釬焊金剛石磨粒鉆鉆削C/SiC陶瓷基復合材料孔時切屑對鉆削過程的影響＊

邵國棟，史振宇

（山東大學 機械工程學院,高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061）

C/SiC陶瓷基復合材料是一種高性能材料，其具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、傳熱性能好、比強度高、質量輕等諸多優(yōu)點，被廣泛應用到國防工業(yè)中，特別是用在高溫燒蝕、摩擦磨損等惡劣環(huán)境中，如航空發(fā)動機、火箭的熱防護構件、剎車系統(tǒng)等領域[1]。C/SiC陶瓷基復合材料還是一種難加工材料，因其具有各向異性、不均勻性、硬度高、脆性大等特點。為了降低加工成本并提高加工效率，傳統(tǒng)加工技術和特種加工技術都被嘗試用來加工C/SiC陶瓷基復合材料，如車削、銑削、磨削、鉆削以及激光加工、電火花加工、磨粒水射流加工等[2-3]。

鉆孔是C/SiC陶瓷基復合材料需求較多的加工工藝之一。因為航空航天工業(yè)中的復合材料連接主要采用鉚接，需要大量的孔特征；也有一些如發(fā)動機葉片零部件等的結構，存在大量的孔用來散熱。但孔的鉆削加工易存在加工缺陷，如產生材料分層、纖維拔出、微裂紋、崩邊等，影響了其應用。同時，C/SiC陶瓷基復合材料的基體是碳化硅，其硬度很高，達到了22.2 GPa。高速鋼刀具、硬質合金刀具、陶瓷刀具均不適合加工這種材料，因而其加工刀具較難選擇，相關研究也不足，對C/SiC 復合材料孔的鉆削加工研究更少。CHEN 等[4]使用PCD 刀具鉆削加工C/SiC 復合材料，為了降低成本，金剛石刀片被焊接在硬質合金基體上。結果表明，這種焊接式PCD 刀具改善了C/SiC 復合材料的加工質量，但仍然存在分層、崩邊等缺陷。ZOU 等[5]也采用這種焊接式PCD 刀具鉆削加工C/SiC 復合材料，與文獻[4]不同的是，其主要研究了刀具的前角和錐度角對C/SiC 復合材料加工性能的影響規(guī)律。

目前，由于刀具成本的限制，還沒有采用整體式PCD 刀具鉆削C/SiC 復合材料的研究。除了焊接式PCD 刀具外，釬焊金剛石磨粒鉆同樣可以成功鉆削C/SiC 復合材料。磨粒鉆的制備過程是使用釬焊工藝將金剛石磨粒焊接在硬質合金棒料上，其實際加工過程類似磨削，可以取得較好的工件加工質量，且刀具成本相對較低，因此得到了廣泛的關注和研究[6-7]。XING等[8-9]采用釬焊金剛石磨粒鉆鉆削加工C/SiC 復合材料，結果表明：采用高速、低進給的加工參數，可以顯著降低孔出口的分層缺陷，從而改善其加工質量。WANG等[10]采用釬焊金剛石磨粒鉆結合旋轉超聲波輔助工藝，鉆削加工C/SiC 復合材料，結果表明鉆削過程產生的切削力顯著降低。后來，WANG 等[11]把釬焊金剛石磨粒鉆的結構改變?yōu)殡A梯狀，同樣獲得了良好的加工效果。

因此，釬焊金剛石磨粒鉆可提高C/SiC 復合材料的加工質量，降低刀具成本，比較適合鉆削加工C/SiC陶瓷基復合材料。但使用釬焊金剛石磨粒鉆會產生大量切屑，且切屑排出較困難，將會對C/SiC 材料的加工過程產生不利影響。而且，對切屑排出不暢帶來的一系列問題的相關研究較少。基于此，采用釬焊金剛石磨粒鉆鉆削加工C/SiC陶瓷基復合材料，分析其切屑排出過程并設計實驗，研究切屑對鉆削加工時的鉆削力、孔加工質量、鉆頭磨損等產生的影響。

