刀具涂層和幾何參數(shù)對(duì)鉆削SiC/SiC的影響*

王明海，趙新偉，李曉鵬，莊 鑫

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.沈陽(yáng)市先進(jìn)航空難加工結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136)

0 引言

碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料(SiC/SiC復(fù)合材料)具有耐高溫、低密度、高比模、高強(qiáng)度、高耐磨、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天及核能等領(lǐng)域[1-3]。在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件的裝配連接中需要大量的孔進(jìn)行螺栓連接[4-5]，然而SiC/SiC復(fù)合材料的高硬度、高脆性等特點(diǎn)使其在孔加工中存在刀具磨損嚴(yán)重和材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下受到破壞等問題，所以研究SiC/SiC復(fù)合材料的制孔加工尤為重要。

針對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料這類的硬脆難加工材料的制孔問題，焦健等[6]采用機(jī)械加工、水流射加工和激光加工的方式進(jìn)行制孔，并分析了加工后的表面形貌。Sriram R[7]使用激光加工的方法進(jìn)行了激光鉆孔，建立了一個(gè)加工過程中預(yù)測(cè)熱物理性質(zhì)的數(shù)值模型。謝巍杰等[8]采用機(jī)械鉆孔和激光鉆孔的方式進(jìn)行制孔，對(duì)制孔質(zhì)量和兩種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。王健健[9]發(fā)現(xiàn)利用旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)可以減小約70%的出孔撕裂損傷，得到比普通磨削加工更好的孔壁表面質(zhì)量?？等士频萚10]采用超聲輔助磨削和普通磨削的方式鉆孔，對(duì)比了兩者的磨削力大小和加工后材料的表面粗糙度，并分析了材料的去除機(jī)理。陳玉榮等[11]使用金剛石套料鉆進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助鉆孔加工，研究了磨粒的排布參數(shù)對(duì)刀具壽命和制孔精度的影響。屈碩碩等[12]研究了不同的工藝參數(shù)下磨削制孔的工藝性能，分析了磨削參數(shù)對(duì)材料表面粗糙度、表面形貌及磨削力的影響。Chen J等[13]分析了不同銑削參數(shù)對(duì)加工表面完整性的影響，研究了銑削參數(shù)變化對(duì)材料去除機(jī)理的影響。Liu Y等[14]進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助銑削和金剛石涂層銑刀常規(guī)銑削的試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)超聲振動(dòng)輔助加工過程中的切削力進(jìn)行了研究，分析了兩種加工方式下涂層刀具的磨損形式和機(jī)理。Wang Y等[15]首次采用超聲振動(dòng)銼削方式加工深腔結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)表面，并驗(yàn)證了其可行性。孟凡卓等[16]使用磨料水流射對(duì)C/SiC復(fù)合材料進(jìn)行切槽加工，發(fā)現(xiàn)材料的去除形式是脆性斷裂。王明海等[17]使用超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)銑削C/SiC復(fù)合材料表面，研究了加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。

目前，針對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料的加工研究有了很多成果，但大多都是特種加工的方式，且制孔方式主要集中在磨削制孔上，很少使用鉆頭鉆削制孔的方式加工，且從刀具本身的角度出發(fā)去看切削力和刀具磨損的變化規(guī)律尚有待深入研究。本文通過進(jìn)行鉆削SiC/SiC復(fù)合材料的試驗(yàn)，研究刀具涂層對(duì)鉆削加工的影響，探究刀具角度和切削力變化的規(guī)律，并觀察和分析加工后的刀具磨損情況和孔出口質(zhì)量，此研究對(duì)提高SiC/SiC復(fù)合材料制孔精度，減少加工成本具有重要意義。

1 刀具涂層的影響

1.1 試驗(yàn)材料及裝夾方式

在VMC850B型數(shù)控加工中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)材料為尺寸50×100和20×75的兩塊SiC/SiC復(fù)合材料板，厚度均為3 mm，由于材料屬于硬脆材料，在加工時(shí)不能直接用傳統(tǒng)的機(jī)械裝夾方式，容易造成材料的二次損傷，所以在裝夾時(shí)采用石蠟粘接的方式，將其固定在夾具上，為了不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，夾具材料選擇材質(zhì)較軟的樹脂陶瓷，試驗(yàn)采用干式鉆削，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 SiC/SiC復(fù)合材料鉆削試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)刀具

