釬焊金剛石銑磨頭加工Cf/SiC復合材料微孔的試驗研究

摘要：Cf/SiC陶瓷基復合材料是一種集各向異性和非均質結構為一體的典型高硬脆性難加工材料，對其進行孔徑小于5 mm的微孔加工難度大，一直都是業界研究熱點。采用三種小直徑金剛石銑磨頭進行制孔加工試驗，研究銑磨頭制備的方法和末端幾何形狀對鉆進力、使用壽命、微孔缺陷及工具表面質量的影響。結果表明，取芯釬焊銑磨頭所制微孔缺陷最少且使用壽命為平底電鍍銑磨頭的3.6倍、平底釬焊銑磨頭的2倍；取芯釬焊銑磨頭具有端面取芯結構，可有效減小鉆進力，在工具使用壽命和工件加工表面質量上與另兩種銑磨頭相較也有明顯提升。

關鍵詞：Cf/SiC陶瓷基復合材料；各向異性；微孔加工；以磨代銑；金剛石銑磨頭

中圖分類號：TG74.7

Experimental Study of Machining Micro Holes in Cf/SiC Composite Materials Using Brazed Diamond Milling Head

HONG Mengjie CHEN Zhuo ZHOU Jiayi WANG Haixu WANG Jianyu HUANG Guoqin*

Institute of Mechanical Engineering，Huaqiao University，Xiamen，Fujian，361021

Abstract： Cf/SiC ceramic matrix composites were typical high hardness and brittleness ones difficult to machine that combined anisotropy and heterogeneous structures. It was difficult to machine micro holes with a pore size of less than 5 mm， and always was a hot research topic in the industry. Three types of small diameter diamond milling heads was used for hole machining experiments， the preparation method of milling heads and the influences of end geometry on drilling forces， service life， micro hole defects， and tool surface quality were studied. The results show that the micro hole defects produced by the core brazing milling head are the least and the service life is 3.6 times that of the flat bottomed electroplating milling head and 2 times that of the flat bottomed brazing milling head，the core taking brazing milling head has an end face core taking structure， which may reduce drilling force and significantly improve the service life of the tool and the surface quality of the machined workpieces effectively.

Key words： Cf/SiC ceramic matrix composite; anisotropy; micro hole machining; replacing milling with grinding; diamond milling head

0 引言

Cf/SiC陶瓷基復合材料具有低密度、高強度、低熱導率、耐高溫和耐腐蝕性能強等優點，在航空、航天、航海各類交通運輸工業以及國防工業等高端制造領域有廣泛應用^［1］。目前高端制造領域大量使用Cf/SiC陶瓷基復合材料制成部件，一般都以鉚釘或螺栓與其他部件組裝，以產生最終結構。此外，大多數飛行器均采用電傳控制模式，需要在Cf/SiC陶瓷基復合材料上設置不同規格的用于電線穿引的小直徑微孔。連接區域的微孔和穿引電線的微孔往往是結構最脆弱的部分，微孔質量會影響設備結構完整性。換言之，設備的安全性和可靠性在很大程度上取決于微孔加工質量。

傳統微孔加工以硬質合金銑刀鉆銑加工為主，溫泉等^［2］針對微孔麻花鉆加工工藝進行了相關理論和試驗研究。雷瑛等^［3］分析了麻花鉆在不同轉速和進給速度下的溫度變化對微孔質量的影響，為優化微孔質量提供參考。傳統微孔加工采用硬質合金銑刀鉆銑加工，軸向的鉆進力大，進出口處是推出材料而非切割材料，易發生分層現象，進而出現纖維斷裂、纖維拔出、毛邊、熱損傷等形式的微孔缺陷^［4］。硬質合金刀具的切削刃較大，切削阻力大，對Cf/SiC陶瓷基復合材料這類典型難加工的高硬脆性材料進行微孔加工時刀具切削刃產生嚴重磨損，且磨損之后刀具便失去了加工能力，其加工成本較高。除此之外，微孔規格繁多而導致所需刀具型號眾多，加工過程需要頻繁換刀，效率較低^［4］。

