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SiCf /SiC陶瓷基复合材料超声振动铣削试验研究 *

Ultrasonic Vibration Assisted Milling Experiment of SiCf /SiC Ceramic Matrix Composites

杨卓勇 刘秀梅 刘智武 周峰 熊一峰 汪文虎     2021年10月18日

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陶瓷基复合材料(CMC)由陶瓷纤维和陶瓷基体组成,具有密度低、硬度高、热稳定性能优异及化学耐受性强等特点,其密度为高温合金的1/3,强度为其2倍,能够在1000~1500℃(比高温合金高出200~240℃)高温环境中长时间工作,是替代高温合金发动机热端结构材料的首选[1,2]。SiCf /SiC陶瓷基复合材料的基体材料及增强相材料硬度高、抗磨损,使得材料的加工面临着刀具磨损严重、切削力大、加工质量难以满足要求等问题,甚至难以进行加工[3]。超声振动辅助加工技术是在传统机械加工工艺基础上,对刀具或工件施加高频率、微米级振幅的超声振动,缩短刀具与工件的接触时间、减小刀具与工件的摩擦力,获得更好加工性能的方法。作为决定该技术是否可以应用于SiCf /SiC陶瓷基复合材料的关键性因素之一,刀具的选取至关重要。通过开展超声振动辅助铣削试验研究,对比分析超声振动辅助铣削SiCf /SiC陶瓷基复合材料过程中聚晶金刚石(PCD)复合片刀具、钎焊金刚石刀具和电镀金刚石刀具的加工表面质量、刀具寿命及刀具磨损形式,确定适合加工SiCf /SiC陶瓷基复合材料的刀具,并进一步分析切削参数对铣削力的影响规律,理解刀具磨损机理,为后续进一步开展SiCf /SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助加工研究提供参考。

 

超声振动铣削试验


试验材料及加工刀具


试验样件材料为化学气相渗透(CVI)工艺制备的 SiCf / SiC陶瓷基复合材料,试验样件尺寸为80mm×45mm×3.8mm,其主要性能参数见表1。试验分别采用PCD刀具、50目钎焊金刚石刀具和100目电镀金刚石刀具,刀具直径均为6mm,刀长54mm(PCD刀具如图1所示)。

 

表1   SiCf /SiC陶瓷基复合材料性能参数

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图1  PCD刀具几何结构及端面磨粒结构示意


试验方案及数据测量


首先开展3种刀具铣削对比试验,刀具对比试验加工参数见表2,综合考察刀具的材料去除体积、加工表面质量及主要磨损形式,优选出适用于加工SiCf /SiC陶瓷基复合材料的刀具。然后基于优选的刀具开展单因素试验(单因素试验加工参数详见表3),研究加工参数对切削力的影响规律,揭示刀具磨损机理。

 

表2   刀具对比试验加工参数

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表3   刀具对比试验加工参数

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试验结果分析


加工表面粗糙度


对比3种刀具的加工表面粗糙度(如图2所示):PCD刀具加工表面粗糙度值最小,加工表面质量最好;对比钎焊金刚石刀具及电镀金刚石刀具加工表面粗糙度可以看出,刀具磨粒目数越大、磨粒个数越多,参与到加工过程中的磨粒也相应增多,加工表面粗糙度值也随之降低,表面质量会相对更好。同时,分析试验过程中测量数据的误差棒,可以看出PCD刀具加工表面粗糙度值的测量数据误差棒最小,表明加工表面粗糙度值差异不大、测量数据稳定性高,加工表面质量高。

 

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图2  3种刀具加工表面粗糙度

 

刀具寿命


以材料去除体积表征刀具寿命,对比3种刀具采用相同加工参数,加工至刀具磨损失效时的试验结果(如图3所示)。在相同加工参数条件下,100目电镀金刚石磨头去除材料体积为192mm3,50目钎焊金刚石磨头去除材料体积为810mm3,PCD刀具去除材料体积为9720mm3,3种刀具寿命比为50.6∶4.2∶1。分析试验结果可知,PCD刀具磨损小,刀具寿命长,电镀金刚石磨头磨损严重,刀具寿命短。综合分析,100目电镀金刚石磨头不适合加工SiCf /SiC陶瓷基复合材料,PCD刀具及50目钎焊金刚石刀具可用于SiCf /SiC陶瓷基复合材料的加工。

