基于磨料水射流的C/SiC復(fù)合材料切槽加工實(shí)驗(yàn)研究*

孟凡卓，劉 謙，田欣利，唐修檢，王 龍，吳樂樂

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備保障與再制造系，北京 100072；2.浙江帥豐電氣股份有限公司，浙江 嵊州 310000)

0 引言

C/SiC復(fù)合材料克服了碳化硅陶瓷材料脆性較高的缺點(diǎn)，同時(shí)兼具碳化硅陶瓷良好的物理化學(xué)性能，具有耐高溫、耐腐蝕、低密度、抗氧化等優(yōu)良性能，在航空航天、機(jī)械制造、汽車、軍工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。切削、磨削是加工C/SiC復(fù)合材料的常規(guī)方法，傳統(tǒng)機(jī)械切削加工能夠獲得較好的加工精度和加工質(zhì)量，但刀具磨損較大，加工效率較低[3-4]。

磨料水射流技術(shù)作為一種冷態(tài)特種加工方法，在切割加工領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有切割范圍廣、無熱變形、切割效率高、刀具磨損小等特點(diǎn)[5]。王偉[6]進(jìn)行了磨料水射流切割碳纖維復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同因素對(duì)切割深度的影響規(guī)律，建立了磨料水射流切割碳纖維復(fù)合材料加工工藝經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，但?duì)碳纖維復(fù)合材料的切割機(jī)理沒有進(jìn)行深入研究。本文在其研究基礎(chǔ)之上，采用磨料水射流對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行切槽加工實(shí)驗(yàn)研究，探究不同因素對(duì)切割深度的影響規(guī)律，分析磨料水射流切割C/SiC復(fù)合材料加工損傷和切割機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用C/SiC復(fù)合材料為國(guó)防科技大學(xué)采用氣相滲硅反應(yīng)燒結(jié)工藝(GSI)制備，尺寸為60mm×30mm×15mm，碳纖維束按0°/90°方向疊加成碳纖維層，厚度為0.2～0.4mm，碳化硅基體層厚度為0.8～1mm。其性能參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)機(jī)床如圖1所示，機(jī)床性能參數(shù)如表2所示，圖2為切割加工實(shí)驗(yàn)示意圖。通過單因素實(shí)驗(yàn)研究不同因素對(duì)切割深度的影響規(guī)律；采用影像測(cè)量?jī)x對(duì)切槽不同位置形貌進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)比其形貌結(jié)構(gòu)；采用掃描電子顯微鏡對(duì)切割面進(jìn)行顯微觀測(cè)，分析其切割損傷形式和切割機(jī)理。

表1 C/SiC復(fù)合材料性能參數(shù)

表2 磨料水射流機(jī)床性能參數(shù)

圖1 磨料水射流機(jī)床 圖2 切槽加工示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 切割深度

圖3a為靶距L=4mm，進(jìn)給速度v=400mm/min，改變射流壓力的切割深度曲線。由圖知，射流壓力增大，切割深度增大。當(dāng)純水射流混入磨料顆粒形成均勻的固液兩相射流，經(jīng)過增壓系統(tǒng)增壓加速后，混合射流動(dòng)能Ea為[7]：

(1)

其中，k1為流速系數(shù)，ωa為磨料供給量，ρw為純水密度，g為重力加速度，p為系統(tǒng)壓力，Q為噴射流量。

當(dāng)其它量不變，增大壓力時(shí)，混合射流動(dòng)能增大，射流沖蝕能力增強(qiáng)，切割深度增大。

圖3b為壓力P=160MPa，進(jìn)給速度v=400mm/min，改變靶距的切割深度曲線。由圖知，靶距增大，切割深度增大。射流在噴射的過程中，會(huì)出現(xiàn)射流發(fā)散的現(xiàn)象，混合射流的速度和能量會(huì)隨著射流發(fā)散而衰減，但射流發(fā)散同時(shí)會(huì)使射流有效沖擊面積增大。由射流流體動(dòng)力學(xué)特征知，射流從噴嘴射出，沿著射流方向，分為初始段、過渡段、充分發(fā)展段。其中，射流初始段的速度和動(dòng)能最大，本實(shí)驗(yàn)中，由于靶距增加幅度不大，靶距變化始終在射流初始段內(nèi)，故射流能量衰減作用不明顯，隨著射流有效沖擊面積的增大，切割深度增加。由此可以推斷，隨著靶距的增大，切割深度必然存在一個(gè)峰值，此后隨著靶距增大，切割深度會(huì)逐漸減小。

