角半徑時發(fā)生尺寸效應(yīng)，即切削刃對材料的剪切作用轉(zhuǎn)化為擠壓作用，孔壁表面粗糙度變差。ANAND等[23]研究了碳纖維增強復(fù)合材料微孔加工過程中進給量對孔質(zhì)量和精度的影響，發(fā)現(xiàn)進給量接近切削刃圓角半徑時的孔壁表面質(zhì)量最佳。

現(xiàn)有研究主要針對在 2D?C_f/SiC 復(fù)合材料上加工直徑 1～10mm 的孔，對 C_f/SiC 復(fù)合材料微小孔鉆削過程的研究較少。 2D?C_f/SiC 復(fù)合材料在編織面和堆疊面上的力學性能差異很大，因此較多學者在 2D?C_f/SiC 復(fù)合材料的編織面與堆疊面上進行銑削和研磨加工來研究纖維方向角對加工表面質(zhì)量的影響。少數(shù)學者研究在 2D?C_f/SiC 復(fù)合材料的編織面與堆疊面上鉆孔時，纖維方向角對孔表面質(zhì)量和材料去除機理的影響。因此筆者在垂直于 C_f/SiC 復(fù)合材料編織面和平行于材料編織面進行微孔加工，研究纖維方向角和工藝參數(shù)對鉆削力、孔出入口質(zhì)量和孔壁質(zhì)量的影響，以及材料去除機理、切屑形貌和刀具磨損機理。

1實驗設(shè)備與方案

本研究使用的工件材料為中國復(fù)合材料集團有限公司的2D-C/SiC復(fù)合材料（CVI工藝制作），性能見表1。工件的長、寬、高分別為20mm.10mm 和 5mm 。單根碳纖維的直徑約為6～7μm ，碳纖維的體積分數(shù)約為 30% 。如圖1所示，表面A為編織面，由橫向和縱向的纖維束組成；表面B為堆疊面，由橫向和縱向的纖維束端面組成。試驗采用的刀具為北京沃爾德刀具公司的聚晶金剛石（PCD）鉆頭，參數(shù)見表2。

表1 2D?C_f/SiC 復(fù)合材料性能參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of 2D/C_f /SiC composites

圖12D C_f/SiC 復(fù)合材料編織模型以及表面形貌Fig.1 The woven model of 2D?C_f/SiC composites andsurface morphology

表2PCD鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.2The geometricalparametersofPCDtools

如圖2所示，鉆孔實驗在精雕鉆孔中心上進行。微細加工的鉆頭直徑較小，而高轉(zhuǎn)速能保證切削刃有較高的線速度，有效減小切削力、提高表面質(zhì)量，因此將轉(zhuǎn)速固定為 20 000r/min 。為探討進給量對鉆削過程的影響，進行單因素試驗。進給量 f 的變化范圍為 0.5～1.5μm/r ，并以0.25μm/r 為間隔進行遞增。實驗使用啄鉆工藝，單次鉆孔深度為 0.05mm 。鉆孔過程沒有采用切削液。如圖2b所示，將鉆頭的進給方向垂直于材料的表面A定義為垂直鉆削方式。如圖2c所示，將鉆頭的進給方向垂直于材料的表面B定義為平行鉆削方式。

圖2試驗裝置和鉆削原理Fig.2Experiment set-up and schematic of drilling

鉆孔過程中，鉆削力由Kisler9119AA2壓電式三向測力計和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量。壓電傳感器的靈敏度閾值小于 0.001N 。測力儀的固有頻率為 3.5kHz 。測量徑向力 F_x 、切向力 F_y （軸向力 F_z 時，采樣頻率設(shè)為 10kHz 。采用CCD攝像機進行零點設(shè)置并對鉆削過程進行實時監(jiān)控。用Zeiss Sigma 30o 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察 C_f/SiC 復(fù)合材料和PCD鉆頭的表面形貌。孔壁的三維表面粗糙度由SensofarSneox三維激光共聚焦顯微鏡測量，將算術(shù)平均高度 Sa 作為表面粗糙度評估參數(shù)。采用KEYENCEVHX-6000顯微鏡拍攝孔出入口的形貌。

