面向SiC/SiC復(fù)合材料精密制孔的單層釬焊金剛石套料鉆脈沖激光修整研究

關(guān)鍵詞單層釬焊金剛石套料鉆；SiC/SiC復(fù)合材料；激光修整；孔徑精度；超聲振動(dòng)輔助加工中圖分類號(hào) TQ164; TG58;TG74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1006-852X（2025）02-0143-10DOI碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0248收稿日期 2023-11-20修回日期 2024-01-13

碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（SiC/SiC復(fù)合材料）具有耐高溫、耐腐蝕、低密度等優(yōu)異的物理力學(xué)性能，已在航空航天領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[]。SiC/SiC復(fù)合材料高硬度、高耐磨性和各向異性的特點(diǎn)，導(dǎo)致加工過(guò)程中工具極易發(fā)生磨損，加工精度和表面質(zhì)量難以控制，甚至造成工件報(bào)廢的嚴(yán)重后果[2-4]。因此，針對(duì)SiC/SiC復(fù)合材料加工難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)工具制備和工藝創(chuàng)新做了大量研究。其中，釬焊金剛石工具和超聲振動(dòng)輔助加工在SiC/SiC復(fù)合材料的高效高質(zhì)加工中極具潛力[-]

SiC/SiC復(fù)合材料孔系是航空航天關(guān)鍵零件的重要結(jié)構(gòu)，這些孔起到連接、冷卻、進(jìn)氣等作用[7-8]?？椎某叽缇仁菍?shí)現(xiàn)這些功能的重要因素，例如孔徑的尺寸精度決定了結(jié)構(gòu)件的裝配精度和冷卻及換氣效率[]。釬焊金剛石套料鉆具有優(yōu)良的鉆削性能，是SiC/SiC復(fù)合材料孔系加工的首選工具之一[10]。釬焊金剛石套料鉆的前端磨粒起主要去除工件材料的作用，而側(cè)面分布的磨粒持續(xù)起到去除孔壁材料以保證孔徑精度的作用。因此，在SiC/SiC復(fù)合材料制孔過(guò)程中，釬焊金剛石套料鉆側(cè)邊磨粒的等高性是保障并維持孔徑精度最關(guān)鍵的因素。但由于套料鉆基體的加工誤差、釬焊磨粒粒度分布的不均等因素，SiC/SiC復(fù)合材料孔系的加工精度難以保證，加工表面質(zhì)量差。因此，釬焊金剛石套料鉆的精密修整是保證SiC/SiC復(fù)合材料孔系高質(zhì)量加工的關(guān)鍵。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了超硬磨料工具，尤其是釬焊金剛石工具的高效修整方法，主要有機(jī)械修整法、機(jī)械-化學(xué)修整法和激光整形法。機(jī)械修整法一般是采用修整塊（例如釬焊金剛石塊、鐵基金剛石塊、氧化鋁塊等工具）對(duì)釬焊金剛石工具進(jìn)行修整，其基本原理是利用相同的金剛石磨粒將過(guò)度突出的磨粒進(jìn)行微量磨除，以提高工具磨粒的等高性[1]。機(jī)械-化學(xué)修整法是利用工具上的金剛石磨粒在一定條件下磨削鐵系金屬并與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬碳化物，以此加快金剛石磨粒的磨損，再通過(guò)油石等磨具將金屬碳化物去除，從而達(dá)到修整的效果[12-13]。這2種方法都是通過(guò)機(jī)械去除方式進(jìn)行修整，修整力難以控制，容易引發(fā)磨粒破損嚴(yán)重甚至脫落、工具損耗大、修整效率低等問(wèn)題。此外，除了以機(jī)械方式微量去除金剛石磨粒達(dá)到修整目的外，通過(guò)脈沖激光修整金剛石工具也是研究熱點(diǎn)之一[4]。脈沖激光具有能量密度高、可控性好、加工精度高等特點(diǎn)，在金剛石工具修整方面得到了良好的應(yīng)用[15]。脈沖激光修整中通常激光束在切向入射磨具邊緣并沿著母線方向周期性掃描時(shí)，燒蝕去除凸出的磨粒尖端，進(jìn)而提高磨具的等高性。采用這種方法修整釬焊金剛石工具時(shí)，工具不受修整力影響，避免了磨粒因較大修整力而發(fā)生破損或是脫落[。另外，脈沖激光的能量密度高，修整效率相比機(jī)械修整可提高 50% 以上[]。因此，采用脈沖激光修整技術(shù)提高釬焊金剛石套料鉆側(cè)面磨粒的等高性，在保障SiCr/SiC復(fù)合材料孔系的制孔精度方面潛力巨大。