1 切屑的排出過程

圖1 為麻花鉆及釬焊金剛石磨粒鉆鉆削加工時切屑的產生及運動路線。如圖1所示：釬焊金剛石磨粒鉆鉆削工件過程中，其切屑的排出和麻花鉆的并不相同。在麻花鉆鉆削加工中，切屑產生于刀具的前刀面，并順著排屑槽螺旋式上升，直至被排出孔外（圖1a）。而釬焊金剛石磨粒鉆鉆削加工時，切屑產生于刀具端面磨粒的下方，通過擠壓的方式被擠出孔外（圖1b）。

根據LAWN 等[12-13]的研究，釬焊金剛石磨粒鉆在鉆削工件材料時，在金剛石磨粒的壓迫下，工件材料表面產生橫向裂紋和中心裂紋；隨著鉆頭的旋轉，金剛石磨粒刻劃工件材料表面，其橫向裂紋相互貫通，切屑產生。初步產生的切屑會暫時存放在金剛石磨粒的間隙內，隨著鉆削過程的持續(xù)，切屑在磨粒間隙內堆積越來越多，以至于很快達到容納上限。此時，源源不斷產生的新切屑將擠壓間隙內的舊切屑，迫使舊切屑從孔口排出，如圖1c、圖1d所示：首先，切屑會被逐漸擠壓到刀具端面的邊緣。理論上，在切屑逐漸轉移到刀具端面邊緣的過程中，切屑需要穿過多個磨粒間隙，尋找一條最低的能量路線；然后，到達刀具端面邊緣的切屑將繼續(xù)沿著刀具側面向上前進；最終，切屑從孔中排出，完成其排出過程。

圖1 麻花鉆及釬焊金剛石磨粒鉆鉆削加工時切屑的產生及運動路線Fig.1 Generation and movement path of chips during drilling with twist drill and brazed diamond abrasive drill

2 鉆削實驗材料、設計及過程

2.1 實驗材料

工件材料是2.5D C/SiC陶瓷基復合材料，碳纖維體積分數是35%，其直徑為5.000 μm，工件的長×寬×高是100 mm×20 mm×7 mm。圖2 展示了工件材料的SEM 形貌和EDX 分析圖。在圖2a 中可以看到：C 纖維層是上下層疊結構的，這種結構可提高工件的斷裂韌性；在圖2a 中間有一條豎直方向上下貫通的分界線，這是材料制備過程中特意設計的針刺結構，目的是增強纖維層間的結合強度。圖2b 和圖2c 的EDX 分析中，紫色區(qū)域代表C 元素的分布，黃色區(qū)域代表Si 元素的分布。通過比較圖2a、圖2b 和圖2c 發(fā)現：圖2a 中的黑色區(qū)域與圖2b 中的C 相保持一致，圖2a 中的灰色區(qū)域則與圖2c 中的Si 相保持一致。

圖2 C/SiC 的SEM 形貌和EDX 分析圖Fig.2 SEM morphology and EDX analysis of C/SiC

圖3 為工件材料的XRD 分析圖。圖3 的結果表明，材料中含有較大量的SiC 和C 以及少量的Si。工件材料的力學性能和物理性能展示在表1 中。

圖3 C/SiC陶瓷基復合材料的XRD 分析Fig.3 XRD analysis of C/SiC ceramic matrix composite

表1 C/SiC 的力學和物理性能參數Tab.1 Mechanical and physical properties of C/SiC

2.2 鉆頭形貌

在實驗中使用釬焊金剛石磨粒鉆，其外部直徑為6 mm，內部直徑為3 mm，鉆頭上的金剛石磨粒基本顆粒尺寸為233 μm，鉆頭形貌如圖4所示。根據圖4的鉆頭形貌可知，釬焊金剛石磨粒鉆的材料去除方式類似于磨削[14]。

圖4 鉆頭形貌Fig.4 Drill morphology

2.3 實驗設計及過程

排屑問題是鉆削加工過程中普遍存在的問題。相比于傳統(tǒng)的麻花鉆，釬焊金剛石磨粒鉆的排屑問題更加突出。為了掌握釬焊金剛石磨粒鉆鉆削過程中的切屑對鉆削力、孔加工質量、刀具磨損的影響，設計如圖5所示的一組特殊鉆削實驗，以求盡可能突出切屑對鉆削過程帶來的影響。圖5 的鉆削條件是干鉆削，選擇的鉆削參數為：進給速度為10 mm/min，主軸轉速為1 592 r/min。圖5 的鉆削參數的選擇依據來自文獻[5]和[8]。其中，采用較小主軸轉速的原因，是想盡可能地避免鉆削溫度對加工質量、刀具磨損的影響。

