黃青林 趙建設(shè) 徐 亮 王 凱 王新永

（航天材料及工藝研究所，先進(jìn)功能復(fù)合材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

文 摘 使用PCD立式銑刀對(duì)聚合物浸漬裂解法（PIP）制備的SiCf/SiC復(fù)合材料開展單因素銑削試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)加工中產(chǎn)生的切削力和加工后的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，分析了銑削工藝參數(shù)對(duì)其的影響；對(duì)加工表面、纖維斷口進(jìn)行SEM分析，討論了SiCf/SiC復(fù)合材料加工表面的形成。研究結(jié)果表明，表面粗糙度與切削力的變化趨勢(shì)相同，高主軸轉(zhuǎn)速和小切削寬度有利于得到表面粗糙度較小的加工表面；近孔洞區(qū)域與遠(yuǎn)離孔洞區(qū)域的材料去除方式不同；材料中纖維發(fā)生面內(nèi)偏移和層間屈曲，纖維存在多種去除方式。

0 引言

SiCf/SiC 復(fù)合材料作為一種先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料，具有密度小、熱機(jī)械性能優(yōu)良、耐燒蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)［1-3］，使其在惡劣的環(huán)境中有較好的耐候性和使用可靠性，在國(guó)外航空航天和軍事國(guó)防領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用［4-6］。然而，它硬度高、各向異性、非均質(zhì)性等特點(diǎn)，導(dǎo)致加工出現(xiàn)損傷大、質(zhì)量差等問(wèn)題。探明SiCf/SiC 復(fù)合材料加工質(zhì)量的影響因素及變化規(guī)律，提高加工質(zhì)量成為了亟待研究的內(nèi)容。

由于SiCf/SiC 復(fù)合材料為多相復(fù)合而成，且存在較多孔隙，加工后的表面形貌明顯區(qū)別于均質(zhì)材料。表面粗糙度是表面質(zhì)量表征方法之一，相比二維評(píng)價(jià)參數(shù)Ra僅能表示某一線上的形貌信息，三維評(píng)價(jià)參數(shù)Sa可以表示某一面內(nèi)的形貌信息，能更準(zhǔn)確表征復(fù)合材料的加工表面質(zhì)量［7-8］。目前，在用于樹脂基復(fù)合材料的表面質(zhì)量研究后，Sa也逐漸用在了SiCf/SiC 復(fù)合材料上，尤其是特種加工方面?？等士频龋?］對(duì)SiCf/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行超聲輔助磨削，研究表明超聲振動(dòng)能有效改善SiCf/SiC 復(fù)合材料的三維表面粗糙度Sa。張若衡等［10］選用超短脈沖激光對(duì)SiCf/SiC 復(fù)合材料進(jìn)行加工，研究表明低功率的激光加工有利于獲得更好的加工表面。YAN Z 等［11］開展了SiCf/SiC 復(fù)合材料飛秒激光加工研究，研究了入射角度對(duì)表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，隨著入射角的增大，激光能量集中在復(fù)合材料的表面凸點(diǎn)，SiCf/SiC復(fù)合材料的表面質(zhì)量顯著提高。池憲等［12］選用硬質(zhì)合金刀具、金剛石涂層刀具、電鍍超硬磨料刀具、釬焊金剛石刀具、PCD 刀具進(jìn)行SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料超聲振動(dòng)銑削制孔對(duì)比工藝試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PCD 能得到更好的制孔表面質(zhì)量。

然而，目前針對(duì)SiCf/SiC 復(fù)合材料常用的傳統(tǒng)銑削加工的表面質(zhì)量的相關(guān)研究較少。本文選擇PCD刀具對(duì)SiCf/SiC 復(fù)合材料開展銑削單因素試驗(yàn)，分析銑削參數(shù)對(duì)切削力和表面粗糙度Sa的影響規(guī)律并對(duì)比它們的變化趨勢(shì)，借助掃面電鏡，討論SiCf/SiC 復(fù)合材料加工表面的形成，擬為SiCf/SiC 復(fù)合材料銑削工藝參數(shù)優(yōu)化研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