2結(jié)果與討論

2.1 鉆削力

鉆削力影響孔的表面質(zhì)量和形狀精度、孔壁的表面完整性、鉆頭的磨損速率。在微細加工領(lǐng)域，過大的鉆削力容易導(dǎo)致鉆頭斷裂，因此研究鉆削力是必要的。將壓電傳感器得到的鉆削力信號導(dǎo)人Dynoware軟件，利用軟件的低通濾波器和信號漂移補償功能對力信號進行濾波（濾波頻率為 10kHz 。最后，對信號穩(wěn)定階段的鉆削力峰值進行計數(shù)和求平均，得到平均鉆削力。

C_f/SiC 復(fù)合材料存在各向異性和孔隙，因此鉆削力波動較大。對力信號穩(wěn)定階段的峰值進行計數(shù)和求平均可得鉆削軸向力和徑向力的均值。如圖3所示，平行鉆削的軸向力比垂直鉆削的軸向力大 30% 的原因是表面A由緊密的纖維束編織而成，切削刃與碳纖維的接觸面積遠大于切削刃與SiC的接觸面積[24]。表面B由橫向纖維和縱向纖維的末端端面組成，切削刃與SiC的接觸面積大于在表面A鉆孔時切削刃與SiC的接觸面積。SiC的硬度遠高于碳纖維，因此平行鉆削的軸向力大于垂直鉆削的軸向力。

圖3不同鉆削方式和進給量下的鉆削力Fig.3Drilling forces under different drillingprocessesandfeedrates

進給量對鉆削力有較大的影響。隨著進給量的增加，鉆削力增大。垂直鉆削方式下，鉆削軸向力從 2.334N 增加至 6.456N 時，鉆削徑向力從0.875N 增加至 1.355N 。平行鉆削方式下，鉆削軸向力從 3.103N 增加至 7.932N 時，鉆削徑向力從 0.675N 增加至 1.876N 。隨著進給量增大，切削厚度增加，進而導(dǎo)致鉆削力增大。鉆頭的主切削方向沿著 Z 軸，因此 Z 向的軸向力較大。

2.2 孔出入口質(zhì)量

孔出入口質(zhì)量影響孔的裝配性能。如圖 4a～ 圖4d所示，采用垂直鉆削方式時，孔出入口的缺陷主要為撕裂、毛刺、崩邊。鉆出階段分為橫刃作用階段和主切削刃作用階段。橫刃作用階段中，橫刃的擠壓作用使碳纖維束沿鉆頭進給方向發(fā)生非面內(nèi)形變。在主切削刃作用階段，主切削刃有兩個作用： ① 擠壓材料，使碳纖維與SiC基體脫粘； ② 切削碳纖維，使其切斷。如圖4a所示，若發(fā)生非面內(nèi)形變的碳纖維在脫粘之前被切斷，則孔出入口的撕裂缺陷較少。如圖4d所示，若碳纖維切斷前發(fā)生脫粘，則會形成撕裂甚至分層缺陷。主切削刃作用過程中，部分碳纖維未被切斷而是發(fā)生非面內(nèi)形變，切削刃作用結(jié)束后，未折斷的碳纖維束會回彈到孔出口表面，形成毛刺缺陷，如圖4c所示。微鉆頭的切削刃較長，剛度較差，進給量較大時會發(fā)生徑向跳動，產(chǎn)生崩邊缺陷，如圖4b所示。大面積的崩邊缺陷影響孔的直徑和圓度，進而影響孔的精度。ZHANG等[20]、CHEN等[19]使用大直徑鉆頭加工 C_f/SiC 復(fù)合材料時，孔口無大面積崩邊缺陷。這是因為大直徑鉆頭切削刃的剛度較大，極少發(fā)生切削刃彎曲變形導(dǎo)致的徑向跳動。采用平行鉆削方式時，橫向纖維的缺陷形成機理與上述相同。如圖4e～圖4h所示，縱向纖維的缺陷主要為纖維斷裂和纖維脫粘。

纖維和基體之間的界面層受到的應(yīng)力大于其斷裂強度時，縱向纖維與SiC發(fā)生脫粘，產(chǎn)生毛刺和崩邊缺陷，如圖 4g 所示。由圖4h可觀察到SiC剝落和縱向纖維折斷形成的凹坑。