鑒于此，本研究中提出采用脈沖激光修整釬焊金剛石套料鉆的方法，提高側(cè)邊磨粒等高性，實(shí)現(xiàn)SiCr/SiC復(fù)合材料高質(zhì)量和高精度制孔的構(gòu)想。首先研制單層釬焊金剛石套料鉆脈沖激光修整平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上探究脈沖激光修整參數(shù)對(duì)側(cè)邊磨粒等高性的影響規(guī)律，并對(duì)比分析修整前后單層金剛石套料鉆的超聲振動(dòng)輔助制孔的孔徑精度，最終實(shí)現(xiàn)SiC/SiC復(fù)合材料孔的高品質(zhì)加工。

1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1材料與工具

SiC/SiC復(fù)合材料孔精密加工試驗(yàn)采用有序排布的單層釬焊金剛石套料鉆進(jìn)行鉆削加工，金剛石磨粒排布列數(shù)為8列，排布長(zhǎng)度為 7mm ，如圖1所示。單層釬焊金剛石套料鉆的基體材料采用 0Cr18Ni9 不銹鋼，金剛石磨粒粒徑為40/45#（平均尺寸為 425～450μm ）。金剛石磨粒釬焊套料鉆基體上，釬焊后的金剛石套料鉆工作段直徑通過(guò)顯微鏡測(cè)得為 4.28mm ○

釬焊金剛石套料鉆前端磨粒微觀形貌如圖2所示。套料鉆前端設(shè)計(jì)有凹槽（圖1），制備過(guò)程中磨粒被放置在基體側(cè)邊槽內(nèi)，并通過(guò)釬料與基體緊密連接（圖2），磨粒出露高度不少于磨粒直徑的1/2。因此，在制孔過(guò)程中，能夠既保證套料鉆具有足夠的容屑空間，又保證該套料鉆前端磨粒不易脫落，具有更長(zhǎng)的使用壽命并且不易突然失效。

試驗(yàn)所用工件由2DSiC/SiC復(fù)合材料制成，工件厚度為 4mm 。該材料主要由SiC纖維、BN界面層、SiC基體和隨機(jī)分布的孔隙構(gòu)成（圖3），其中SiC纖維型號(hào)為T300，直徑為 5～7μm 。材料內(nèi)部的孔隙率為 15%～20% 。通過(guò)觀察SiC/SiC復(fù)合材料拋光后的側(cè)面微觀形貌，每一層的SiC纖維束以經(jīng)向和緯向方式排列，不同方向的纖維束呈平紋方式編織，如圖3a所示。在不同的平紋組織中，層與層之間分布許多大小不等的孔隙（圖3b），在制孔過(guò)程中，孔隙的存在將會(huì)對(duì)鉆削穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響。SiC/SiC復(fù)合材料中橫向和縱向方向SiC纖維的微觀形貌如圖3c和圖3d所示，SiC纖維周圍由BN界面層和SiC基體緊密包裹。相比SiC陶瓷，這種編織結(jié)構(gòu)可使SiCr/SiC復(fù)合材料具有更高的斷裂韌性，在嚴(yán)苛條件下表現(xiàn)出更好的抗沖擊性能。工件表面涂覆了一層通過(guò)化學(xué)氣相沉積（chemical vapordeposition，CVD）工藝形成的 SiC陶瓷基體層，并包裹在SiC/SiC復(fù)合材料纖維編織體上，使材料表面更加致密化。SiCf/SiC復(fù)合材料的物理性能詳見(jiàn)表1[18]。本文研究對(duì)象為SiCr/SiC復(fù)合材料小孔，直徑為 4.00mm ，孔徑精度要求為H9級(jí)，即制孔直徑變化范圍為 4.00～4.03mm ○

