劉小涵 ，姜明珠 ，曹宏 ，董旭 ，高海俠

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033；2.長(zhǎng)春市奧普光電技術(shù)股份有限公司，長(zhǎng)春 100031)

新型材料碳化硅(silicon carbide(SiC))比剛度高、熱穩(wěn)定好、質(zhì)量輕等一系列優(yōu)良的物理化學(xué)性能，世界各國(guó)的研究者均將其列為空間光學(xué)遙感器優(yōu)選的反射鏡材料[1-2]，隨著科技的飛速發(fā)展，碳化硅材料是材料發(fā)展中最為迅速的一支新軍，已開始應(yīng)用于汽車、機(jī)械、宇航、化工、石油等許多工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒部件、火箭噴嘴、燃汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、澆注金屬的澆口、熱電偶套管高溫下的熱交換材料、核燃料的包封材料等方面[3-4]。

美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家從20世紀(jì)80年代初開始研究SiC材料，90年代用SiC制作反射鏡，應(yīng)用在溫度變化大的光學(xué)系統(tǒng)中[5-7]，我國(guó)在SiC材料的研究方面基本上與國(guó)際同步，光學(xué)加工技術(shù)比較成熟，而機(jī)械加工方面的報(bào)道還比較少。由于碳化硅材質(zhì)越來(lái)越多地應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，如果只靠燒結(jié)鑄造來(lái)保障尺寸精度和形位公差，這不僅增加鑄造的難度，也降低了公差配合的精度。針對(duì)碳化硅的硬度大、普通機(jī)械加工難的特點(diǎn)，本文進(jìn)行了碳化硅機(jī)械加工工藝方法研究，并取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 碳化硅材料性能

由于碳化硅反應(yīng)燒結(jié)的原理使SiC具有許多其它材質(zhì)所沒(méi)有的優(yōu)良特性[8-10]：(1)比剛度大，單位載荷引起結(jié)構(gòu)的變形小，尺寸穩(wěn)定性好，可以降低反射鏡的厚度，做成蜂窩狀結(jié)構(gòu)起到減重的目的，反射鏡與框一體化，減少裝調(diào)誤差。(2)熱變形系數(shù)小，抗熱震性性能優(yōu)越，可使鏡體在較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性，降低對(duì)熱控系統(tǒng)的要求，減少熱控系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗；(3)良好的熱傳導(dǎo)性能，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，材料內(nèi)部很容易達(dá)到溫度平衡，不會(huì)引起很大的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，服役壽命長(zhǎng)。

2 碳化硅機(jī)械件的加工工藝

相同結(jié)構(gòu)的零件用普通車工、銑工能加工的，SiC機(jī)械件卻無(wú)法進(jìn)行，需要特殊的加工方法如磨削加工、數(shù)控加工、電火花及超聲波等機(jī)械加工工藝。由于材質(zhì)硬度大普通刀具難于切削，因此要用專用刀具。

2.1 磨削加工工藝

2.1.1 精密磨削加工

以圖1所示碳化硅零件為例，分析磨削加工工藝方法。要加工部位為上、下表面，上表面平面度為0.008mm，上下面平行0.01mm。如是鋁件或鋼件，工藝設(shè)計(jì)時(shí)一般采用銑或刨的加工方法，公差容易達(dá)到；對(duì)于圖 1中三處孔(具體尺寸圖 3所示)的加工，通常用車工或鏜工很方便加工，但是對(duì)于碳化硅零件，上述幾種工藝方法都很難實(shí)現(xiàn)，只能采用非常規(guī)的磨削加工。

圖1 碳化硅反射鏡照片F(xiàn)ig.1 Photo of the Sic mirror

由于材質(zhì)硬度大，難加工等特點(diǎn)，選擇剛度高、系統(tǒng)進(jìn)給良好的精密磨床(MG7132)開展工藝試驗(yàn)，進(jìn)給精度可達(dá)5m以內(nèi)。首先設(shè)計(jì)了 250*32鋁基樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪粒度60#～120#，濃度為 100%～ 150%的性能優(yōu)良的磨削刀具，又購(gòu)置了優(yōu)良的磨削冷卻液。由于零件有足夠的加工余量，為磨削試驗(yàn)提供了必要條件。首先開展了進(jìn)給量與表面粗糙度的試驗(yàn)，結(jié)果如圖(2)所示。