圖4孔出入口形貌

Fig.4The morphology of hole entrance and exit

如圖5所示，使用損傷因子 F_d 評價孔出入口毛刺與撕裂的程度[20]，使用圓度 Ψ_c 、直徑 d 評價孔出入口的形狀精度。定義損傷因子

F_d=（A_t+A_b+A_o）/A_o

式中 分別為撕裂面積、毛刺面積和加工孔面積。

孔的圓度 Ψ_c 為孔的最大外接圓和最小內(nèi)切圓的半徑差值。

進給量影響鉆削力大小，進而影響孔的出入口質(zhì)量。如圖6所示，隨著進給量的增大，孔出入口的損傷因子 F_d 呈上升趨勢。這是因為，隨著進給量的增大，軸向力和徑向力也增大，孔出入口的材料變形程度增大，導(dǎo)致撕裂和毛刺缺陷增多。值得注意的是，孔出口處的 F_d 大于孔入口處的F_d 。鉆入階段，下層材料對表面編織層產(chǎn)生較強的支撐作用，編織層不會發(fā)生嚴重的形變，因此碳纖維束能被有效切斷。出口處的碳纖維束在鉆出階段受SiC基體的支撐作用較小，編織層沿鉆頭進給方向發(fā)生非面內(nèi)形變，導(dǎo)致出口處的 F_d 增大。平行鉆削方式的孔出入口的 F_d 較垂直鉆削方式的孔出入口的 F_d 小 8% 。鉆削過程中的徑向力較小，因此采用平行鉆削方式時，縱向纖維斷裂導(dǎo)致的孔口缺陷較小。另一方面，較小的徑向力使SiC基體不會發(fā)生大面積剝落，因此縱向纖維脫粘程度較輕。平行鉆削過程中，脫粘的縱向纖維在鉆頭的進給路徑上，縱向碳纖維易被切斷或拔出，不會形成大面積的撕裂缺陷。垂直鉆削和平行鉆削時，撕裂和分層缺陷均集中在與鉆頭進給方向垂直分布的纖維束上。表面B垂直于鉆頭的碳纖維束少于表面A垂直于鉆頭的碳纖維束，因此平行鉆削方式的孔出入口損傷較小。

圖5 損傷因子與圓度原理圖

Fig.5The schematic diagramof damagefactor and roundness

圖6不同進給量下孔出入口損傷因子Fig.6The damage factor of hole entranceand exitundervariousfeedrates

微細鉆頭的切削刃長度和直徑的比值較大，切削刃的剛度較差。 C_f/SiC 復(fù)合材料具有各項異性，鉆削過程中易發(fā)生切削刃彎曲變形導(dǎo)致的鉆頭徑向跳動，影響孔出入口的形狀精度。如圖7所示，隨著進給量的增大，孔人口處的圓度逐漸增大。采用垂直鉆削時，孔人口的圓度從17.5μm 增大至 29.7μm ;采用平行鉆削時，孔入口的圓度從 22.7μm 增大至 35.3μm 。這是因為隨著進給量的增大，橫刃與材料作用時間縮短，橫刃與材料的結(jié)合性變差，導(dǎo)致切削刃發(fā)生徑向跳動，使孔的圓度誤差增大。進給量對孔出口圓度幾乎沒有影響，這是因為隨著鉆孔深度的增大，孔壁的支撐作用抑制切削刃的彎曲變形，使進給量對孔出口圓度的影響減小。平行鉆削的孔出人口圓度誤差較垂直鉆削的孔出入口圓度誤差大 20% 。這是因為表面A的橫向纖維和縱向纖維的力學性能差距較小，且切削刃與SiC接觸的面積較小[24]，因此切削刃發(fā)生徑向跳動的概率小。表面B的橫向纖維和縱向纖維端面的力學性能差距較大，且切削刃和SiC接觸面積較大，因此切削刃發(fā)生徑向跳動的概率增大。

圖7不同進給量下孔出入口圓度Fig.7The roundness of hole entrance and exit undervariousfeedrates

如圖8所示，隨著進給量的增大，孔入口直徑逐漸增大。采用垂直鉆削時，孔入口處的直徑從519.3μm 增大至 532.6μm ;采用平行鉆削時，孔入口的直徑從 513.2μm 增大至 537.9μm 。進給量對孔出口直徑影響較小。鉆削過程中，由于切削刃的徑向跳動，孔入口的直徑均大于 500μm 。隨著鉆削深度增加，由于孔壁的支撐作用、副切削刃的磨損，部分孔出口的直徑小于 500μm 。垂直鉆削方式的毛刺較多，毛刺缺陷使較多孔的出口直徑小于 500μm 。轉(zhuǎn)速 20 000r/min 、進給量 0.5～ 1.0μm/r 時，孔出入口的直徑誤差小于 10% 。