1.2套料鉆激光修整裝置

單層釬焊金剛石套料鉆的激光修整在自研的脈沖激光修整平臺(tái)上進(jìn)行，該平臺(tái)主要包括脈沖激光器和光路模塊、移動(dòng)平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)主軸，如圖4所示。脈沖激光系統(tǒng)采用IPG光纖納秒脈沖激光（ YLPN-1-1×120-50. M），波長(zhǎng)為 1064nm ，最大脈沖激光平均功率為 50W 脈沖頻率范圍為 2～5000kHz ，脈沖寬度為 1～120ns 光斑直徑為 40μm 。脈沖激光修整中的離焦量采用移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，移動(dòng)平臺(tái) X， Y和 Z3 個(gè)方向的定位精度為 1μm ，通過(guò)調(diào)整移動(dòng)平臺(tái)，使離焦量近似為0，如圖4b所示。此外，修整時(shí)單層釬焊金剛石套料鉆裝夾在HSKE32刀柄上并通過(guò)旋轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束垂直于單層釬焊金剛石套料鉆軸線并與其側(cè)邊磨粒相切，同時(shí)沿著套料鉆軸向做周期性往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，如圖4c所示。為避免修整過(guò)程中振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及修整精度造成影響，移動(dòng)平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)主軸安裝在光學(xué)平臺(tái)上，并保證平臺(tái)水平擺放（圖4a）。單層釬焊金剛石套料鉆的脈沖激光修整參數(shù)見(jiàn)表2。

1.3SiC/SiC復(fù)合材料制孔裝置

制孔試驗(yàn)在DMGUltrasonicLinear20五軸加工中心上開(kāi)展（圖5）。試驗(yàn)工件為 50mm×50mm×4mm SiCr/SiC復(fù)合材料板，試驗(yàn)材料通過(guò)夾具固定在加工中心工作臺(tái)上，如圖5a所示。單層釬焊金剛石套料鉆通過(guò)自研的HSKE32超聲刀柄與主軸連接，如圖5b所示。制孔試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速 n 為 12000r/min ，進(jìn)給速度 u_w 為30mm/min ，超聲頻率 f 為 23.5kHz ，振幅 A 為 5μm ，無(wú)冷卻液干式加工。

激光修整的單層釬焊金剛石套料鉆側(cè)面磨粒輪廓采用高精度復(fù)合式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（WerthVideoCheck-IP250/400）進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，采用三維視頻顯微鏡（HiroxKH7700）對(duì)脈沖激光修整后工具上的磨粒進(jìn)行觀測(cè)。利用孔徑測(cè)量?jī)x（DiatestT122）對(duì)所制得孔的內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量。

2脈沖激光修整過(guò)程

脈沖激光修整單層釬焊金剛石套料鉆的流程如圖6所示。采用脈沖激光修整套料鉆不僅能提高套料鉆側(cè)邊金剛石磨粒的等高性，同時(shí)也能將套料鉆尺寸修整到目標(biāo)尺寸范圍內(nèi)。因此，在脈沖激光修整套料鉆之前，需要根據(jù)套料鉆制孔的目標(biāo)尺寸確定激光束總切深 a₁ 。

確定激光束總切深的操作流程如圖7所示。首先修整標(biāo)準(zhǔn)棒至目標(biāo)孔徑尺寸（圖7a），修整參數(shù)與修整套料鉆的參數(shù)一致（表2），采用高精度外徑千分尺（Mahr，測(cè)量精度為 0.001mm ）測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)棒尺寸；然后在不改變激光束位置的前提下，將標(biāo)準(zhǔn)棒換為單層釬焊金剛石套料鉆進(jìn)行修整（圖7b）；最后利用修整后的單層釬焊金剛石套料鉆制孔以檢驗(yàn)孔徑尺寸（圖7c）。此時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為 8000r/min ，進(jìn)給速度為 15mm/min 為避免套料鉆磨損，工件選擇為 100mm×100mm× 4mm 的環(huán)氧樹脂板，并且鉆削過(guò)程中使用冷卻液。在此過(guò)程中，持續(xù)調(diào)整激光束切深，使獲得的孔徑尺寸在目標(biāo)尺寸精度范圍內(nèi)，最終確定激光束總切深 a₁ 。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于采用修整標(biāo)準(zhǔn)棒以確認(rèn)激光束位置的方法，確保其可靠性的關(guān)鍵因素在于標(biāo)準(zhǔn)棒的熱膨脹系數(shù)。如圖8所示，采用 0Crl8Ni9 不銹鋼與石墨2種材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行脈沖激光修整效果對(duì)比。可以發(fā)現(xiàn)，石墨棒修整后的尺寸與修整后的單層釬焊金剛石套料制孔的孔徑尺寸更接近，最大偏差為0.009mm ；采用 0Crl8Ni9 不銹鋼作為標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行修整后的套料鉆制孔的孔徑尺寸與標(biāo)準(zhǔn)棒的尺寸相差較大，并且每個(gè)孔徑之間的差別也較大，最大偏差為 0.108mm 因此，本研究中采用石墨棒作為確定激光束總切深 a₁ 的標(biāo)準(zhǔn)棒。