國際上對Cf/SiC陶瓷基復合材料的研究趨于火熱，“以磨代銑”、超聲輔助加工和螺旋銑削等新的加工工藝陸續出現^［4］。國內外學者針對陶瓷基復合材料的鉆孔質量、切削力等開展了研究，相比于金剛石磨粒刀具，以麻花鉆為代表的硬質合金鉆頭在加工陶瓷基復合材料的孔時，其進出口推力和孔損傷更大^［5］。XING等^［6］研究了工藝參數對陶瓷基復合材料鉆孔加工的推力、分層因子、孔表面質量和刀具磨損的影響。LIU等^［1］以釬焊法制備套料鉆加工Cf/SiC陶瓷基復合材料。陳玉榮等^［7］、丁凱等^［8］、賀虎等^［9］使用超聲輔助加工SiCf/SiC陶瓷基復合材料。高航等^［10］提出的基于“微刃切削”原理的“以磨代銑”的磨削加工是設置刀具中心軸與加工孔圓心之間的偏置距離，以此實現陶瓷基復合材料不同規格孔的加工^［2］。BIERMANN等^［11］設計了金剛石磨粒刀具不同形狀的排屑流道，實現了陶瓷基材料加工質量的提升。SULTANA等^［5］探究了七種不同結構的單層釬焊金剛石磨粒刀具對陶瓷基復合材料加工的性能影響，結果均證明了使用金剛石磨粒刀具“以磨代銑”加工陶瓷基復合材料（ceramic-matrix composite，CMC）的可行性。

上述研究主要圍繞孔徑大于5 mm的常規孔的加工，加工工藝的研究已經相對成熟。由于加工孔徑小于5 mm微孔所使用的金剛石銑磨頭直徑較小，故該情形下金剛石銑磨頭存在金剛石團聚、金剛石把持力不足、干式磨削冷卻困難等難點。Cf/SiC陶瓷基復合材料微孔加工的困難和應用需求共存，對孔徑小于5 mm的Cf/SiC陶瓷基復合材料微孔加工的研究具有較大的挑戰性和研究前景。

本研究是基于“以磨代銑”的銑磨加工工藝的試驗，采用小直徑的金剛石銑磨頭加工Cf/SiC陶瓷基復合材料直徑為4 mm的微孔，通過對不同小直徑金剛石銑磨頭加工時的扭矩、磨削力、刀具磨損以及微孔質量的分析，驗證小直徑金剛石銑磨頭對Cf/SiC陶瓷基復合材料微孔的高效高質量加工的可行性，比較不同小直徑金剛石銑磨頭對Cf/SiC陶瓷基復合材料制微孔加工的性能。

1 Cf/SiC陶瓷基復合材料特點

被加工件為Cf/SiC陶瓷基復合材料，其內部結構如圖1所示，以纖維交叉編織形成Cf/SiC陶瓷基復合材料工件板。

Cf/SiC陶瓷基復合材料是一種具有各向異性和非均質結構的典型的高硬脆性難加工材料，加工時會出現較大切削力。同時，Cf/SiC陶瓷基復合材料的高耐磨性、低熱導率導致刀具在加工過程中極易損傷。傳統硬質合金鉆頭鉆孔加工過程中，入口處因接觸面積大、連續切削困難而形成纖維拔出、毛刺等孔損傷，且出口處由于軸向的切削力過大，將纖維層推出而形成纖維分層損傷，這些損傷缺陷會影響制孔精度、裝配可靠性。

2 “以磨代銑”制微孔原理

Cf/SiC陶瓷基復合材料的耐磨性強，硬度高、低導熱性和纖維交叉編織而導致的各向異性使之成為典型的難加工硬脆性材料。常規制孔加工采用以麻花鉆為主的硬質合金刀具，由于其切削刃大，碳纖維硬質點持續接觸而使其切削力波動大^［12］，進而給刀具和工件帶來了高溫損傷，使得刀具快速磨損和工件加工質量無法得到保證，且硬質合金刀具有限的切削刃損壞之后刀具便失去了加工能力。金剛石磨粒工具的切削刃小而多，每顆金剛石相當于一個微刃的特點能夠解決這些難點，這種多切削刃斷續加工稱為“微刃切削”原理，該原理相較于硬質合金刀具常規制孔切削力更小，熱損傷更少，能夠在極大程度上減少微孔缺陷^［5］。