圖5 實驗設計Fig.5 Experimental design

如圖5a所示：鉆頭鉆削1/2 孔時，切屑產生之后，首先存放在磨粒與磨粒的間隙中，隨著鉆頭的旋轉切屑轉移到右邊的半孔，由于其受到重力作用而從磨粒的間隙之間掉落。因此，鉆頭鉆削1/2 孔時切屑非常容易排出。從物理角度看，切屑幾乎不會對鉆頭和工件產生力的作用；從化學角度看，由于選用了相對較小的鉆削參數，加工過程產熱較慢，產生的鉆削溫度較低，因而可忽略切屑帶來的熱應力及其他化學變化。所以，鉆削1/2 孔時切屑對加工過程的影響極小，可以忽略切屑的存在，故假設鉆削1/2 孔時無切屑。

如圖5b所示：結合圖1 提出的排屑過程，全孔加工中產生的切屑，將按照正常的排屑路徑從孔的上端排出，此時切屑對鉆削過程產生影響。

因此，以鉆削加工1/2 孔為對照組，以鉆削加工全孔為實驗組，研究切屑對鉆削力、孔加工質量、刀具磨損的影響。在分析實驗數據時，將對照組的鉆削力乘以2，再與實驗組的鉆削力比較。對比分析孔加工質量時，選用對照組鉆削2 個1/2 孔后的形貌，實驗組鉆削1 個全孔后的形貌。對比分析刀具磨損時，選用對照組鉆削10 個1/2 孔后的刀具形貌，實驗組鉆削5 個全孔后的刀具形貌。

2.4 實驗及檢測設備

鉆削實驗使用Daewoo ACE?V500 數控機床進行加工，機床的最大轉速是10 000 r/min。實驗分為2 組：一組是對照組，另一組是實驗組。對照組鉆削次數為10 次，實驗組鉆削次數為5 次。每組實驗重復3 次，最后結果取平均值。

在實驗前，為了更清楚地觀察孔的表面損傷，對工件表面拋光，使其表面粗糙度小于1 μm，然后將工件放入超聲波清洗器中，用無水乙醇清洗30 min 并干燥。使用Kistler 9257B 測力儀測量實驗過程中的鉆削力；切屑的微觀形貌使用6610 LV 掃描電鏡進行觀察；孔進口和出口的損傷形貌使用VHX?600E 大景深顯微鏡進行觀察；刀具的磨損形貌使用6610 LV 掃描電鏡進行觀察。

3 結果和分析

3.1 切屑的形貌和尺寸

圖6 展示了對照組和實驗組的切屑形貌。比較圖6發(fā)現，切屑主要包括2 種類型，即顆粒狀和圓柱狀切屑。碳化硅是一種典型的硬脆材料，當用金剛石磨粒鉆鉆削工件時，其會出現橫向裂紋和中心裂紋；隨著鉆頭的旋轉，鉆頭上的金剛石磨粒在工件表面刻劃，最終導致其橫向裂紋貫通，使碳化硅以顆粒狀剝落下來（圖6a和圖6c），這和文獻[12-13]的理論是一致的。而對于圖6b 和圖6d 的圓柱狀切屑，其輪廓十分規(guī)整，且圓柱的直徑為4.385 μm，和制備工件材料使用的碳纖維直徑5.000 μm 基本保持一致，可以確定圓柱狀的切屑為碳纖維。