釬焊金剛石套料鉆激光修整過(guò)程及原理如圖9所示。脈沖激光修整時(shí)，將釬焊金剛石套料鉆裝夾在高精度刀柄后，安裝在主軸上并控制圓跳動(dòng) lt;0.005mm ○通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)調(diào)整單層釬焊金剛石套料鉆側(cè)面磨粒與激光束的相對(duì)距離，使人射激光束與工具側(cè)面磨粒相切。然后，通過(guò)調(diào)整激光振鏡高度，使激光束焦點(diǎn)與切點(diǎn)重合，若觀察到金剛石磨粒邊緣表面被光斑覆蓋，同時(shí)出現(xiàn)激光燒蝕磨粒的聲響，則判斷此位置激光光斑圓點(diǎn)與金剛石磨粒頂點(diǎn)接觸，完成脈沖激光修整前的脈沖激光束與釬焊金剛石套料鉆初始相對(duì)位置調(diào)整。此時(shí)的位置記為脈沖激光切入深度 a₀₁=0mm 根據(jù)對(duì)未修整釬焊金剛石套料鉆的側(cè)面磨粒輪廓線分析可知，脈沖激光切入深度應(yīng)大于套料鉆側(cè)邊磨粒尖峰高度的平均值，以保障套料鉆側(cè)面磨粒較好的等高性。此外，本文中以孔徑為 4mm 的目標(biāo)孔徑為例，要求孔徑精度達(dá)到H9級(jí)（公差為 0～0.03mm ），以此確定套料鉆最終修整尺寸為 4.00～4.03mm 。因此，通過(guò)修整石墨標(biāo)準(zhǔn)棒至目標(biāo)尺寸以確定脈沖激光束總深 a₁ 調(diào)整單次脈沖激光束進(jìn)給量為 0.01mm ，總修整次數(shù)N_t 為（ a₁-a₀₁） ）/0.01，如圖9c所示。在修整過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速為 120r/min ，脈沖激光束沿工具軸線往復(fù)掃描，掃描速度為 400mm/s ，如圖9c所示。在此過(guò)程中，脈沖激光持續(xù)將凸出的金剛石磨粒去除，以提高套料鉆的等高性。

脈沖激光光斑重疊率 U₁ 是激光修整中的一個(gè)重要參數(shù)，光斑重疊率 U₁ 越大，脈沖激光修整效果越好。光斑重疊率 U₁ 可表示為：

式中： d_f 是光斑直徑， L 是激光在工具軸線方向掃描距離， u_ss 是激光掃描速度， u_sx 是旋轉(zhuǎn)主軸的旋轉(zhuǎn)速度。由式（1）可知，降低激光掃描速度和提高旋轉(zhuǎn)主軸的旋轉(zhuǎn)速度可以提高光斑重疊率，高的光斑重疊率既能夠獲得較好的脈沖激光修整效果，同時(shí)也能提高修整效率。本文中采用的光斑重疊率 gt;90% ○