圖8不同進給量下孔出入口直徑Fig.8Thediameterofholeentranceandexitundervariousfeedrates

纖維方向角對孔出入口撕裂缺陷的分布有較大影響。根據(jù)切削速度與纖維方向的夾角（FOA），將孔的切削區(qū)域分為 0^°～90^° 、 90^°～ 180^° 。如圖9所示， 90^°～180^° 的撕裂缺陷多于0^°～90^° 的撕裂缺陷。FOA為 0^°～90^° 時，碳纖維主要發(fā)生剪切斷裂，斷裂的部位靠近纖維頂端，使得撕裂程度較小。FOA為 90^°～180^° 時，碳纖維主要發(fā)生彎曲斷裂，斷裂的位置接近纖維根部，使得撕裂程度較大[20]。

圖9撕裂缺陷的孔出口二維形貌圖Fig.9 Two-dimensional morphology of hole exit withtearingdefects

纖維方向角對孔出人口毛刺分布有較大影響。定義FOA為 0^°～90^° 時為順剪切，F(xiàn)OA為90^°～180^° 時為逆剪切。如圖10所示， 0^° 附近有大量未被切斷的纖維， 180^° 附近幾乎沒有毛刺缺陷。這是因為順剪切時，纖維的強度較高，不易發(fā)生斷裂，而逆剪切時，纖維的強度較低，易發(fā)生斷裂[25]。鉆頭切削刃推擠最后一層材料時，螺旋槽內(nèi)的碳纖維在主切削刃的剪切作用下發(fā)生斷裂去除。后刀面附近的碳纖維受到擠壓而發(fā)生非面內(nèi)形變。順剪切時，未斷裂的碳纖維回到孔出口處，在橫刃的擠壓作用下再次發(fā)生形變，最終形成毛刺。逆剪切時，纖維回彈后處于主切削刃和螺旋槽內(nèi)，大部分的碳纖維被切斷，形成的毛刺較少。

圖10毛刺缺陷的孔出口二維形貌圖

Fig.102D morphology of hole exit with burrs defects

2.3 孔壁表面質(zhì)量

孔壁質(zhì)量是衡量孔是否合格的重要指標之一，孔壁上的裂紋、毛刺等缺陷可能導(dǎo)致部件在使用過程中發(fā)生破裂或失效。采用激光切開孔壁，觀察孔壁形貌并測量孔壁表面粗糙度 Sa 。

如圖11所示，垂直鉆削方式的孔壁有韌性去除區(qū)域、微觀脆性去除區(qū)域、宏觀脆性去除區(qū)域，其中，微觀脆性去除指脆性斷裂發(fā)生在單根碳纖維內(nèi)部，宏觀脆性去除指脆性斷裂發(fā)生在碳纖維束上。韌性去除區(qū)為碳纖維斷口包裹在SiC基體內(nèi)部的區(qū)域。進給量為 0.5μm/r 時，在韌性去除區(qū)觀察到輕微刀痕（圖11a）的主要原因是進給量遠小于切削刃的鈍圓半徑，材料受到切削刃負前角造成的擠壓作用而去除。如圖11b所示，進給量為 1.0μm/r 時，鉆削力較小，材料的去除主要為韌性去除和微觀脆性去除，孔壁表面沒有明顯的脆性裂紋，因此孔壁較光滑。如圖11c所示，進給量為 1.5μm/r 時，較大的鉆削力導(dǎo)致碳纖維和SiC基體脆性斷裂的程度較大。材料的韌性去除和微觀脆性去除逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^脆性去除，在孔壁表面觀察到明顯裂紋和斷口，孔壁質(zhì)量較差。如圖12所示，采用垂直鉆削方式時，隨著進給量的增大， Sa 先降至 2.8215μm 再升到 5.2989μm 。這與直徑 8.5mm 的PCD鉆頭鉆削 C_f/SiC 復(fù)合材料時孔壁表面粗糙度隨進給量增大而逐漸減小[20]的結(jié)論不同。這是因為較大直徑鉆頭的切削刃圓角半徑遠大于進給量，幾乎不會發(fā)生尺寸效應(yīng)。

圖11垂直鉆削方式的孔壁形貌圖 Fig.11The surface morphology of hole wall during VD drilling process