SiC/SiC復(fù)合材料屬于難加工的硬脆材料，在深入分析鉆削過程中的規(guī)律之前，首先要對(duì)其可加工性進(jìn)行判斷，所以采用牌號(hào)相同，有無涂層的兩把刀具對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。刀具材料為廈門金鷺生產(chǎn)的牌號(hào)為GK05A的硬質(zhì)合金，刀具直徑為6 mm，性能參數(shù)及涂層厚度參數(shù)如表1所示，加工材料為20×75的SiC/SiC復(fù)合材料板，采用超景深顯微鏡對(duì)孔進(jìn)行觀察。鉆削的加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min，進(jìn)給速度10 mm/min。

表1 刀具性能參數(shù)表

1.3 結(jié)果分析

加工后的鉆孔效果如圖2所示，可以看到普通硬質(zhì)合金刀具并沒有成功鉆孔，孔的表面也沾結(jié)了大量的刀具基體材料，這是因?yàn)殂@削時(shí)產(chǎn)生的大量的切削熱使刀具基體融化，通過軸向力的作用沾結(jié)在材料表面。

圖2 涂層刀和未涂層 刀鉆孔對(duì)比

金剛石涂層的刀具鉆孔效果較好，如圖3所示，入口處孔徑6.279 mm，有一處崩邊，出口處孔徑6.117 mm，并有毛刺產(chǎn)生。這是因?yàn)榈毒咩@尖部位在進(jìn)給到材料的下表面時(shí)，在靠近主切削刃的副刃處由于磨損，刀具的直徑會(huì)變小，所以在繼續(xù)鉆出的過程中出口孔徑會(huì)減小。因?yàn)榍邢魅械娜笔?，出口處的纖維不能完全斷裂，加上部分基體的粘結(jié)，形成了出口的毛刺。

圖3 金剛石涂層刀具鉆孔后的孔出入口形貌

加工后的刀具如圖4所示，可以看到，普通硬質(zhì)合金刀具主切削刃部分已經(jīng)磨平，刀頭已經(jīng)嚴(yán)重變形，金剛石涂層刀具的主切削刃和副切削刃連接處的刃尖已經(jīng)磨鈍，主切削刃有崩刃，主后刀面金剛石涂層脫落，已經(jīng)露出刀具基體。由此可以得出，普通硬質(zhì)合金刀具在低轉(zhuǎn)速低進(jìn)給的情況下并不適合加工SiC/SiC復(fù)合材料，而相同條件下的金剛石涂層刀具則可以加工，但是磨損較為嚴(yán)重。

圖4 未涂層鉆頭和金剛石涂層鉆頭加工后形貌

2 刀具幾何參數(shù)的影響

2.1 試驗(yàn)方案

選取刀具角度(螺旋角、后角、頂角)作為對(duì)鉆削力的影響因素，如表2所示，鉆削力作為指標(biāo)，且鉆削力越小越好，加工過程中使用Kistler9257B測(cè)力儀對(duì)鉆削力進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)完成后使用VMX-2000C超大景深光學(xué)三維顯微鏡對(duì)刀具磨損和孔的表面形貌進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)所需刀具為金剛石涂層的硬質(zhì)合金鉆頭，材料為50×100的SiC/SiC復(fù)合材料板，厚度為3 mm，試驗(yàn)方案表如表3所示。

表2 因素水平表

表3 試驗(yàn)方案表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 切削力分析

鉆削過程主要分為3個(gè)階段，如圖5所示。即第1個(gè)階段(圖5a)為鉆頭橫刃剛接觸工件上表面到鉆頭整個(gè)主切削刃切入工件，第2階段(圖5b)為第1階段末至鉆頭橫刃鉆削至工件下表面，第3階段(圖5c)是從上階段末至主切削刃全部鉆出工件。在加工過程中刀具受到的切削力可以分解為x、y、z方向，但是鉆孔過程主要是向下的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所以鉆頭受到的切削力主要是測(cè)力儀測(cè)出的軸向的Fz,在試驗(yàn)過程中的切削力取值在第2階段中的Fz的平均值。