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1脈沖激光修整前后磨粒等高性分析

單層釬焊金剛石套料鉆在制孔過(guò)程中是沿著工具軸線旋轉(zhuǎn)并向工件進(jìn)給，因此，通過(guò)考察套料鉆側(cè)邊磨粒的回轉(zhuǎn)外輪廓線來(lái)分析套料鉆磨粒的等高性。圖10所示為脈沖激光修整前后單層釬焊金剛石套料鉆側(cè)邊磨粒的回轉(zhuǎn)外輪廓線，該曲線反映出側(cè)邊磨粒輪廓的變化。在輪廓線上，每一個(gè)峰值輪廓點(diǎn)實(shí)際高度 H 為套料鉆工作面上釬焊金剛石磨粒的出露高度。峰值輪廓點(diǎn)的最大高度 H_max 影響著制孔直徑。在套料鉆脈沖激光修整前，輪廓線上分布高低不等的高峰，其峰值輪廓點(diǎn)高度 H 分布較為分散，等高性較差，使用這種套料鉆制孔時(shí)，孔徑大小將難以控制。此外，在套料鉆鉆進(jìn)工件材料過(guò)程中，只有少數(shù)較為凸出的磨粒磨削孔壁材料，導(dǎo)致孔壁出現(xiàn)較大溝槽，增加了孔壁粗糙度。

經(jīng)過(guò)脈沖激光修整后，單層釬焊金剛石套料鉆側(cè)邊磨粒的輪廓線更加平整，具有更好的等高性（圖10）。為進(jìn)一步明確脈沖激光修整對(duì)套料鉆側(cè)邊磨粒等高性及修整后可加工孔徑大小的影響，采用離散度分析法對(duì)修整前后的磨粒高度進(jìn)行對(duì)比，判斷脈沖激光修整的可靠性。

針對(duì)套料鉆側(cè)邊磨粒的等高性，將修整前后單層釬焊金剛石套料鉆側(cè)邊磨粒的實(shí)際高度 H 進(jìn)行離散度分析。由于套料鉆基體直徑為 3.33mm ，可將圖10b轉(zhuǎn)換為套料鉆側(cè)邊磨粒實(shí)際高度分布圖，如圖11所示。

修整前后的2組磨粒高度 H_u 和 H_f 分別為 H_ul H_u2，…，H_ui， 和 H_fl，H_f2，…，H_fk， 則方差 S²， 標(biāo)準(zhǔn)差 s 及離散系數(shù) V_s 分別由式（3）、式（4）和式（5）計(jì)算得到。

脈沖激光修整單層釬焊金剛石套料鉆前后的平均磨粒出露高度、方差、標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)見(jiàn)表3。

由表3可知：無(wú)論是方差、標(biāo)準(zhǔn)差還是離散系數(shù)， 修整后都顯著降低。單層釬焊金剛石套料鉆經(jīng)過(guò)脈沖

激光修整后的磨粒高度離散程度更小，脈沖激光修整套料鉆能夠有效提高磨粒的等高性。

3.2脈沖激光修整后磨粒形貌

通過(guò)三維視頻顯微鏡對(duì)脈沖激光修整后釬焊金剛石套料鉆側(cè)邊磨粒表面形貌（圖12）進(jìn)行觀測(cè)?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)脈沖激光燒蝕的金剛石磨粒表面出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，并形成一層黑色的變質(zhì)層，如圖12a所示。這是因?yàn)槊}沖激光誘導(dǎo)金剛石磨粒發(fā)生石墨化反應(yīng)，石墨變質(zhì)層會(huì)覆蓋在金剛石磨粒表面。通過(guò)以往研究可知，石墨變質(zhì)層厚度較薄，不會(huì)對(duì)金剛石磨粒的磨削性能造成影響[15-16.9]。此外，通過(guò)觀察脈沖激光修整后單層釬焊金剛石套料鉆不同區(qū)域的磨粒燒蝕狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，套料鉆前端與后端的磨粒凸出高度較高，因此這2個(gè)區(qū)域的磨粒尖端容易被脈沖激光削平（圖12b和圖12d），并且燒蝕面較為平整。這是由于采用了較高光斑重疊率，激光對(duì)金剛石磨粒燒蝕更加充分，減少了磨粒表面燒蝕的紋理。圖12c所示的位置為套料鉆中間部位，金剛石磨粒凸出高度較低，因此脈沖激光燒蝕去除磨粒的體積比較少。通過(guò)激光對(duì)釬焊金剛石套料鉆每一排磨粒尖端的燒蝕去除，提高了套料鉆的磨粒高度一致性，從而提高了套料鉆的等高性。