 

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图3  刀具去除材料体积

 

刀具磨损


根据刀具磨损形貌的扫描电镜(SEM)图可以看出,金刚石磨粒表面布满了破裂断面,磨粒棱边及型面发生了严重的磨料磨损(如图4所示)。这是由于电镀磨粒与刀具基体间结合强度不高,在超声振动铣削过程中,磨粒在磨料磨损的同时,容易从刀具端面上剥落下来,使得参与加工的磨粒数目减小,铣削力增大,刀具磨损加剧,在去除材料192mm3后,刀具端面被彻底磨平失效。

 

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图4  3种刀具磨损形貌SEM图

 

钎焊金刚石磨头磨损主要为磨粒的磨料磨损,未发现磨粒的剥落。深入分析磨粒磨损形式,磨粒表面有明显的硬质材料滑刻磨损痕迹及破裂断面,表明金刚石磨粒在去除相同硬度的SiCf /SiC陶瓷基复合材料时,磨粒主要被硬质材料在表面进行磨料磨损,在高频超声振动冲击下,部分磨粒会被冲碎型面产生破裂断面。磨粒四周黏结剂亦被磨损说明,磨粒发生了严重的磨料磨损,磨粒凸起参与材料去除过程的部分已经被磨平。然而,由于钎焊黏结强度相对电镀要高,钎焊金刚石磨粒不易被剥离出刀具基体形成磨粒的剥落。


PCD刀具锥刺型的磨粒主要磨损形式为磨粒的磨料磨损及磨粒破裂。由于PCD刀具材质及SiCf /SiC陶瓷基复合材料硬度差异不大,在加工中刀具与去除材料相互磨损,极易造成PCD刀具磨粒的磨料磨损。同时,由于PCD及SiC陶瓷均属于脆性材质,在高频超声冲击下,磨粒容易发生破裂崩裂。然而,从SEM图可以看出PCD刀具整体磨粒磨损程度差异不大,这使得刀具加工过程相对更平稳,加工表面质量更高。


铣削力


加工参数对PCD刀具铣削力的影响主要表现为:随着主轴转速的增加,PCD刀具铣削力逐渐降低;随着进给速度及切削深度的增大,铣削力急剧增大。切削力增大是造成PCD刀具磨损的主要原因,为了减小刀具磨损,延长刀具寿命,需要降低SiCf /SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助加工过程中的铣削力。由此可以确定,SiCf /SiC陶瓷基复合材料超声振动辅助加工的主轴转速应不低于7000r/min,进给速度不高于300mm/min,切削深度小于0.1mm。


此外,根据超声振动参数对PCD刀具铣削力的影响可以发现,随着超声频率及超声振幅的逐渐增大,PCD刀具的铣削力均呈现出先降低后增大的趋势。高频超声振动使得刀具与材料之间发生高频的冲击,在一定条件下会造成PCD刀具磨粒的崩裂,导致刀具磨损,增大铣削力及加工表面粗糙度,故需要合理的选择超声振动参数。根据试验结果可以确定合理的超声振动频率应为30kHz,超声振幅为4μm。

 

结束语


在上述试验的基础上,针对SiCf /SiC陶瓷基复合材料的超声振动辅助铣削的研究,后续还应深入开展超声能场作用下的切削机理、微小孔加工的损伤形成机理与控制方法,以及超声振动参数与加工参数匹配性研究,合理选择各参数以强化SiCf /SiC陶瓷基复合材料超声辅助加工的优势,实现其优质高效加工。


(杨卓勇,中国航发西航,研究员级高级工程师,主要从事航空发动机制造、工艺、规划、管理及体系建设研究)

 

参考文献


[1] Niggemann C, Song Y S, Gillespie J W, et al. Experimental investigation of the controlled atmospheric pressure resin infusion (CAPRI) process[J]. Journal of composite materials, 2008, 42(11):1049-1061.


[2] 王德忠. 环氧树脂生产与应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2001:4-10.


[3] Yuan S M, Zhang C, Hu J J. Effects of cutting parameters on ductile material removal mode percentage in rotary ultrasonic face machining[J]. Proceedings of the institution of mechanical engineers, part B: journal of engineering manufacture, 2015, 229(9):1547-1556.    

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