圖3c為壓力P=160MPa，靶距L=4mm，改變進(jìn)給速度的切割深度曲線。由圖知，進(jìn)給速度增大，切割深度減小。進(jìn)給速度的變化主要影響的是射流沖擊材料某一位置的作用時(shí)間[6]，當(dāng)進(jìn)給速度增加，混合射流對(duì)材料某一位置有效沖蝕時(shí)間減少，故切割深度減小。觀察圖3c可以發(fā)現(xiàn)，曲線額斜率逐漸減小，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)給速度增大到一定值，混合射流從切槽中排出較為徹底，材料去除主要為磨粒的磨削作用，射流沖擊作用減小并維持在一定水平，故切割深度的變化率較平穩(wěn)[6]。

(a)射流壓力對(duì)切割深度影響規(guī)律

(b)靶距對(duì)切割深度影響規(guī)律

(c)進(jìn)給速度對(duì)切割深度影響規(guī)律圖3 不同因素對(duì)切割深度影響規(guī)律

2.2 切槽形貌

圖4為切槽不同位置形貌，圖4a為射流進(jìn)給方向切槽入口形貌，可以看出，切槽底部寬度較大，形成“袋狀結(jié)構(gòu)”，這是由于射流未能切穿材料，積存的磨料水對(duì)切槽底部反復(fù)沖蝕造成的。由于磨料水射流加工為柔性加工方式，其在進(jìn)給方向上由于“射流滯后”現(xiàn)象，導(dǎo)致切槽入口和出口形貌不同，圖4b為射流進(jìn)給方向切槽出口形貌，對(duì)比圖4a可以發(fā)現(xiàn)，在切槽底部，射流出口材料未沖蝕完全，這是因?yàn)樵谏淞鲝牟牧锨谐鰰r(shí)，當(dāng)射流前段切出工件，其不再對(duì)材料有沖蝕作用，射流有效沖蝕時(shí)間減少，故造成出口處材料切割不充分。圖4c為切槽上端形貌，可以看出，切槽入口寬度大于切槽中部寬度，當(dāng)射流從噴嘴噴出，沖擊材料表面時(shí)，在縱向方向上射流能量會(huì)逐漸衰減，射流直徑逐漸增大，產(chǎn)生“射流發(fā)散”現(xiàn)象，射流與材料接觸面積達(dá)到最大，故入口處切口寬度最大，射流繼續(xù)向下沖蝕去除材料，射流能量減弱，且由于射流邊界與空氣交界處會(huì)產(chǎn)生“霧化現(xiàn)象”，使射流能量不均勻，故造成切槽寬度減小，切槽寬度不均勻，槽壁形貌崎嶇。

(a)切割槽入口形貌 (b)切割槽出口形貌

(c)切槽形貌圖4 切槽不同位置形貌

2.3 切割損傷

觀察切割面形貌，可以發(fā)現(xiàn)切割面從上至下分為三個(gè)區(qū)，分別為“光滑區(qū)”、“波紋區(qū)”、“破碎區(qū)”，這是因?yàn)樯淞髂芰克p和射流發(fā)散造成的。不同區(qū)域的材料去除形式不同，“光滑區(qū)”的形成是磨料顆粒以小角度沖擊材料[8]，其材料去除形式為切割磨損[9]；隨著切割深度的增加，射流能量衰減，射流發(fā)生“偏轉(zhuǎn)后滯”，磨料可以以大角度沖擊材料，形成“波紋區(qū)”，其材料去除形式為變形磨損；當(dāng)切割深度繼續(xù)增加，射流能量衰減和射流發(fā)散加劇，造成材料去除不充分，出現(xiàn)切割“犁溝”和凹坑，形成“破碎區(qū)”。

