C/SiC復(fù)合材料微孔的電鍍金剛石鉆頭鉆削加工

龐繼偉　李升　郭明波　王兆輝　襲建人　楊曉濤

關(guān)鍵詞 C/SiC 復(fù)合材料；微孔加工；電鍍金剛石鉆頭；鉆削加工

中圖分類號 TG58; TQ164; TH162; TB332 文獻標(biāo)志碼 A

文章編號 1006-852X（2023）01-0090-06

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0026

收稿日期 2022-03-22 修回日期 2022-07-18

C/SiC 復(fù)合材料以其耐高溫、高比強度、高比模量、輕質(zhì)、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在航空、航天等領(lǐng)域。由于其硬度高、難加工，某些特殊結(jié)構(gòu)上要求的直徑為1.000 mm 及以下的微孔，加工難度更大，急需針對這一方向進行研究[1-4]。

三維針刺氈基C/SiC 復(fù)合材料由碳纖維預(yù)制體經(jīng)熱解沉積陶瓷化技術(shù)制備而成，其零件的加工工藝一般分為碳纖維預(yù)制體粗加工和陶瓷化后復(fù)合材料精加工2 個階段。由于碳纖維預(yù)制體易于切削加工，多數(shù)加工工序都安排在此階段進行。但材料需要加工的微孔因孔徑小，在熱解沉積陶瓷化階段會因晶粒生長而使微孔尺寸縮小或被填實，在精加工階段重復(fù)加工也無法保證其位置精度。因此，對復(fù)合材料陶瓷化后的微孔加工一般都安排在精加工階段。

鮑永杰等[5] 使用直徑為6.000 mm 的電鍍金剛石環(huán)形鉆頭鉆削碳纖維復(fù)合材料孔，對比硬質(zhì)合金麻花鉆，電鍍金剛石鉆頭鉆削后的工件質(zhì)量較好，更適合于碳纖維復(fù)合材料孔的加工。但考慮到環(huán)形鉆頭制作時的尺寸限制，其在極微小孔加工中的加工質(zhì)量不佳或根本無法使用[6]。張國棟等[7] 使用直徑為6.000 mm 的釬焊金剛石鉆頭鉆削C/C-SiC 復(fù)合材料，研究了鉆削參數(shù)對鉆削力及孔出入口質(zhì)量的影響規(guī)律。趙鵬等[8] 使用直徑為4.600 mm 的電鍍金剛石鉆頭對SiCp/Al 復(fù)合材料進行鉆削試驗，分析了鉆削速度對鉆孔入口棱邊缺陷的影響。邵國棟等[9] 使用外徑為6.000 mm 的中空釬焊金剛石磨粒鉆頭鉆削C/SiC 復(fù)合材料，證明切屑對深孔鉆削影響顯著。

以上研究為復(fù)合材料孔鉆削提供了經(jīng)驗借鑒，但都不是針對直徑為1.000 mm 及以下微孔加工的。且微孔加工相關(guān)研究主要針對金屬材料方面，硬脆復(fù)合材料微孔加工可借鑒的相關(guān)研究數(shù)據(jù)不足。因此，以三維針刺氈基C/SiC 復(fù)合材料為試件，使用直徑為0.280～0.440 mm 的電鍍金剛石鉆頭進行鉆削試驗，分析工藝參數(shù)、電鍍金剛石鉆頭基體、鉆頭磨粒基本顆粒尺寸等對微孔加工表面形貌、表面質(zhì)量和加工效率的影響，探索微孔加工的最佳工藝參數(shù)，以期鉆出質(zhì)量合格的C/SiC 復(fù)合材料微孔，滿足工件功能需求。