圖12不同進給量下的孔壁表面粗糙度 Fig.12 Thesurface roughnessof hole wall under variousfeedrates

圖13為平行鉆削的孔壁形貌圖。如圖13c所示，進給量為 1.5μm/r 時，在孔壁上觀察到分層現(xiàn)象，嚴重影響孔壁質(zhì)量。如圖12所示，采用平行鉆削方式時，隨著進給量的增大， Sa 先減小至 3.2134μm 再增大到 5.7936μm 。平行鉆削方式下，橫向纖維和縱向纖維相互編織，無法共存于同一平面，產(chǎn)生分層缺陷。垂直鉆削方式下，橫向纖維和縱向纖維端面可共存于同一平面，不會產(chǎn)生分層缺陷，因此表面粗糙度小于平行鉆削方式的表面粗糙度。

圖13平行鉆削方式的孔壁形貌圖 Fig.13The surface morphology of hole wall during PD drilling process

纖維方向角對孔壁質(zhì)量有較大的影響，因此用孔壁輪廓曲線的波動程度反映孔壁質(zhì)量。圖14為垂直鉆削方式的孔壁二維輪廓及輪廓曲線。如圖14b、圖14c所示，F(xiàn)OA為 0^° 和 90^°～180^° 時，曲線波動較大，孔壁的表面質(zhì)量較差；FOA為 0^° 的曲線波動較大的原因是橫向纖維斷裂。FOA為 90^°～180^° 的曲線波動較大的原因是碳纖維發(fā)生彎曲斷裂，碳纖維發(fā)生斷裂的位置在根部，使得斷口比較明顯。如圖14c、圖14d所示，F(xiàn)OA為0^°～90^° 時，曲線波動較小，孔壁的表面質(zhì)量較好；FOA為 0^°～90^° 時，縱向纖維的拔出和斷裂導(dǎo)致輪廓曲線的凸起與凹陷。

圖14 不同纖維方向角時的孔壁輪廓曲線Fig.14 Theprofilecurveof the holewall indifferent FOAs

2.4材料去除機理

纖維方向角影響材料的去除，進而影響孔壁形貌和切屑形貌，因此研究材料的去除機理是必要的。如圖15a所示，F(xiàn)OA為 0^° 時，切削刃作用在SiC基體和碳纖維上，兩者內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，隨著刀具的進給，裂紋不斷擴展。SiC基體受到剪切應(yīng)力和壓應(yīng)力，應(yīng)力大于SiC基體的抗壓強度時，SiC基體發(fā)生脆性去除。與SiC基體相比，碳纖維具有更大的抗壓強度、抗拉強度、剪切強度，在脆性斷裂前會發(fā)生一定程度的形變，因此碳纖維與SiC基體發(fā)生脫粘[19]。脫粘后的碳纖維受刀具施加的彎曲應(yīng)力。隨著刀具的進給，碳纖維沿前刀面向上彎曲，彎曲應(yīng)力增大。彎曲應(yīng)力大于彎曲強度時，碳纖維發(fā)生脆性斷裂。彎曲斷裂時的碳纖維斷口較深，導(dǎo)致碳纖維斷裂區(qū)域的表面平整度較差。

圖15b、圖15c所示為FOA為 0^°～90^° 和 90^° 的材料去除機理。刀具接觸SiC基體和碳纖維時，材料內(nèi)部發(fā)生裂紋。碳纖維受主切削刃的剪切作用，剪切應(yīng)力超過纖維的剪切強度時，纖維斷裂。斷裂且脫粘的纖維形成碎屑，斷裂但未脫粘的碳纖維堆積在刀具的前刀面處，沿著進給方向在材料表面上滑動并刮擦已加工表面，惡化表面質(zhì)量。未脫粘的纖維受前刀面和未斷裂材料的擠壓，最終碎裂形成切屑。SiC基體中的裂紋主要沿刀具進給方向進行擴展，碳纖維中的裂紋主要沿者纖維的軸向進行擴展[26]，因此刀具后刀面周圍的SiC脆性去除程度較輕。FOA為 0^°～90^° 時，未去除的SiC基體對材料有良好的支撐作用，因此剪切應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂一般發(fā)生在刀尖附近，碳纖維的斷裂位置距離加工表面較近，使得表面質(zhì)量較好。這是FOA為 0^°～90^° 時，孔出口和入口表面的缺陷較少、孔壁輪廓曲線波動較小的原因。