平底的金剛石磨粒工具在鉆孔過程中，端面沒有取芯，端面圓心處的線速度趨近于零而沒有加工能力，故采用螺旋銑磨制孔的工藝，即“以磨代銑”^［5］。該工藝的原理示意圖見圖2：刀具主軸與微孔的中心軸設置一個偏置距離，使得刀具在高速自轉的同時繞著微孔中心軸公轉，且同時以一定螺旋角軸向螺旋進給。圖3為麻花鉆加工Cf/SiC孔示意圖，與麻花鉆鉆孔工藝相比，“以磨代銑”的加工工藝在減小切削力、提高排屑能力、抑制制孔缺陷和延長刀具壽命等方面均有明顯優勢。

3 試驗條件與過程

3.1 磨削性能試驗裝置

本磨削試驗在高速數控雕銑機床（北京精雕JDLVG600E-A10，主軸轉速0～2.8×104 r/min，最大功率11 kW）上進行。試驗過程中，鉆削力采用Kister 9272型號測力儀進行測量。

加工性能試驗系統如圖4所示，工件通過夾板夾在基板上，最后通過螺栓將測力儀固定在精雕機的工作臺上，鉆削過程力信號由測力儀捕獲，通過信號放大器和動態信號分析儀傳輸至計算機端，計算機端即可及時記錄分析試驗過程獲得測力數據。

3.2 Cf/SiC陶瓷基復合材料工件與金剛石銑磨頭

試驗材料為Cf/SiC陶瓷基復合材料，由碳纖維增強骨架和碳化硅基體交織而成，厚度為2.4 mm。試驗所用三種金剛石銑磨頭分別為平底電鍍銑磨頭、平底釬焊銑磨頭和取芯釬焊銑磨頭，如圖5所示。

三種金剛石銑磨頭的金剛石種類、外徑尺寸、取芯尺寸、制備來源見表1。自行制備的釬焊金剛石銑磨頭是采用CuSn19Ti10的銅基釬料在VSF200型真空釬焊爐（加熱溫度850～900 ℃）制備而成的。

3.3 試驗方案

使用干式磨削加工，試驗參數見表2。試驗方法如下：分別使用平底電鍍銑磨頭、平底釬焊銑磨頭和取芯釬焊銑磨頭對厚度為2.4 mm的Cf/SiC陶瓷基復合材料進行貼壁螺旋鉆4 mm微孔加工。每次鉆孔過程都使用Kister 9272測力，加工完成后使用電子顯微鏡觀測刀具形貌；每加工完成3個孔即超聲清洗刀具，使用JSM-IT500LA型鎢燈絲掃描電子顯微鏡（SEM）對刀具、工件形貌進行觀測；加工至金剛石銑磨頭出現基體損傷、磨粒脫落嚴重失去加工能力（報廢）。

數據處理方法如下：①高頻波形曲線。使用平底釬焊銑磨頭對Cf/SiC陶瓷基復合材料板進行螺旋鉆孔，所獲得的周向力Fx、Fy，軸向力Fz和扭矩Mz四個量表示為經典高頻波形曲線信號。②軸向力及扭矩。數據共分6組，每組數據分別為每種刀具鉆取3個孔數據的平均值。其中，三種刀具入口處的軸向力均為單次鉆孔加工過程入口處的最大軸向力，出口處的軸向力為單層鉆孔加工過程的出口處最大軸向力，扭矩和平均軸向力均為去除入口處和出口處的數據取平穩階段平均值計算得到。③直徑偏差。試驗過程中，鉆取三個孔都進行刀具清洗和SEM圖拍攝，且直徑偏差除了受到刀具堵塞、磨損的影響以外，還受機床工作環境的穩定性和剛性以及機床操作手法等鉆孔條件變化的影響。因此，針對微孔直徑偏差的數據分析，本文將公稱直徑與實測直徑的差值作為每個孔的直徑偏差^［5］。一般高速銑削加工的精度為IT7～IT8，本文試驗選取IT8為合格標準。

4 試驗結果與分析

4.1 鉆削力分析

Kister 9272測力儀測量數據為周向力Fx、Fy，軸向力Fz和扭矩Mz四個量。

1）高頻波形曲線。在表2所示加工條件下，使用平底釬焊銑磨頭對Cf/SiC陶瓷基復合材料板螺旋鉆孔獲得的徑向力分力Fx（圖6a）、徑向力分力Fy（圖6b）、扭矩Mz（圖6c）、軸向力Fn（圖6d）穩定的典型信號。

圖6a～圖6c均呈現平穩的正弦波信號，這是由于“微刃切削”下加工時應力集中較小，鉆削力穩定；圖6d的入口處和出口處均有明顯增大，其原因是入口處刀具進刀速度較小，切削能力較弱，工件受到較大的軸向推力。