1 加工試驗

1.1 試驗試件及工具

試驗采用的試件材料為三維針刺氈基C/SiC 復(fù)合材料，其力學(xué)性能（常溫下的均值數(shù)據(jù)）為：拉伸強度，117.5 MPa；彎曲強度，209.0 MPa；壓縮強度，207.5 MPa；斷裂韌性，7.1 MPa/m。試件的尺寸規(guī)格為70 mm × 16 mm ×10 mm，表面要鉆削的微孔深度為3 mm，且要求微孔的入口輪廓完整、無大面積邊緣崩裂等。

根據(jù)試件微孔尺寸要求，定制直徑在0.280～0.440mm 的6 種不同規(guī)格的鉆頭鉆削相應(yīng)尺寸的微孔。電鍍金剛石鉆頭基體為YG8 硬質(zhì)合金且已加工出螺旋槽，其表面有金屬鎳鍍層。鉆頭的尺寸規(guī)格及表面金剛石濃度見表1，表1 中的金剛石濃度用每毫米長度上的金剛石顆粒數(shù)表示，且6#鉆頭的外觀如圖1 所示。

為控制鉆頭的鍍鎳層厚度，要求電鍍后金剛石鉆頭的出刃高度為金剛石磨?；绢w粒尺寸的1/2。其目的是：一方面，保證有足夠的鎳層包裹金剛石，使金剛石包裹牢固，不至于過早脫落；另一方面，保證金剛石有足夠的出刃高度，以保證鉆頭鉆削時的鋒利度。

1.2 加工設(shè)備及鉆削加工參數(shù)

使用的加工設(shè)備為DMU65 mono BLOCK 五軸加工中心，其主軸最高轉(zhuǎn)速為18 000 r/min，X，Y，Z 軸的最大進給速度為40 000 mm/min， 定位精度為0.008 mm，重復(fù)定位精度為0.005 mm。

在鉆削試驗中，由于鉆孔深度均遠(yuǎn)大于5 倍孔徑，且屬于深孔加工，不利于排屑，故采用間斷進給，每次的進給量記作單步切削深度。每一步鉆孔時，鉆頭首先定位至孔口中心正上方0.5 mm 處，后快速進給至距離上次加工面0.1 mm 處，以相同進給速度鉆削至上次加工面往下一個單步切削深度，然后提刀至孔口上方0.5 mm 處；而后再執(zhí)行下一次循環(huán)，如此往復(fù)，直至鉆到孔要求的深度。根據(jù)前期的初步試驗結(jié)果確定：鉆削速度由大到小取值為16.0，11.0，8.0，5.5 和4.0 m/min；進給速度由小到大取值為2.0，3.0，5.0 mm/min；固定單步切削深度為0.05 mm。鉆削試驗方案如表2 所示。選取最優(yōu)的鉆削速度與進給速度，逐步改變單步切削深度進行鉆削試驗，以獲取穩(wěn)定鉆削時的最大單步切深；選取最優(yōu)的鉆削速度，測試出其他5 種規(guī)格鉆頭在穩(wěn)定鉆削時的單步切深與進給速度數(shù)值，并得到基體和磨粒的最佳組合。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對微孔加工質(zhì)量的影響

圖2 為鉆頭鉆削的微孔外觀圖。圖2 中共計鉆削15 個微孔：選用尺寸最大的6#鉆頭，固定單步切削深度為0.05 mm，設(shè)定5 組不同的鉆削速度參數(shù)，在表2的1～5 條件下，沿直線排布依次鉆削圖2 中的1～5 微孔； 后在表2 的6～ 10 條件下， 依次鉆削圖2 中的6～10 微孔；再在表2 的11～15 條件下，鉆削圖2 中的11～15 微孔。15 個微孔在圖2 中沿直線排列，且間距相同。圖3 為6#鉆頭加工的15 個微孔放大圖。

如圖2、圖3 所示： 1～10 微孔的入口輪廓質(zhì)量都較好，未出現(xiàn)明細(xì)缺陷或僅有很少的邊緣崩裂，符合試件微孔加工要求，且彼此間差別不明顯。但第6 個微孔質(zhì)量略優(yōu)于第5 個微孔的，原因是第5 個微孔和第6個微孔的鉆削速度差異較大，第5 個微孔采用了試驗中最低的鉆削速度，而第6 個微孔則采用了試驗中最高的鉆削速度。