FOA為 90^°～180^° 時的材料去除機理如圖15d所示。刀具的進給方向與碳纖維的延伸方向之間的角度為鈍角，SiC基體對碳纖維的支撐作用較差，因此碳纖維根部受彎曲應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。裂紋隨機分布在后刀面下方。隨著刀具的進給，碳纖維產(chǎn)生裂紋的區(qū)域受到彎曲作用力而發(fā)生斷裂，斷裂深度不均勻，導(dǎo)致表面質(zhì)量較差。這是FOA為 90^°～180^° 時，孔出入口的缺陷多、孔壁的輪廓曲線波動較大的原因。

平行鉆削方式下，橫向纖維去除機理與垂直鉆削方式相同，縱向纖維去除機理與垂直鉆削方式不同。斷裂方式分為單邊斷裂和雙邊斷裂。切削刃作用下，碳纖維與SiC基體脫粘。隨著刀具的進給，碳纖維沿鉆頭的螺旋槽向上發(fā)生彎曲變形。碳纖維受到的彎曲應(yīng)力超過彎曲強度時，碳纖維發(fā)生脆性斷裂。如圖16a、圖16b所示，碳纖維兩端在切削刃的作用下都發(fā)生斷裂，加工表面形成溝壑，嚴重影響表面質(zhì)量。如圖16c、圖16d

所示，纖維從一端斷裂，斷裂的纖維以切屑的形式去除。未斷裂的纖維與SiC基體的結(jié)合力很小，并在切削刃的作用下與SiC基體脫粘而去除。

2.5 切屑

進給量對切屑形貌有較大影響。圖17a所示為大進給量的切屑形貌。大進給量導(dǎo)致切削刃在單位時間內(nèi)去除更多的材料，產(chǎn)生較大體積的SiC切屑和較長的碳纖維切屑。大體積的SiC基體去除導(dǎo)致碳纖維束脫粘，因此觀察到碳纖維束切屑。圖17b所示為小進給量的切屑形貌，可觀察到較短的碳纖維切屑、小體積的SiC切屑，幾乎沒有碳纖維束切屑。

纖維方向角對切屑形貌有較大影響。FOA為 0^° 的切屑形貌如圖17c所示，碳纖維束受彎曲應(yīng)力，從而與SiC基體脫粘、形成切屑。FOA為90^° 的切屑形貌如圖17d所示，碳纖維束在剪切應(yīng)力的作用下發(fā)生徑向斷裂，形成切屑。

圖17e所示為垂直鉆削的切屑形貌，觀察到大量長纖維切屑的主要原因是，材料編織層的最后一層的剛性較差，垂直鉆削時，碳纖維受橫刃的擠壓而發(fā)生脫粘。圖17f所示為平行鉆削的切屑形貌，觀察到大量中短碳纖維切屑的主要原因是，平行鉆削下，橫向纖維發(fā)生大面積的脫粘，形成較長的切屑；縱向纖維受到外側(cè)未去除材料的剛性支撐，少量碳纖維與SiC基體脫粘，大部分碳纖維在徑向力作用下發(fā)生斷裂，形成較短的切屑。

圖17 C_f/SiC 復(fù)合材料的切屑形貌Fig.17Chip morphology of C_f/SiC composites

2.6 刀具磨損分析

為研究鉆削方式對鉆頭磨損速率的影響，進行刀具磨損試驗。試驗條件為轉(zhuǎn)速20000Ω_r/min ，進給量 0.5μm/r 。以鉆頭后刀面磨損寬度和橫刃磨損寬度為磨損速率的衡量指標。鉆頭斷裂或孔人口圓度精度低于IT9時，試驗停止。

如圖18所示，鉆削總深度達 65mm 時，平行鉆削的孔入口圓度為 28.6mm ，精度低于IT9；鉆削總深度達 95mm 時，垂直鉆削的孔入口圓度為25.5mm ，精度低于IT9。這表明垂直鉆削方式的鉆頭壽命長于平行鉆削方式的鉆頭壽命。