圖6 切屑的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of chips

進一步比較圖6a 和圖6c 發(fā)現：對照組的大多數顆粒狀切屑的長度在7.000 μm 左右，顆粒形狀為不規(guī)則的多邊形，且能觀察到比較尖銳的棱角；實驗組的大多數顆粒狀切屑的長度在1.500～4.000 μm，且顆粒的形狀較圓滑。之所以出現切屑尺寸及形貌的差異，是因為對照組加工過程中，切屑隨著刀具旋轉，由于自身重力的作用，自然下落脫離了刀具（圖5a），并沒有參與后續(xù)的鉆削過程。這意味著，對照組產生的切屑保留了原始的面貌。而實驗組則不然，實驗組產生的切屑只能從孔上方排出，切屑將從磨粒之間穿過。當切屑從磨粒之間穿過時，將會受到擠壓、碰撞、摩擦等，從而使切屑的棱角被磨掉，形狀變得圓滑，長度也相應減小。

觀察圖6b 和圖6d 的圓柱狀切屑同樣發(fā)現：對照組的切屑長度為18.572 μm，而實驗組的切屑長度為13.118 μm 和13.930 μm。因此，實驗組的圓柱狀切屑經過擠壓、碰撞等過程，其長度同樣存在減小現象。

3.2 切屑對鉆削力的影響

由文獻[15]可知：鉆削復合材料孔時，孔的加工質量主要與軸向鉆削力相關。另外，實驗顯示徑向方向的鉆削力非常小，可以忽略不計。所以，僅需考慮鉆削過程中的軸向鉆削力。將Kistler 9257B 測力儀獲得的軸向鉆削力數據導入ORIGIN 軟件，繪制出對照組和實驗組的鉆削力圖7。其中，曲線1 和曲線3 分別表示對照組和實驗組的軸向鉆削力，曲線2 是將曲線1 上的所有數據放大2 倍后得到的。

由圖7 可以發(fā)現：每條曲線都存在一定程度的波動，這是一種正常現象。其原因是工件材料是一種具有各向異性的復合材料，由C 纖維和SiC 基體層交疊形成，并且材料中還存在針刺結構和少量的氣孔，鉆頭在不同時刻鉆削的工件材料是不同的，材料的各向異性必然導致鉆削力波動。從理論角度考慮，因為實驗組加工區(qū)域的面積是對照組的2 倍，所以實驗組的鉆削力應該為對照組鉆削力的2 倍，即曲線3 和曲線2 的變化趨勢應該基本吻合。但實際上，圖7 中的2 條曲線差別非常明顯。

如圖7所示：在3 條曲線的A1?B1，A2?B2 和A3?B3 階段，鉆頭開始加工工件，鉆削力逐漸增加，且分別在B1，B2，B3 點達到峰值，這種現象和文獻[8]的研究結論是一致的。這是由于鉆頭剛開始加工工件時，工件產生了輕微的彎曲變形，從而引起進給量的瞬時變化，使切削力迅速上升；在B1?C1，B2?C2 和B3?C3階段，鉆頭的切削刃完全鉆入工件，與工件形成穩(wěn)定的接觸面，鉆削力進入相對穩(wěn)定的階段。同時，B1?C1 和B2?C2 段曲線在一定的范圍上下波動，呈現出一定程度的穩(wěn)定性，這是因為對照組中的切屑能及時排出，沒有對后續(xù)的鉆削過程產生影響。但B3?C3 段曲線則不同，隨著鉆削時間延長、鉆削深度增加，鉆削力呈現出逐漸增大的現象。這是因為實驗組中的切屑排出路徑要依次經過鉆頭的端面磨粒間隙和側面磨粒間隙，隨著鉆削深度增加，切屑需要走過的路徑延長，消耗的能量也增加，所以需要更大的鉆削力；在C1?D1，C2?D2和C3?D3 階段，鉆削過程進入尾聲，鉆頭貫穿整個工件，鉆削力降為0，鉆削過程結束。比較C2 和C3 點的峰值可以發(fā)現，C3 點的鉆削力達到了300 N，而此時C2 點的鉆削力僅為100 N。這表明鉆削C/SiC 復合材料深孔時，切屑對鉆削力的影響較大。

3.3 切屑對孔加工質量的影響

圖8 為孔進口形貌。從圖8a 可以看出：對照組的孔進口形貌基本完好，僅僅在孔進口的周邊觀察到輕微的崩邊現象。由圖8b 發(fā)現：實驗組的孔進口形貌同樣保持完好，僅出現輕微的崩邊現象，與XING 等[8]的研究結果一致。這表明，切屑不會對孔進口形貌產生顯著影響。