圖5a為放大2500倍的碳纖維層微觀形貌，可以看出，不同方向的纖維被磨料水射流沖蝕切割發(fā)生的損傷形式是不同的。圖左半部分0°纖維在射流沖蝕下沿徑向發(fā)生脆性斷裂，斷口形貌較為平整，說明射流沖蝕的速度較快剪切力較大，碳纖維在很短的時(shí)間內(nèi)被剪斷。圖右半部分90°纖維在射流沖蝕下沿軸向發(fā)生脆性斷裂，斷口形貌不平整，斷口位置不同，外側(cè)纖維斷口位置要高于內(nèi)側(cè)纖維斷口位置，這主要是因?yàn)樯淞魇芰糠植疾痪鶆蛟斐傻?，外?cè)纖維主要受射流內(nèi)部沖蝕，射流動(dòng)能較大，沖蝕能力較強(qiáng)，故斷口位置較高，而內(nèi)側(cè)纖維主要受射流外部沖蝕，動(dòng)能較低，纖維斷裂所需的沖蝕時(shí)間較長(zhǎng)，故斷裂位置較低。一部分內(nèi)側(cè)碳纖維由于射流動(dòng)能不足，未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，但在纖維表面出現(xiàn)裂紋，長(zhǎng)度達(dá)到40μm，裂紋主要是因?yàn)樯淞髦懈咚龠\(yùn)動(dòng)的磨粒對(duì)碳纖維滑擦、磨削產(chǎn)生。當(dāng)不同方向裂紋擴(kuò)展至相交，則會(huì)引起圖中部下側(cè)90°方向纖維塊狀剝落。觀察圖中部界面層形貌，可以發(fā)現(xiàn)，界面層存在黑色縫隙，這是界面層脫粘現(xiàn)象，是因?yàn)樵谏淞鞯臎_蝕作用下，碳化硅基體和碳纖維、不同方向碳纖維之間的作用力失效，出現(xiàn)豁口，產(chǎn)生界面層脫粘損傷。

圖5b為放大10000倍的碳化硅基體微觀形貌，可以看出，在混合射流的沖蝕作用下，碳化硅基體材料去除形式為脆性去除。材料損傷形式表現(xiàn)為微裂紋損傷，長(zhǎng)度達(dá)到10μm，裂紋的擴(kuò)展會(huì)引起基體材料的塊狀剝落，在裂紋兩側(cè)可以觀察到由于材料塊狀剝落形成的較為平整的區(qū)域。

(a)纖維斷裂 (b)碳化硅基體裂紋圖5 切割面微觀形貌

2.4 切割機(jī)理

(1)“二次沖蝕”作用

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，切槽深度是不均勻的，射流入口深度比出口深度大0.2～1.5mm。分析其原因，射流在進(jìn)行切割加工時(shí)，射流的運(yùn)動(dòng)分為沿進(jìn)給方向的沖蝕運(yùn)動(dòng)和垂直材料表面的沖蝕運(yùn)動(dòng)。由于射流本身存在“射流發(fā)散”現(xiàn)象，既射流沖蝕材料表面的工作段寬度大于噴嘴出口處寬度，且由于射流邊緣的“霧化現(xiàn)象”，射流邊緣能量要小于中心處能量。隨著射流切割沖蝕作用的進(jìn)行，去除材料要消耗射流的大部分能量，在射流進(jìn)給方向上，由于射流能量的衰弱，會(huì)出現(xiàn)“射流后滯”現(xiàn)象，既射流末端會(huì)向后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，射流在垂直方向與材料接觸面存在一定弧度，如圖6AB段所示，射流沖蝕面為一傾斜面。當(dāng)進(jìn)給速度較大，射流不能將材料完全切穿時(shí)，在射流底部，射流會(huì)向后流動(dòng)，對(duì)切槽底部進(jìn)行二次沖蝕，形成“二次沖蝕”作用，如圖6BC段所示，造成沿射流進(jìn)給相反方向的切槽深度增大，最終表現(xiàn)為射流切槽的出口深度小于入口深度。