由圖2、圖3 還可知：11～15 微孔處開始出現(xiàn)錯位，其微孔不在一條直線上，個別微孔明顯偏離直線位置?？紤]是進給速度過高，鉆頭在接觸材料時未有效鉆削材料而打滑，這樣微孔的切入位置會產(chǎn)生較大偏離，導(dǎo)致微孔的位置精度產(chǎn)生偏差。

同時，14～15 微孔輪廓質(zhì)量明顯變差（孔邊緣有較多毛刺等）?？紤]是鉆削速度過低，進給速度過高，加速了鉆頭的磨損，導(dǎo)致其基體表面的磨粒加速脫落，使其鉆削能力下降，鉆削阻力增大所致。當(dāng)鉆頭完全失去鉆削能力時，在鉆削阻力大于鉆頭基體扭曲強度時，還會出現(xiàn)如圖4 所示的鉆頭直接斷裂。因此，在現(xiàn)有加工條件下，最大鉆削速度為16.0 m/min，其優(yōu)于其他較低的鉆削速度，為最佳鉆削速度。同時進給速度越低，微孔加工質(zhì)量越好。但進給速度過低，會嚴(yán)重影響鉆削效率，故一般選進給速度的中間值。

固定鉆削速度為16.0 m/min，進給速度為3.0 mm/min，使用6#同規(guī)格多個鉆頭進行鉆削試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：單步切削深度第1 次取0.05 mm 值時，可以穩(wěn)定鉆削36個微孔，之后鉆頭快速磨損磨粒脫落較多而報廢；單步切削深度第2 次取值為0.07 mm 時，可以穩(wěn)定鉆削7 個微孔；單步切削深度第3 次取值為0.10 mm 時，可以鉆削1 個微孔；單步切削深度第4 次取值為0.10 mm 時，鉆頭直接斷裂并殘留在試件中，如圖4、圖5 所示。所以，單步切削深度過大，會影響切屑等的排出，而加速鉆頭磨損，鉆頭瞬間受力超過其承受極限時會直接斷裂。圖5 為微孔中殘存的斷裂的6#鉆頭。

同時還發(fā)現(xiàn)：使用6#鉆頭鉆削時，超出其穩(wěn)定鉆削范圍后，鉆頭的頂端外輪廓位置最先磨損，磨粒從頂端向底端逐漸脫落，最終只剩下基體材料而失去切削能力，如圖6 所示。

所以，6#鉆頭的最佳鉆削速度為16.0 m/min，進給速度為3.0 mm/min，單步切削深度為0.05 mm。此時，其鉆削的微孔最多，質(zhì)量最好。

依次選用其他1#～5#鉆頭在表2 條件下進行鉆削試驗，試驗發(fā)現(xiàn)：在現(xiàn)有加工條件下，其他5 種鉆頭的最佳鉆削速度都為16.0 m/min，但進給速度與表2 中的值不匹配，也就是說使用表2 中的進給速度時不能穩(wěn)定鉆削，達不到最佳鉆削效果，特別是1#、4#鉆頭的情況更甚。為此，擴大進給速度范圍，使其取0.5～5.0 mm/min，使每種鉆頭都能達到最佳鉆削效果。得到的6 種鉆頭最佳工藝參數(shù)如表3 所示。

2.2 金剛石磨?；绢w粒尺寸對微孔加工效果的影響

圖7 和圖8 分別是鉆削速度為16.0 m/min 下，金剛石磨?；绢w粒尺寸對單步切深和進給速度的影響。其中，圖7 和圖8 的參數(shù)是在鉆削速度固定時，以不同進給速度和單步切深鉆削復(fù)合材料，6 種鉆頭能夠穩(wěn)定鉆削20 個微孔及以上，且鉆削的微孔質(zhì)量好并滿足質(zhì)量要求。