使用的SiCf/SiC 復(fù)合材料試樣（圖1）是由SiC 纖維緞紋布采用縫合的方式先制作成纖維預(yù)制體，再經(jīng)過(guò)聚合物浸漬裂解（PIP）工藝制備而成。其孔隙率為7%～9 %，纖維體積分?jǐn)?shù)為40%，厚度為5.5 mm，基本物理性能如表1所示。將加工后的工件制成16塊尺寸為30 mm×5 mm×5.5 mm 的試樣，便于后續(xù)SEM表征分析（圖2）

圖1 SiCf/SiC復(fù)合材料試樣Fig.1 Samples of SiCf/SiC composite

圖2 SEM分析試樣Fig.2 Samples of SEM analysis

表1 SiCf/SiC復(fù)合材料基本特性Tab.1 Basic properties of SiCf/SiC composites

1.2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)平臺(tái)

為研究銑削參數(shù)對(duì)SiCf/SiC 復(fù)合材料表面粗糙度Sa的影響，分析Sa與切削力之間的關(guān)系，討論其加工表面形貌及形成過(guò)程，優(yōu)化工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了參數(shù)如表2所示的單因素試驗(yàn)，每個(gè)因素有四個(gè)水平，試驗(yàn)在無(wú)冷卻液的干式條件下采用逆銑削的方式下進(jìn)行。使用測(cè)力儀對(duì)加工中的Fx、Fy、Fz進(jìn)行測(cè)量；采用KEYENCE VHX-7000 超景深顯微鏡分別在兩個(gè)纖維方向遠(yuǎn)離孔洞的區(qū)域?qū)Ω鹘M參數(shù)下的Sa值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量尺寸為0.8 mm×0.8 mm。采用Appllo-300 掃描電鏡對(duì)超聲清洗后試樣的微觀形貌和斷口進(jìn)行觀測(cè)，加速電壓設(shè)為15 kV。

表2 銑削單因素試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Milling single factor test parameters

試驗(yàn)平臺(tái)主要由加工、測(cè)力、測(cè)溫三個(gè)部分組成，加工部分為廈門大金三軸數(shù)控加工機(jī)床（TE855）和JORK 金剛石平底PCD 銑刀；測(cè)力部分主要包含YDCB-Ⅲ05 三向測(cè)力儀、電荷放大器以及電荷采集器；測(cè)溫部分為杭州美盛的Research-N3 紅外熱像儀。工件的裝夾方式如圖3所示，將SiCf/SiC 復(fù)合材料板材固定在三向測(cè)力儀上進(jìn)行銑削試驗(yàn)。

圖3 銑削試驗(yàn)裝置Fig.3 Devices of milling test

2 結(jié)果與討論

2.1 切削力

圖4為銑削參數(shù)對(duì)SiCf/SiC 復(fù)合材料加工中切削力的影響曲線。從圖中可以看出，在各組參數(shù)下均是Fx＞Fy＞Fz。

圖4（a）為主軸轉(zhuǎn)速與切削力的關(guān)系曲線，F(xiàn)x、Fy、Fz及切削合力F都隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而單調(diào)遞減，并且下降幅度逐漸降低。這是由于主軸轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)切削SiCf/SiC 復(fù)合材料的次數(shù)增加，在進(jìn)給速度和切削寬度不變時(shí)，每齒切削的去除總量減少，刀具所受到阻力抗性減少，切削力下降。

圖4（b）為進(jìn)給速度與切削力的關(guān)系曲線，F(xiàn)x和Fy兩個(gè)方向的切削力都隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，F(xiàn)z的變化很小?？傮w來(lái)看，切削合力F隨著進(jìn)給速度的增加呈單調(diào)遞增的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)給速度增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)刀具前進(jìn)路程增大，在主軸轉(zhuǎn)速和切削寬度固定時(shí)，每齒進(jìn)給量逐漸增加，每次需要去除的材料增多，導(dǎo)致切削力上升。