圖18不同鉆孔深度時孔入口處的圓度 Fig.18Roundness of hole entrance under various drillingdepths

如圖19所示，鉆削總深度為 65mm 時，垂直 鉆削的后刀面磨損寬度為 36.9μm ，橫刃磨損寬 度為 24.5μm ；平行鉆削的后刀面磨損寬度為 57.7μm ，橫刃磨損寬度為 29.6μm 。鉆削總深度 為 85mm 時，垂直鉆削的后刀面磨損寬度為

52.9μm ，橫刃磨損寬度為 34.3μm ；平行鉆削的后刀面磨損寬度為 97.8μm ，橫刃磨損寬度為44.0μm 。平行鉆削的刀具磨損更快主要是因為在表面B鉆孔時，切削刃與更多的SiC接觸，導(dǎo)致鉆頭磨損加劇。表面B存在更多的孔隙，鉆孔過程中橫刃因受力不平衡而發(fā)生徑向跳動，導(dǎo)致平行鉆削的刀具磨損較快。此外，平行鉆削的鉆削力較大，也導(dǎo)致更快的磨損。

2.7 應(yīng)用場景分析

垂直鉆削和平行鉆削加工孔的質(zhì)量和精度存在差異。如表3所示，除撕裂因子較小外，平行鉆削的孔圓度誤差、直徑誤差和孔壁粗糙度均大于垂直鉆削。另外，平行鉆削過程中的刀具磨損速率大于垂直鉆削。

表3垂直鉆削與平行鉆削的對比

Tab.3 ComparisonofVDandPDdrillingmethods

孔出入口的撕裂程度影響孔的裝配，因此加工裝配孔時孔出入口的撕裂因子是關(guān)鍵指標。孔出入口的形狀精度和孔壁粗糙度影響孔的密封性能，因此加工冷卻孔和氣流孔時，孔出入口的精度和孔壁的粗糙度是關(guān)鍵指標。由于垂直鉆削加工孔的圓度誤差、直徑誤差、孔壁粗糙度均低于平行鉆削，常采用垂直鉆削加工冷卻孔和氣流孔。由于平行鉆削加工孔的出入口的撕裂較小，常采用平行鉆削加工裝配孔。

3結(jié)論

1）隨著進給量的增大，鉆削的軸向力和徑向力逐漸增大，且軸向力大于徑向力。垂直鉆削方式的軸向力大于平行鉆削方式的軸向力。

2）垂直鉆削時，孔出入口的缺陷主要由纖維斷裂導(dǎo)致的撕裂、纖維回彈導(dǎo)致的毛刺，以及SiC剝落導(dǎo)致的崩邊組成。平行鉆削時，縱向纖維束的缺陷主要表現(xiàn)為纖維斷裂和纖維脫粘。隨著進給量的增大，孔出入口的損傷因子、圓度誤差和直徑誤差逐漸增大。平行鉆削時，孔的出入口損傷因子比垂直鉆削時小 8% ，圓度誤差比垂直鉆削時大 20% 。隨著進給量的增大，孔壁表面粗糙度Sa 先減小后增大。此外，研究發(fā)現(xiàn)垂直鉆削的孔壁表面粗糙度小于平行鉆削的孔壁表面粗糙度。

3）纖維方向角為 0^°～90^° 時，碳纖維發(fā)生剪切斷裂，孔壁質(zhì)量較好。纖維方向角為 90^°～180^° 時，碳纖維發(fā)生彎曲斷裂，孔壁質(zhì)量較差。進給量較大時，切屑體積較大；垂直鉆削的碳纖維切屑長度大于平行鉆削的碳纖維切屑長度。

4）平行鉆削的鉆頭橫刃與后刀面的磨損速率大于垂直鉆削，平行鉆削的鉆頭壽命低于垂直鉆削。

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（編輯張洋）

作者簡介：楊昊天，男，2000年生，碩士研究生。研究方向為陶瓷基復(fù)合材料的磨削加工、微小孔鉆削加工。發(fā)表論文5篇。E-mail：799275582@qq.c0m。趙國龍*（通信作者），男，1987年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。發(fā)表論文100余篇。E-mail：zhaogl@nuaa.edu.cn。

本文引用格式：

楊昊天，何文博，趙國龍，等.Cf/SiC復(fù)合材料微小孔的鉆削加工特性[J].中國機械工程，2025，36（7）：1600-1610.YANG Haotian，HE Wenbo，ZHAO Guolong，et al. DrillingCharacteristicsofMicro Holes on Cf/SiCComposites[J].ChinaMechanical Engineering，2025，36（7）：1600-1610.