如圖7、圖8 所示：1#～3#鉆頭隨著磨粒尺寸的增大，穩(wěn)定鉆削單步切深從0.01 mm 增加至0.04 mm，進給速度從1.0 mm/min 增加至3.0 mm/min；4#～6#鉆頭穩(wěn)定鉆削的單步切深值從0.02 mm 增加至0.05 mm，進給速度從2.0 mm/min 增加至5.0 mm/min。且4#鉆頭相較于3#鉆頭，其單步切深和進給速度都大幅度降低。

因此，磨粒基本顆粒尺寸越大，基本上允許的進給速度越大，同時斷續(xù)鉆削所允許的單步切深也越大。

2.3 基體直徑對鉆頭加工效果的影響

電鍍金剛石磨?；绢w粒尺寸（即粒徑）越大，磨粒切削能力越強，允許的切削力也越大。當(dāng)切削力超過基體的扭曲強度時，會導(dǎo)致鉆頭基體斷裂（圖5）。相反，金剛石磨?；绢w粒尺寸越小，磨粒切削能力越弱，允許的切削力也越小。另外，基體外徑越大，鉆頭的強度也越高。因此，在電鍍鉆頭外徑相同情況下，需合理搭配基體直徑與電鍍磨粒的粒徑，以獲得最佳切削效果。

圖9 是在表3 的工藝參數(shù)下鉆削復(fù)合材料時，試驗中的6 種鉆頭能夠穩(wěn)定鉆削的微孔個數(shù)。如圖9 所示：1#、2#、3#鉆頭相比，2#鉆頭最優(yōu)，3#鉆頭次之，1#鉆頭最差；4#、5#、6#鉆頭相比，6#鉆頭優(yōu)于4#、5#鉆頭。

綜合分析圖7、圖8、圖9 及表3，結(jié)果表明：在同等加工條件下，2#和6#鉆頭具有更高的加工效率和更長的使用壽命，3#和5#鉆頭次之，1#和4#鉆頭最差。因此，三維針刺氈基C/SiC 復(fù)合材料鉆孔時，在鉆頭直徑為0.280～0.440 mm 時進行鉆頭基體選擇時，宜在直徑為0.300 mm 的基體上電鍍63～75 μm的金剛石，直徑為0.200 mm 的基體上電鍍36～54 μm 的金剛石，制作的鉆頭能獲得更優(yōu)的鉆孔性能。

3 結(jié)論

用金剛石基本顆粒尺寸分別為20～30， 36～54 和63～75 μm，鉆頭直徑在0.280～0.440 mm 范圍的6 種電鍍金剛石鉆頭，鉆削三維針刺氈基C/SiC 復(fù)合材料微孔，研究了鉆削速度、進給速度及單步切深等工藝參數(shù)及金剛石基本顆粒尺寸、鉆頭基體直徑等對微孔加工效率、加工質(zhì)量的影響，得出如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)有加工條件下，在相同鉆削速度條件時，進給速度越低，加工的微孔質(zhì)量越好；進給速度過高時，會導(dǎo)致微孔的位置精度偏差，同時還會加速鉆頭的磨損。

（2）鉆頭磨粒粒徑越大，允許的進給速度越大，斷續(xù)鉆削所允許的單步切深也越大，即磨粒越大鉆削效率越高。

（3）在指定尺寸微孔加工的情況下，需合理搭配鉆頭基體與電鍍用磨粒粒徑以獲得最佳切削效果。在6 種鉆頭的試驗中， 直徑為0.300 mm 的基體上電鍍63～75 μm 的金剛石磨粒，直徑為0.200 mm 的基體上電鍍36～54 μm 的金剛石磨粒，制作的鉆頭能夠獲得更優(yōu)的鉆孔性能。