圖6 沖蝕過程示意圖

(2)沖蝕斷裂模型

磨料水射流在切割加工過程中，起主要切割作用的是高速運(yùn)動(dòng)的磨粒，其對(duì)材料主要起沖擊磨削作用，單顆磨粒沖蝕斷裂模型如圖7所示。當(dāng)射流沖擊材料表面時(shí)，由于磨粒對(duì)材料表面的沖擊和磨削作用，材料首先發(fā)生塑性變形，如圖7黑色區(qū)域，此時(shí)材料主要受剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力作用；當(dāng)拉應(yīng)力超過材料本身抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料產(chǎn)生垂直于表面的徑向裂紋[10]和橫向的側(cè)向裂紋[11]。裂紋中充滿水，由于“水楔作用”，裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展，材料以脆性斷裂和塊狀剝落的形式去除。

對(duì)于C/SiC復(fù)合材料，由于在碳化硅基體中加入了碳纖維，材料的韌性得到較大提升，當(dāng)基體材料中裂紋擴(kuò)展到碳纖維時(shí)，由于碳纖維強(qiáng)度大于碳化硅基體強(qiáng)度，裂紋若發(fā)生進(jìn)一步擴(kuò)展，則需要提高外加應(yīng)力或延長(zhǎng)外加應(yīng)力作用時(shí)間，而磨料水射流的不斷沖蝕作用為裂紋的擴(kuò)展提供了持續(xù)外加應(yīng)力，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，材料界面層被破壞，碳纖維被沖蝕切割，產(chǎn)生纖維拔出損傷，當(dāng)纖維拔出到一定長(zhǎng)度，發(fā)生纖維斷裂，如圖7a所示，其斷裂韌性為[12]：

KIC=KICO+(ΔWfp+ΔWff)

(2)

其中，KIC為復(fù)合材料斷裂韌性，KICO為基體材料斷裂韌性，ΔWfp為纖維拔出功，ΔWff為纖維斷裂功。

若外加應(yīng)力強(qiáng)度不能達(dá)到破壞碳纖維所需強(qiáng)度或外加應(yīng)力作用時(shí)間較短，則裂紋擴(kuò)展方向會(huì)發(fā)生改變，其只會(huì)在碳化硅基體中進(jìn)行擴(kuò)展，如圖7b所示。由此可以推測(cè)C/SiC復(fù)合材料增韌機(jī)制為碳纖維的存在，改變了裂紋擴(kuò)展的方向，使裂紋擴(kuò)展只在基體材料中發(fā)生，當(dāng)外加應(yīng)力較大或作用時(shí)間較長(zhǎng)引起纖維拔出時(shí)，纖維的破壞吸收了外加載荷，降低了裂紋擴(kuò)展的速度和程度，減小了材料損傷。

(a)纖維斷裂 (b)裂紋偏轉(zhuǎn)圖7 單顆磨粒沖蝕模型

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)采用磨料水射流對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行了切割加工，主要對(duì)切割深度、切槽形貌、切割損傷和切割機(jī)理進(jìn)行了分析。由于磨料水射流在切割方向的“滯后現(xiàn)象”，導(dǎo)致切槽入口和出口形貌存在差異，切割內(nèi)壁質(zhì)量形成“波紋區(qū)”，這對(duì)切割質(zhì)量和切割精度造成很大影響。筆者在前文實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行雙向切割可行性實(shí)驗(yàn)，即對(duì)同一切槽進(jìn)行反向切割，結(jié)果表明可顯著改善切槽入口、出口形貌差異，得到深度均勻、內(nèi)壁質(zhì)量較好的切槽。進(jìn)一步研究雙向切割工藝，提高切割質(zhì)量和切割精度，總結(jié)歸納切割參數(shù)對(duì)切槽深度的影響規(guī)律是下一步工作的重點(diǎn)。