(a) 第1階段 (b)第2階段 (c)第3階段

極差R的大小反應(yīng)了相應(yīng)因素作用的小，極差大的因素意味著其不同水平給指標(biāo)所造成的差別較大，通常是主要因素，極差小的因素，意味著其不同水平給指標(biāo)造成的差別較小，一般是次要因素，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算表

續(xù)表

表4中，Ⅰ為因素所在的列中水平1所對(duì)應(yīng)的切削力的和；Ⅱ?yàn)橐蛩厮诘牧兄兴?所對(duì)應(yīng)的切削力的和；Ⅲ為因素所在的列中水平3所對(duì)應(yīng)的切削力的和；R為該因素的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中最大值與最小值的差。

由表4可知，按極差的大小，在鉆削SiC/SiC復(fù)合材料時(shí)，影響切削力大小的刀具角度因素是螺旋角>頂角>后角，且后角對(duì)切削力的影響遠(yuǎn)小于螺旋角和頂角，實(shí)際生產(chǎn)中可不作要求。由于要得到最小切削力，故?、?、Ⅱ、Ⅲ中最小值所對(duì)應(yīng)的水平，得到頂角118°、螺旋角20°、后角16°。

因素水平變化時(shí)，切削力變化的趨勢(shì)如圖6所示，由圖可知，在鉆削SiC/SiC復(fù)合材料時(shí)，刀具頂角和螺旋角對(duì)切削力的影響整體呈上升趨勢(shì)，且螺旋角的上升趨勢(shì)明顯，后角整體呈水平狀態(tài)。

圖6 因素水平變化趨勢(shì)圖

為了驗(yàn)證刀具角度變化對(duì)切削力的影響規(guī)律的準(zhǔn)確性，使用試驗(yàn)分析得到的較優(yōu)條件制作一把刀具進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)得切削力后與已做試驗(yàn)中的切削力最小的方案進(jìn)行對(duì)比，來確定結(jié)論的準(zhǔn)確性，得到的切削力曲線如圖7所示。

圖7 最優(yōu)參數(shù)鉆削下的切削力

可以看到，在20.6 s時(shí)刀具接觸到工件上表面，在30.3 s～40.5 s階段為鉆削的第2階段，這一時(shí)間段的平均切削力為79.258 75 N，低于正交試驗(yàn)中得到的切削力最小方案。

2.2.2 刀具磨損和孔形貌分析

SiC/SiC復(fù)合材料屬于難加工材料，在鉆削過程中對(duì)刀具的磨損量巨大，因此研究刀具角度對(duì)刀具磨損之間的規(guī)律有助于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，有效的提高刀具的利用率，縮小成本。如圖8～圖10所示，分別為頂角118°，螺旋角20°、25°、30°，后角12°、16°、20°的鉆頭在加工一個(gè)孔之后孔出口處的表面形貌。

由圖可知，螺旋角在20°和25°時(shí)，孔出口處有毛刺和纖維拔出，螺旋角30°時(shí)孔出口處的圓度較前兩組有明顯差異，這是因?yàn)榈毒咔邢魅械谋廊性斐稍阢@出時(shí)的孔徑達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。圖11所示為刀具鉆削后磨損形貌，由圖可知刀具的主要磨損形式是切削刃處的涂層脫落和切削刃的崩刃，可以用圖中標(biāo)注的陰影部分，即涂層脫落面積來判斷刀具的磨損程度。圖12為9組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的刀具磨損曲線。