3.3SiCr/SiC復(fù)合材料制孔精度分析

在修整單層釬焊金剛石套料鉆后，開(kāi)展超聲振動(dòng)輔助鉆削SiCr/SiC復(fù)合材料小孔試驗(yàn)，對(duì)比分析釬焊金剛石套料鉆脈沖激光修整前后孔徑精度隨制孔數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果如圖13所示。

未修整的單層釬焊金剛石套料鉆在鉆削前7個(gè)孔時(shí)，孔徑變化范圍為 4.01～4.06mm ，變化量為 0.05mm 且孔徑尺寸快速減小。對(duì)未修整的套料鉆輪廓線分析可知，在此制孔過(guò)程中，部分凸出高度較高的側(cè)邊磨粒去除孔壁材料體積更多，一方面導(dǎo)致該部分磨粒受到磨削載荷更大，相較凸出高度較低的磨粒的磨損速度更快；另一方面制孔的直徑不僅較大，而且孔徑尺寸減小速度也更快。因此，該階段為單層釬焊金剛石套料鉆的快速磨損階段，如圖13a紅色區(qū)域所示。隨著制孔數(shù)量的增多，孔徑尺寸逐漸趨于穩(wěn)定。在制孔數(shù)量為8～42個(gè)時(shí)，孔徑變化范圍為 3.98～4.01mm ，變化量為 0.03mm ，該階段的制孔過(guò)程中磨粒磨損較為穩(wěn)定，孔徑大小維持能力較強(qiáng)，為單層釬焊金剛石套料鉆的穩(wěn)定制孔階段，如圖13a綠色區(qū)域所示。而脈沖激光修整后的單層釬焊金剛石套料鉆具有更好的等高性，超聲振動(dòng)輔助制孔過(guò)程更穩(wěn)定，制孔過(guò)程中沒(méi)有快速磨損階段（圖13b），套料鉆上的磨粒在制孔過(guò)程中均為穩(wěn)定磨損。因此，在套料鉆壽命內(nèi)制得的SiC/SiC復(fù)合材料小孔具有更好的孔徑精度。在制孔數(shù)量為1＼～42個(gè)時(shí)，孔徑變化范圍為 4.00～4.02mm ，孔徑變化量為0.02mm ，如圖13b所示。脈沖激光修整后的單層釬焊金剛石套料鉆具有更好的制孔性能，制孔的直徑變化范圍更小，制孔精度更高。

3.4脈沖激光修整對(duì)套料鉆磨削能力影響分析

根據(jù)圖13中修整前后單層釬焊金剛石套料鉆制孔直徑隨制孔數(shù)量的變化趨勢(shì)可以看出，在制孔數(shù)量為42個(gè)時(shí)，對(duì)比未修整的套料鉆，修整后套料鉆仍能保持良好的制孔直徑精度，套料鉆的磨削能力未出現(xiàn)明顯的衰減現(xiàn)象。由此可知，脈沖激光修整單層釬焊金剛石套料鉆對(duì)套料鉆的使用壽命不會(huì)造成負(fù)面影響。

這主要是由套料鉆的結(jié)構(gòu)特征與鉆削特性決定的。在制孔過(guò)程中，套料鉆頂部磨粒起到主要去除材料的作用，而套料鉆側(cè)邊磨粒起到形成并維持最終孔徑尺寸的作用。

制孔過(guò)程可分為套料鉆入鉆、鉆進(jìn)和過(guò)孔3個(gè)階段，如圖14所示。當(dāng)套料鉆頂部磨粒剛接觸工件材料時(shí)，少量材料被頂部磨粒去除并開(kāi)始進(jìn)行制孔（圖14a）；隨著套料鉆頂部磨粒切入工件材料，制孔進(jìn)入較為穩(wěn)定的鉆進(jìn)階段（圖14b），在此階段中，大量工件材料是由頂部磨粒去除，側(cè)邊磨粒則由于孔壁的約束作用，套料鉆的軸線在鉆進(jìn)過(guò)程中能夠與進(jìn)給方向保持一致，進(jìn)而維持套料鉆垂直向下制孔；當(dāng)套料鉆頂部磨粒鉆出工件底部時(shí)，為保證制孔直徑精度，套料鉆需繼續(xù)向下進(jìn)給，側(cè)邊磨粒整體穿過(guò)底孔并去除少量孔壁材料，最終將孔徑加工至目標(biāo)尺寸（圖14c）。在整個(gè)制孔過(guò)程中，套料鉆側(cè)邊磨粒的出露高度是決定制孔直徑精度關(guān)鍵因素，頂部磨粒的鋒利狀態(tài)決定