圖2 進(jìn)給量與表面粗糙度的關(guān)系曲線Fig.2 The relationship curve of feeding and surface roughness

從圖2可以得出：機(jī)床的進(jìn)給量越小，表面粗糙度越好，面形精度越高，在加工過(guò)程中，可以根據(jù)要達(dá)到的表面粗糙度，選擇合適的進(jìn)給量。

圖3 碳化硅反射鏡孔的尺寸公差及形位公差Fig.3 Dimensional tolerance and geometrical tolerance of holes of Sic mirror

在磨削過(guò)程中，即使表面粗糙度較低，但每次切削量也不能太大，要有個(gè)限度。

最大切削厚度[11]：

式中：vc—砂輪的速度(m/s)；vw—工件的速度(m/s)；fr—徑向進(jìn)給量(mm)；do—砂輪直徑(mm)；e—砂輪的粒度號(hào)。

根據(jù)公式可以看出，切削量與砂輪速度、直徑及粒度、工件轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量有關(guān)。當(dāng)h太大時(shí)，砂輪會(huì)突然停止磨削，導(dǎo)致工件局部去除量太大，表面出現(xiàn)凹陷，導(dǎo)致工件報(bào)廢，因此必須嚴(yán)格控制最大切削量。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，磨削碳化硅材料的零件時(shí)，采用磨削速度一般為 20m/s，進(jìn)給量為 2mm/min，最大磨削厚度為0.1mm的工藝參數(shù)，可以得到表面比較平整，光滑并且有光澤。用三坐標(biāo)檢測(cè)實(shí)際加工后的尺寸及形位公差如下表1、2所示，均達(dá)到了工程要求。

表1 表面尺寸的理論值與檢測(cè)值Tab.1 The theoretical and measured value of the surface

表2 孔尺寸理論值與檢測(cè)值Tab.2 The theoretical and measured value of the hole

實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的難題：當(dāng)加工余量少于 0.5mm時(shí)，磨削加工過(guò)程中邊緣處出現(xiàn)許多細(xì)微的崩邊，此時(shí)砂輪切削力顯著下降。經(jīng)過(guò)分析，采取的工藝措施為：余量為0.5mm時(shí)，先倒成鈍角；另外用碳化硅粗砂輪修整金剛石精磨砂輪，并用冷卻水刷凈，可以有效地防止崩邊。

2.1.2 數(shù)控磨削加工

數(shù)控加工集機(jī)械加工與數(shù)字控制于一體，主要靠編程控制車刀或銑刀加工出一些曲線或不規(guī)則曲線。目前對(duì)于磨床來(lái)說(shuō)，數(shù)控磨床加工不了如圖4所示的外形尺寸，靠計(jì)算機(jī)程序控制進(jìn)給精度、機(jī)床速度等。目前還沒(méi)有像數(shù)控銑一樣磨削加工零件外形尺寸。在項(xiàng)目急需加工的條件下，進(jìn)行數(shù)控銑床改造。在不改變數(shù)控編程的條件下把銑刀架改造成能夠裝上砂輪的裝置，就可以編程加工一些碳化硅零件的復(fù)雜外形尺寸。根據(jù)數(shù)控加工特點(diǎn)分別設(shè)計(jì)砂輪： 60*8、 60*16鋁基樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，粒度60#～80#，濃度120%。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)采用磨削線速度20m/s，磨削進(jìn)刀量0.01mm，進(jìn)給量4mm，走刀量2m/min的加工工藝參數(shù)，可以滿足工程要求。

圖4 碳化硅零件照片F(xiàn)ig.4 Photo of the silicon carbide part

實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的難題：由于碳化硅硬度非常高，砂輪磨損很嚴(yán)重，同時(shí)碳化硅磨削顆粒與機(jī)床導(dǎo)軌互研，對(duì)機(jī)床精度破壞性極大，采用機(jī)床導(dǎo)軌保護(hù)裝置也不能有效的進(jìn)行防護(hù)，由于冷卻液的噴射，對(duì)環(huán)境污染較大，目前還沒(méi)有很好的解決方法，有待于進(jìn)一步研究。