圖4（c）為切削寬度與切削力的關(guān)系曲線，F(xiàn)x隨著切削寬度的增加而增加，F(xiàn)y先增加隨后稍微下降，而Fz則是出現(xiàn)小范圍內(nèi)的波動(dòng)?？傮w來(lái)看，切削合力F隨著切削深度的增加而單調(diào)遞增。這是當(dāng)切削寬度增加，單位時(shí)間內(nèi)切削SiCf/SiC復(fù)合材料的量會(huì)增加，在主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度固定時(shí)，刀具受到的阻力增大造成的。

圖4 銑削工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響Fig.4 Influence of milling process parameters on cutting force

2.2 加工表面形貌及形成機(jī)制

2.2.1 橫向纖維形貌

圖5為橫向纖維的表面形貌圖，可以看出橫向纖維以臺(tái)階狀脆性斷裂為主，且存在兩種朝向不同的纖維斷口，這是纖維與加工表面不平行且所呈角度不同造成的。

圖5（b）朝左的斷口相對(duì)平整，斷口幾乎垂直于纖維軸向；圖5（c）朝右的斷口為傾斜斷口，斷口與纖維軸向呈一定的角度。這是因?yàn)閮煞N纖維的去除方式不同，當(dāng)?shù)毒邚挠彝竽驺娤鲿r(shí)，斷口朝左的束纖維為順剪切，纖維先受刀具的剪切力并發(fā)生剪切斷裂，隨著刀刃的前進(jìn)，被切斷的纖維受到沿軸向的推力，在推力的作用下發(fā)生界面脫粘，隨后纖維與基體發(fā)生剝離；而斷口朝右的纖維束的為逆剪切。在剪切時(shí)，纖維先受到具沿軸向的推力，發(fā)生界面脫粘，隨著刀刃帶著纖維抬起，與界面完全剝離，纖維受到彎曲應(yīng)力和沿軸向壓應(yīng)力的共同作用，纖維發(fā)生彎曲斷裂，故斷口為傾斜面。

圖5 橫向纖維表面形貌Fig.5 Surface morphology of transverse fibers

2.2.2 縱向纖維形貌

圖6為縱向纖維的整體形貌，從圖6（a）中可以看出靠近孔洞的纖維存在界面脫粘和基體脫落等現(xiàn)象，裂紋沿著相鄰纖維界面?zhèn)鬟f，存在極少數(shù)的纖維拔出，而遠(yuǎn)離孔洞處的纖維在完整性較好，沒(méi)有發(fā)生界面脫粘及纖維拔出等現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诳拷锥吹睦w維缺少基體的支撐，界面更容易被剝離，裂紋擴(kuò)展還導(dǎo)致纖維界面脫粘深度加深，進(jìn)而出現(xiàn)纖維拔出。圖6（b）中可以看出纖維直徑相差大、均勻性較差。纖維的斷口以平滑斷口和臺(tái)階斷口為主。平滑斷口的截面非常的平整，由垂直于纖維軸向且大于纖維軸向強(qiáng)度的剪切力作用產(chǎn)生的典型斷口；臺(tái)階斷口的截面出現(xiàn)兩個(gè)以上的平臺(tái)，這是由彎曲應(yīng)力造成的彎曲破壞斷口。

圖6 縱向纖維微觀圖Fig.6 Surface morphology of longitudinal fibers

2.2.3 涂覆物形貌

在觀察過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)加工表面出現(xiàn)了大量的涂覆物，如圖7所示。涂覆物黏附在加工表面，覆蓋加工產(chǎn)生的實(shí)際表面，使得表面更加平整超聲清洗也無(wú)法去除，對(duì)表面粗糙度的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生重要影響。從圖7（a）和圖7（b）可知，橫向纖維束和縱向纖維束區(qū)域都出現(xiàn)了涂覆物，從圖7（c）可以看出這些涂覆物顯然是由細(xì)小切屑聚集在一起產(chǎn)生的，圖7（d）中的涂覆物上與后刀面的劃痕清晰可見(jiàn)。因此，這些涂覆物出現(xiàn)的原因是積留在加工表面的切屑在加工過(guò)程的高溫高壓條件下，受PCD 刀具后刀面的碾壓堆積造成的。