圖8 頂角118°、螺旋角20°、后角12°鉆頭鉆孔形貌 圖9 頂角118°、螺旋角25°、后角16°鉆頭鉆孔形貌

圖10 頂角118°、螺旋角30°、后角20°鉆頭鉆孔形貌 圖 11刀具磨損形貌

圖 12刀具涂層脫落面積曲線

如圖13～圖15所示，分別為頂角124°，螺旋角20°、25°、30°，后角16°、20°、12°的鉆頭在加工一個(gè)孔之后的孔出口形貌，由圖可知，孔出口處的質(zhì)量較1、2、3組試驗(yàn)結(jié)果差，毛刺和纖維拔出明顯增多，這是因?yàn)轫斀窃龃螅@頭鋒利程度減小，但耐磨性增大，所以崩刃情況和涂層脫落要好于前三組試驗(yàn)。涂層脫落面積情況呈逐漸增加的趨勢(shì)，在螺旋角30°時(shí)相比前兩組刀具切削刃有一大塊缺口，這是因?yàn)橥繉用撀渌俣容^快，刀具基體過早的與材料接觸導(dǎo)致。

如圖16～圖18所示，分別為頂角130°，螺旋角20°、25°、30°，后角20°、12°、16°的鉆頭在加工一個(gè)孔之后的孔出口形貌，由圖可以看出孔出口處的質(zhì)量好于上一組試驗(yàn)，且涂層脫落面積情況為螺旋角20°>螺旋角30°>螺旋角25°，綜合三組試驗(yàn)，在螺旋角相同時(shí)，頂角在118°時(shí)的涂層脫落面積最小，孔出口處毛刺數(shù)量最少，所對(duì)應(yīng)的切削力也最小，與正交試驗(yàn)得到的結(jié)論相符。

圖13 頂角124°、螺旋角20°、后角16°、鉆頭鉆孔形貌 圖14 頂角124°、螺旋角25°、后角20°鉆頭鉆孔形貌

圖15 頂角124°、螺旋角30°、后角12°鉆頭鉆孔形貌 圖16 頂角130°、螺旋角20°、后角20°鉆頭鉆孔形貌

圖17 頂角130°、螺旋角25°、后角12°鉆頭鉆孔形貌 圖18 頂角130°、螺旋角30°、后角16°鉆頭鉆孔形貌

3 結(jié)束語

本文首先使用有無金剛石涂層的刀具鉆削SiC/SiC復(fù)合材料，研究刀具涂層對(duì)加工SiC/SiC復(fù)合材料的影響，發(fā)現(xiàn)沒有涂層的硬質(zhì)合金刀具在低轉(zhuǎn)速遞進(jìn)給的情況下不適合加工SiC/SiC復(fù)合材料，而金剛石涂層的刀具加工效果較好，在主軸轉(zhuǎn)速2000 r/min、進(jìn)給10 mm/min，刀具涂層不變的情況下，改變刀具幾何角度，研究切削力的變化規(guī)律，并對(duì)加工后孔出口處的缺陷和刀具的磨損進(jìn)行了分析，最后得出結(jié)論：

(1)在鉆削SiC/SiC復(fù)合材料過程中，刀具角度的變化對(duì)切削力影響明顯，且螺旋角對(duì)切削力的影響最大，其次是頂角，后角的影響最小。刀具頂角和螺旋角對(duì)切削力的影響整體呈上升趨勢(shì)，且螺旋角的上升趨勢(shì)明顯，后角的影響相對(duì)可以忽略不計(jì)，整體呈水平狀態(tài)。最后通過正交試驗(yàn)得到的一組最小切削力的刀具角度參數(shù)為頂角118°、螺旋角20°、后角16°。

(2)刀具磨損的主要形式是涂層脫落和切削刃崩刃，在頂角124°、螺旋角25°、后角12°時(shí)涂層脫落面積最大，在頂角和后角一定時(shí)，隨著螺旋角增大，涂層脫落面積增大，螺旋角和后角一定時(shí)，頂角越大，涂層脫落面積越大，變化趨勢(shì)同切削力變化趨勢(shì)相同。

(3)孔入口處形貌完整，沒有缺陷，隨著刀具產(chǎn)生磨損，出口處的形貌差別較大，主要缺陷是毛刺和纖維拔出，產(chǎn)生的原因是涂層脫落后，切削刃的硬度和強(qiáng)度下降，導(dǎo)致切削刃崩刃，從而產(chǎn)生缺陷。