2.2 線切割(Wire Cut EDM)加工

電火花線切割加工是通過(guò)工具電極與工件電極的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行脈沖放電加工，電極絲在其軸向以一定速度相對(duì)工件移動(dòng)并在電極絲與工件切縫之間噴射工作液，結(jié)合碳化硅燒結(jié)方式不同，高純SiC具有高電阻率(絕緣體)不能用線切割加工。只有鐵離子等雜質(zhì)存在時(shí)，電阻率減少到1歐姆左右，特別是游離態(tài)硅(部分材料存在8%～10%的游離金屬Si)的存在，提高了碳化硅的導(dǎo)電率，為電火花加工提供必要條件，選用慢走絲(走絲平穩(wěn)無(wú)振動(dòng)、損耗小、加工精度高、表面粗糙度低等優(yōu)點(diǎn))線切割進(jìn)行機(jī)械加工試驗(yàn)。

采取的工藝措施：加大電流量、碳化硅與工作臺(tái)接觸面及壓板底面放置銀箔，加強(qiáng)導(dǎo)電并且在冷卻液里放一些銀粉，強(qiáng)制導(dǎo)電。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，圖4工件的外形尺寸采用線切割加工，也可以滿足工程要求(前提材料微導(dǎo)電)。

2.3 超聲波加工(Ultrasonic CNC Machining)

超聲加工可以加工各種導(dǎo)體、半導(dǎo)體、非導(dǎo)體材料，金屬材料和非金屬材料等，對(duì)于一些絕緣體碳化硅材料，不能用線切割加工，除了采用數(shù)控機(jī)床改造磨削加工外，可以采用超聲波加工。

圖5 超聲波加工基本原理Fig.5 Basic principle of ultrasonic machining

超聲波加工基本原理[12]如圖 5所示，利用工具面8作超聲波振動(dòng)，工具與工件之間的磨料懸浮液9的作用而進(jìn)行的機(jī)械加工。裝卡時(shí)，工具輕壓在工件上，在工件和工具之間加入磨料和水或煤油等液態(tài)的懸浮液，當(dāng)超聲換能器產(chǎn)生頻率為16000Hz以上的超聲頻軸向振動(dòng)時(shí)，通過(guò)變幅桿將振幅放大到0.05~0.0mm，驅(qū)動(dòng)工具端面作軸向超聲振動(dòng)，將撞擊工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊、拋磨被加工表面，使其材料產(chǎn)生裂紋、破碎，被粉碎成很細(xì)的微粒分離出來(lái)，同時(shí)工作液受工具端面超聲振動(dòng)，產(chǎn)生高頻、交變的液壓正負(fù)沖擊波，促使工作液滲入被加工材料的微細(xì)裂紋中，加劇了破壞作用。

影響超聲加工精度的主要因素有加工尺寸及零件形狀、加工深度、被加工材料、工具精度及振動(dòng)大小、磨料粒度以及機(jī)床、夾具的精度等，精度一般為±0.02～±0.05mm，加工精度與磨料粒度的關(guān)系最大，磨料顆粒越小，加工精度越高。

碳化硅材料超聲加工工藝參數(shù)為：采用碳化硅磨料，用煤油與磨料混合，加工孔時(shí)采用超聲旋轉(zhuǎn)加工方式，表面粗糙度為Ra 0.8～1.6m，滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，但是加工成本昂貴，加工時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)刀困難，局部崩邊，有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)SiC材料的性能分析及零件的機(jī)械加工工藝的研究，摸索出適合碳化硅材料的機(jī)械加工工藝方法和工藝參數(shù)。本文主要介紹了數(shù)控機(jī)床改造成適合碳化硅磨削的自主研發(fā)機(jī)床及專用砂輪設(shè)計(jì)成果。針對(duì)碳化硅材料特點(diǎn)，開展了線切割加工和超聲波加工技術(shù)的研究?？傊?，通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出一套科學(xué)、規(guī)范、高效的碳化硅零部件機(jī)械加工工藝技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為以后碳化硅材料的精密機(jī)械加工提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

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