圖7 表面涂覆物形貌Fig.7 Morphology of surface coating

2.3 表面粗糙度

圖8（a）為Sa隨主軸轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線。主軸轉(zhuǎn)速的增加，會(huì)導(dǎo)致Sa逐漸降低。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)? 500 r/min增加至4 000 r/min時(shí)，整體Sa從2.09下降到1.24 μm，增量為-0.85 μm。這是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速增加，每齒進(jìn)給量減小，切削厚度降低，纖維斷裂長(zhǎng)度變短，表面整體更加平滑。另外，主軸轉(zhuǎn)速增加切削熱逐漸積累，表面涂覆物含量增加，導(dǎo)致表面粗糙度減少。

圖8 銑削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響Fig.8 Influence of milling process parameters on surface roughness

圖8（b）為Sa隨進(jìn)給速度變化的關(guān)系曲線。當(dāng)進(jìn)給轉(zhuǎn)速增加時(shí)，Sa先降低再增加，整體變化幅度小，整體Sa僅在2.14 ～1.88 μm波動(dòng)，說(shuō)明所選參數(shù)范圍對(duì)表面粗糙度Sa的影響較小。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度增加較少，對(duì)表面粗糙度的影響變化不大，但溫度上升導(dǎo)致表面涂覆物填充表面，導(dǎo)致表面粗糙度降低，而當(dāng)進(jìn)給速度進(jìn)一步增加時(shí)，涂覆物的影響作用相對(duì)降低，導(dǎo)致Sa再次上升。

圖8（c）為Sa隨切削寬度變化的關(guān)系曲線。當(dāng)切削寬度增加，Sa逐漸增加。當(dāng)切削寬度從0.1增加到0.25 mm 時(shí)，整體Sa從1.09 增加到1.91 μm，增量為0.82 μm。由2.1可知，當(dāng)切削寬度增加，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度不變時(shí)，切削力增加，切削震動(dòng)加大；纖維斷裂長(zhǎng)度增加，斷口高度差異大，表面粗糙度Sa增大。

對(duì)比銑削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律與切削力的幾乎一致。切削力和表面粗糙度均隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而單調(diào)遞減；隨進(jìn)給速度的增加小范圍波動(dòng)；隨切削寬度增加而單調(diào)增加。對(duì)比表面形貌觀測(cè)結(jié)果可知，表面涂覆物影響加工產(chǎn)生的實(shí)際表面，會(huì)降低所測(cè)量的表面粗糙度。

3 結(jié)論

（1）SiCf/SiC復(fù)合材料加工時(shí)，銑削參數(shù)對(duì)切削力和表面粗糙度的影響趨勢(shì)相同，切削力和表面粗糙度均隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而單調(diào)遞減；隨進(jìn)給速度的增加而小范圍波動(dòng)；隨切削寬度增加而單調(diào)增加。高轉(zhuǎn)速、小切寬利于得到質(zhì)量較好的加工表面。

（2）SiCf/SiC復(fù)合材料內(nèi)部存在孔洞，孔洞周圍的軸向纖維因?yàn)槿鄙倩w的支撐，去除方式與非孔洞周圍的纖維存在差異；橫向纖維的面內(nèi)偏移和層間屈曲導(dǎo)致其存在多種斷裂方式，包括剪切斷裂、彎曲斷裂、組合斷裂等。

（3）加工表面的形貌主要包含：橫向纖維束的臺(tái)階狀脆斷、纖維剝離、纖維壓潰；縱向纖維束的纖維脆斷、纖維拔出、界面脫粘；黏附在加工表面的涂覆物。