套料鉆的磨削能力。

圖15顯示了脈沖激光修整單層釬焊金剛石套料鉆前后的鉆削力信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波處理，頻率為 10Hz ，取較為穩(wěn)定的鉆進(jìn)階段計(jì)算平均鉆削力。通過(guò)對(duì)比2種套料鉆鉆削過(guò)程的鉆削力信號(hào)可知，套料鉆入鉆瞬間產(chǎn)生短暫的沖擊力，兩者大小不一是因?yàn)槲词褂玫奶琢香@頂部磨粒包裹有一層釬料層，降低了磨粒的磨削能力，入鉆時(shí)的鉆削力較大，經(jīng)過(guò)鉆削后，頂部磨粒表面的釬料層被去除，磨削能力提升，鉆削力下降。在鉆進(jìn)過(guò)程中，修整前套料鉆的平均鉆削力為13.72N ，修整后為 12.43N ，兩者相差 1.29N ，這與入鉆時(shí)的鉆削力變化趨勢(shì)一致。當(dāng)套料鉆進(jìn)入過(guò)孔階段時(shí)，鉆削力突然下降，極低的鉆削力表明此階段的材料去除量非常小，并直至整個(gè)鉆削過(guò)程結(jié)束。通過(guò)對(duì)比修整前后套料鉆的鉆削力可知，脈沖激光修整對(duì)套料鉆的鉆削能力不會(huì)造成很大的影響。

綜上所述，脈沖激光主要對(duì)套料鉆的側(cè)邊磨粒進(jìn)行修整，起到主要去除材料的頂部磨粒并未受到修整的影響。因此，激光修整不會(huì)降低套料鉆的磨削能力。

4結(jié)論

單層釬焊金剛石套料鉆在SiC/SiC復(fù)合材料超聲振動(dòng)輔助制孔中具有工具使用壽命長(zhǎng)、制孔損傷小的優(yōu)勢(shì)。然而目前單層釬焊金剛石套料鉆工作面磨粒的等高性差異大且難控制，導(dǎo)致制孔直徑偏差大，制孔精度難保證。為了進(jìn)一步改善單層釬焊金剛石套料鉆加工SiCr/SiC復(fù)合材料小孔的精度，提出通過(guò)脈沖激光修整方法提高單層釬焊金剛石套料鉆工作面磨粒的等高性的方法，揭示了激光修整對(duì)套料鉆磨粒等高性和磨粒形貌的影響規(guī)律，對(duì)比了激光修整前后單層釬焊金剛石套料鉆超聲振動(dòng)輔助鉆削SiC/SiC復(fù)合材料小孔的直徑變化規(guī)律，驗(yàn)證了激光修整套料鉆在提高制孔精度上的優(yōu)勢(shì)。主要內(nèi)容和結(jié)論總結(jié)如下：

采用脈沖激光修整能夠有效提高單層有序排布釬焊金剛石套料鉆的側(cè)邊磨粒等高性，修整后的側(cè)邊磨粒高度的離散程度明顯降低。修整后套料鉆磨粒出露高度離散系數(shù)由修整前的0.11降低至0.04，降幅達(dá) 64% 。經(jīng)過(guò)脈沖激光燒蝕的金剛石磨粒表面有一層石墨化變質(zhì)層，且由于采用了較高光斑重疊率，金剛石磨粒燒蝕面較為平整，減少了磨粒表面燒蝕的紋理。最終通過(guò)對(duì)比修整前后套料鉆加工孔的直徑尺寸發(fā)現(xiàn)，修整前單層釬焊金剛石套料鉆制孔過(guò)程經(jīng)歷了快速磨損和穩(wěn)定制孔階段，孔徑變化范圍為 3.98～4.06mm ，變化量為0.08mm 。然而，修整后的套料鉆在失效前全程處于穩(wěn)定鉆制孔階段，并且孔徑偏差僅為 0.02mm ，相較于修整前，孔徑變化量減少了 75% ，且滿足了制孔精度要求。此外，脈沖激光修整對(duì)套料鉆的磨削制孔能力不會(huì)造成負(fù)面影響，套料鉆在修整后仍具有良好的使用壽命。