圖9 展示了對照組和實驗組的孔出口形貌。比較圖9a 和圖9b 可以看出：對照組的孔出口形貌較規(guī)則和順滑，實驗組的孔出口形貌損傷程度比對照組的嚴重得多。在圖9a 的右下局部放大圖中，可以觀察到基體沒有大面積的剝落，也沒有形成分層缺陷，只僅僅在孔的邊緣形成了少量的崩邊和纖維斷裂現象。在圖9b 的左上局部放大圖中，可以看到在孔的邊緣區(qū)域出現了嚴重的纖維斷裂、撕裂缺陷以及基體大區(qū)域脫落現象。這表明切屑對孔出口的形貌有顯著影響。這是因為切屑的存在增大了軸向鉆削力（圖7），根據CHENG等[16]研究，軸向鉆削力的增大將導致嚴重的孔出口損傷。

圖9 孔出口形貌Fig.9 Morphology of hole outlet

3.4 切屑對鉆頭磨損的影響

通過觀察鉆頭的SEM 形貌，定性分析切屑對鉆頭磨損的影響。圖10、圖11 展示了對照組和實驗組鉆削實驗之后的鉆頭形貌。由圖10 和圖11 可知：對照組的鉆頭磨損主要為斷裂（圖10b）、微裂紋（圖10c）、崩刃（圖10d）；實驗組的鉆頭磨損不僅出現了崩刃、微裂紋、斷裂，還出現了磨粒剝落（圖11b）、基體剝落（圖11d）等嚴重磨損行為。這表明切屑對鉆頭磨損有顯著影響。

圖10 對照組鉆削10 個1/2 孔后的鉆頭形貌Fig.10 Drill morphology after drilling 10 1/2 holes in the control group

圖11 實驗組鉆削5 個全孔后的鉆頭形貌Fig.11 Drill morphology after drilling 5 full holes in the experimental group

根據圖1 的切屑排出過程，切屑在排出時，必須要通過磨粒之間的間隙。在這一過程中，切屑會連續(xù)沖擊、摩擦、刻劃金剛石顆粒，從而導致釬焊金剛石磨粒鉆的快速磨損。另外，切屑的存在將增大軸向鉆削力（圖7）。在更大軸向鉆削力的壓迫下，切屑與金剛石磨粒的沖擊、摩擦、刻劃會更嚴重，金剛石磨粒的磨損將進一步加快。

4 結論

采用釬焊金剛石磨粒鉆鉆削C/SiC陶瓷基復合材料，分析了切屑排出過程及切屑形貌，研究了切屑對鉆削時的軸向鉆削力、孔加工質量、鉆頭磨損的影響。得出如下結論：

（1）釬焊金剛石磨粒鉆鉆削C/SiC陶瓷基復合材料時，切屑的排出方式與麻花鉆的排屑方式不同。其切屑產生于端面磨粒下方，散布在金剛石磨粒間隙內，最終以擠壓方式被擠出孔外。切屑的排出路徑，首先經過端面磨粒的間隙，然后通過側面磨粒的間隙，直至切屑排出孔外。

（2）切屑的形貌主要有顆粒狀和圓柱狀2 類。切屑在排出過程中，將會經歷擠壓、碰撞、摩擦、刻劃等過程。在這一過程中，切屑將變得圓滑，切屑的尺寸也會相應減小。

（3）切屑對軸向鉆削力有影響。隨著鉆削深度增加，切屑的排出更加困難，軸向鉆削力會相應增大。鉆削深孔時，切屑對軸向鉆削力的影響顯著。

（4）切屑對孔進口加工質量幾乎沒有影響，對照組和實驗組均表現為輕微崩邊。切屑對孔出口的加工質量影響顯著，切屑的存在造成了嚴重的纖維斷裂、撕裂缺陷以及基體大區(qū)域脫落現象。

（5）切屑對鉆頭磨損有顯著影響。切屑的存在加劇了鉆頭磨損，鉆頭在出現崩刃、微裂紋等磨損的同時，還出現了基體剝落、金剛石剝落等嚴重磨損行為。