碳化硅零部件機械加工工藝

劉小涵 ，姜明珠 ，曹宏 ，董旭 ，高海俠

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2.長春市奧普光電技術股份有限公司，長春 100031)

新型材料碳化硅(silicon carbide(SiC))比剛度高、熱穩定好、質量輕等一系列優良的物理化學性能，世界各國的研究者均將其列為空間光學遙感器優選的反射鏡材料[1-2]，隨著科技的飛速發展，碳化硅材料是材料發展中最為迅速的一支新軍，已開始應用于汽車、機械、宇航、化工、石油等許多工業領域的發動機燃燒部件、火箭噴嘴、燃汽輪機發動機葉片、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、俄羅斯、德國、法國等國家從20世紀80年代初開始研究SiC材料，90年代用SiC制作反射鏡，應用在溫度變化大的光學系統中[5-7]，我國在SiC材料的研究方面基本上與國際同步，光學加工技術比較成熟，而機械加工方面的報道還比較少。由于碳化硅材質越來越多地應用于機械行業，如果只靠燒結鑄造來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。針對碳化硅的硬度大、普通機械加工難的特點，本文進行了碳化硅機械加工工藝方法研究，并取得了較好的實驗結果。

1 碳化硅材料性能

由于碳化硅反應燒結的原理使SiC具有許多其它材質所沒有的優良特性[8-10]：(1)比剛度大，單位載荷引起結構的變形小，尺寸穩定性好，可以降低反射鏡的厚度，做成蜂窩狀結構起到減重的目的，反射鏡與框一體化，減少裝調誤差。(2)熱變形系數小，抗熱震性性能優越，可使鏡體在較寬的溫度范圍內具有良好的熱穩定性，降低對熱控系統的要求，減少熱控系統的質量和功耗；(3)良好的熱傳導性能，當環境溫度變化時，材料內部很容易達到溫度平衡，不會引起很大的內應力，對環境適應能力強，服役壽命長。

2 碳化硅機械件的加工工藝

相同結構的零件用普通車工、銑工能加工的，SiC機械件卻無法進行，需要特殊的加工方法如磨削加工、數控加工、電火花及超聲波等機械加工工藝。由于材質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，工藝設計時一般采用銑或刨的加工方法，公差容易達到；對于圖 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，但是對于碳化硅零件，上述幾種工藝方法都很難實現，只能采用非常規的磨削加工。

圖1 碳化硅反射鏡照片Fig.1 Photo of the Sic mirror

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

圖2 進給量與表面粗糙度的關系曲線Fig.2 The relationship curve of feeding and surface roughness

從圖2可以得出：機床的進給量越小，表面粗糙度越好，面形精度越高，在加工過程中，可以根據要達到的表面粗糙度，選擇合適的進給量。

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—徑向進給量(mm)；do—砂輪直徑(mm)；e—砂輪的粒度號。

根據公式可以看出，切削量與砂輪速度、直徑及粒度、工件轉速和進給量有關。當h太大時，砂輪會突然停止磨削，導致工件局部去除量太大，表面出現凹陷，導致工件報廢，因此必須嚴格控制最大切削量。經過反復試驗，磨削碳化硅材料的零件時，采用磨削速度一般為 20m/s，進給量為 2mm/min，最大磨削厚度為0.1mm的工藝參數，可以得到表面比較平整，光滑并且有光澤。用三坐標檢測實際加工后的尺寸及形位公差如下表1、2所示，均達到了工程要求。

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

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

實驗中出現的難題：當加工余量少于 0.5mm時，磨削加工過程中邊緣處出現許多細微的崩邊，此時砂輪切削力顯著下降。經過分析，采取的工藝措施為：余量為0.5mm時，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 數控磨削加工

數控加工集機械加工與數字控制于一體，主要靠編程控制車刀或銑刀加工出一些曲線或不規則曲線。目前對于磨床來說，數控磨床加工不了如圖4所示的外形尺寸，靠計算機程序控制進給精度、機床速度等。目前還沒有像數控銑一樣磨削加工零件外形尺寸。在項目急需加工的條件下，進行數控銑床改造。在不改變數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雜外形尺寸。根據數控加工特點分別設計砂輪： 60*8、 60*16鋁基樹脂結合劑金剛石砂輪，粒度60#～80#，濃度120%。經過大量試驗采用磨削線速度20m/s，磨削進刀量0.01mm，進給量4mm，走刀量2m/min的加工工藝參數，可以滿足工程要求。

圖4 碳化硅零件照片Fig.4 Photo of the silicon carbide part

實驗中出現的難題：由于碳化硅硬度非常高，砂輪磨損很嚴重，同時碳化硅磨削顆粒與機床導軌互研，對機床精度破壞性極大，采用機床導軌保護裝置也不能有效的進行防護，由于冷卻液的噴射，對環境污染較大，目前還沒有很好的解決方法，有待于進一步研究。

2.2 線切割(Wire Cut EDM)加工

電火花線切割加工是通過工具電極與工件電極的相對運動，對工件進行脈沖放電加工，電極絲在其軸向以一定速度相對工件移動并在電極絲與工件切縫之間噴射工作液，結合碳化硅燒結方式不同，高純SiC具有高電阻率(絕緣體)不能用線切割加工。只有鐵離子等雜質存在時，電阻率減少到1歐姆左右，特別是游離態硅(部分材料存在8%～10%的游離金屬Si)的存在，提高了碳化硅的導電率，為電火花加工提供必要條件，選用慢走絲(走絲平穩無振動、損耗小、加工精度高、表面粗糙度低等優點)線切割進行機械加工試驗。

采取的工藝措施：加大電流量、碳化硅與工作臺接觸面及壓板底面放置銀箔，加強導電并且在冷卻液里放一些銀粉，強制導電。通過大量實驗，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(前提材料微導電)。

2.3 超聲波加工(Ultrasonic CNC Machining)

超聲加工可以加工各種導體、半導體、非導體材料，金屬材料和非金屬材料等，對于一些絕緣體碳化硅材料，不能用線切割加工，除了采用數控機床改造磨削加工外，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，工具與工件之間的磨料懸浮液9的作用而進行的機械加工。裝卡時，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的懸浮液，當超聲換能器產生頻率為16000Hz以上的超聲頻軸向振動時，通過變幅桿將振幅放大到0.05~0.0mm，驅動工具端面作軸向超聲振動，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，使其材料產生裂紋、破碎，被粉碎成很細的微粒分離出來，同時工作液受工具端面超聲振動，產生高頻、交變的液壓正負沖擊波，促使工作液滲入被加工材料的微細裂紋中，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、工具精度及振動大小、磨料粒度以及機床、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為：采用碳化硅磨料，用煤油與磨料混合，加工孔時采用超聲旋轉加工方式，表面粗糙度為Ra 0.8～1.6m，滿足設計圖紙要求，但是加工成本昂貴，加工時間長，對刀困難，局部崩邊，有待于進一步研究。

3 結論

通過對SiC材料的性能分析及零件的機械加工工藝的研究，摸索出適合碳化硅材料的機械加工工藝方法和工藝參數。本文主要介紹了數控機床改造成適合碳化硅磨削的自主研發機床及專用砂輪設計成果。針對碳化硅材料特點，開展了線切割加工和超聲波加工技術的研究?？傊ㄟ^試驗總結出一套科學、規范、高效的碳化硅零部件機械加工工藝技術經驗，為以后碳化硅材料的精密機械加工提供了可靠的技術基礎。

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