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作者簡(jiǎn)介

通信作者：錢寧，男，1993年生，工學(xué)博士，特聘副研究員。主要研究方向：難加工材料高效精密加工技術(shù)。E-mail： n.qian@nuaa.edu.cn

（編輯：趙興昊）

Precision hole-machining of SiCr/SiC composite using single-layer brazed diamond core drill dressed by pulsed laser

QIAN Ning1， HE Jingyuan12， SU Honghua’， SUN Yuting2， ANGGEl Lama3， DING Wenfeng1， XU Jiuhua1 （1. Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-Manufacturing Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing21oo16， China） （2. Henan Academy of Sciences， Zhengzhou 450046， China） （3.ShenyangLiming Aero-Engine Co.，Ltd.，Aero-EngineCorporationofChina，Shenyang 110043，China）

AbstractObjectives： The single-layer brazed diamond core drillgenerally exhibits poor protrusion height uniformity of grains，making it diffcult to control the hole diameter and the accuracy when machining SiC/SiCcomposites. Pulsed laser is used to dress thecoredrillto improve grain height uniformity，therebyenhancing holeaccuracyon SiCf/SiCcomposite.Methods： Firstly，a pulsed laser dressing platform forthe single-layerbrazed diamondcore drill is developed，and the influence of laser dressng parameters on grain height uniformityand morphology is revealed.Then， the aperture accuracy of the core drillbefore and after dressing is compared and analyzed to verifythe benefits of laser dresing in improving hole accuracy.Finally，high-quality processing of SiC/SiC composite holes is achieved using the dressed drill.During the process，the total cutting depthofthe pulsed laser is determined bydresing a standard rod to the target aperture sizeandthenreplacing it with thecoredrillforfurther dressing.Therelative distance between the abrasive grainsandthe laser beam is adjusted，andthe laserbeam focus is aligned withthecuting point.Thelaserbeam is reciprocally scanned along the tool axis to remove the protruding diamond grains and improve core drillheight uniformity.Results： The experiments show that pulsed laser dressing can effectively enhance theheight uniformityof the side grains onthe single-layerbrazed diamondcore dril.The discrete coeficientof gain height after dressng is reduced by 64% ，from 0.11 to O.04.Following pulsed laser dressing，thecontour lines of side grains on the core drill become smoother，indicating improved height uniformity.The surface of diamond grains after pulsed laser ablation appears black due to a graphitization reaction，forming a thin black metamorphic layer that does not affect diamond grain performance.The laser-dressd single-layer brazed diamond core drillexhibits improved hole-making performance with a smaller variation range in hole diameter（ （4.00-4.02mm ）and higher hole-making accuracy.In contrast， the untrimmed core drill shows a larger variation range in hole diameter （ 4.06-3.98mm ） during the hole-making process.Furthermore， pulsed laser dressing has no negative impact on the grinding ability of the core drill.The average drillng force is 13.72N （204 before dressing and 12.43N after dressing， with a difference of 1.29N consistent with the change trend of the drilling force during the entry stage.The laser-dressed core drillmaintains aperture accuracy bettr throughout its lifespan， with aperture deviation being only 0.02mm ，meeting the requirements on hole accuracy and showing a 75% reduction compared to the undressed condition. Conclusions： The study applies pulsed laser dressing to enhance the protrusion height uniformity of grainsonsingle-layer brazed diamondcore drils.Alaser dressing deviceisconstructed，anda method is proposed. Using a graphite rod as the standard rod for determining the laser dressing depth reduces the diameter deviation.Pulsed laser dressing efectively improves grain height uniformity， with the discrete coefficient reduced by 64% ， The dressed core drill demonstrates smaller aperture deviation （ 0.02mm ）， meeting accuracy requirements without adversely affecting grinding ability orservice life.This verifies the advantage of laser-dressd core drils in improving hole-making accuracy.

Keywordssingle-layer brazed diamond core drill;SiC/SiCcomposite; pulsed laser dressing;holeaccuracy;ultrason ic vibration assisted machining