2）軸向力比較。圖7為平底電鍍銑磨頭、平底釬焊銑磨頭和取芯釬焊銑磨頭3種刀具的軸向力變化折線圖和扭矩變化折線圖。

本試驗中，平底電鍍銑磨頭加工6個孔達到報廢標準，平底釬焊銑磨頭加工9個孔達到報廢標準，取芯釬焊銑磨頭加工18個孔達到報廢標準。本試驗采用的取芯釬焊銑磨頭使用壽命是平底電鍍銑磨頭的3.6倍，是平底釬焊銑磨頭的2倍。

根據上述試驗數據處理辦法，將各個制孔過程的入口處最大軸向力、出口處最大軸向力、平穩階段軸向力及平穩階段扭矩所獲得的數據分為6組，每組數據分別為每種刀具鉆取3個孔數據的平均值，分別得到圖7a～圖7d。

以圖7所示數據計算分析，入口軸向力均值，取芯釬焊銑磨頭為平底電鍍銑磨頭的81.9%，為平底釬焊銑磨頭的56.5%，其中，平底釬焊銑磨頭是平底電鍍銑磨頭的145.1%；出口軸向力均值，取芯釬焊銑磨頭為平底電鍍銑磨頭的81.2%，為平底釬焊銑磨頭的55.7%，其中，平底釬焊銑磨頭是平底電鍍銑磨頭的145.7%；穩定階段，平均軸向力均值，取芯釬焊銑磨頭為平底電鍍銑磨頭的95.1%，為平底釬焊銑磨頭的56.2%，其中，平底釬焊銑磨頭是平底電鍍銑磨頭的169.2%；穩定階段，扭矩均值，取芯釬焊銑磨頭為平底電鍍銑磨頭的81.7%，為平底釬焊銑磨頭的60.9%，其中，平底釬焊銑磨頭是平底電鍍銑磨頭的134.1%。

由上可知，平底釬焊銑磨頭各處的軸向力和扭矩均有一個明顯高于取芯釬焊銑磨頭的趨勢，其原因是取芯釬焊銑磨頭為端面挖去一個內徑1 mm、深度4 mm的圓孔，接觸工件的表面積僅為平底釬焊刀具的3/4，從而導致軸向力和扭矩均較小。平底電鍍銑磨頭相比平底釬焊銑磨頭表面金剛石排布更為稀疏，接觸工件的表面積相對較小而導致磨削力較小，故其軸向力和扭矩略小。由于表面金剛石排布更為稀疏且把持力不如釬焊金剛石刀具，雖然軸向力和扭矩較小但是金剛石磨粒容易脫落，故平底電鍍銑磨頭加工壽命不及釬焊金剛石銑磨頭。

4.2 孔加工質量分析

1）直徑偏差。Cf/SiC陶瓷基復合材料工件應用過程中，為了連接操作的準確，在公差范圍內獲得孔是必要的。圖8為三種刀具加工微孔的直徑偏差折線圖。

由上述試驗數據處理方法可知，試驗過程中，直徑偏差除了受到刀具堵塞、磨損影響以外，還受機床工作環境的穩定性和剛性以及機床操作手法等外部條件的影響，故以公稱直徑與實測直徑的差值作為每個孔的直徑偏差。

高速數控銑床的加工精度一般為IT7～IT8，本試驗以IT8（18 μm以下）為合格標準，取芯釬焊銑磨頭加工孔合格率達到50%，平底釬焊銑磨頭加工孔合格率為12.5%，平底電鍍銑磨頭加工孔合格率為0，其中，取芯釬焊銑磨頭加工的孔有27.8%達到IT7（12 μm以下），且由圖8可以明顯看出，電鍍銑磨頭鉆孔直徑的偏差值相對于釬焊銑磨頭的偏差值較大，其原因主要為電鍍金剛石顆粒把持力不足，金剛石容易脫落而導致刀具的尺寸持續變化較大。可以看出，取芯釬焊銑磨頭的直徑偏差整體較小，原因是取芯釬焊銑磨頭取芯處能夠容納一部分磨屑并有利于排屑，其磨削力較小且穩定，故直徑偏差較小。

2）微孔加工的缺陷。鉆孔過程中的微孔缺陷以纖維拔出、毛刺、分層等形式為主。碳纖維和碳化硅基體性能的差異，以及纖維交織取向、厚度的差異是造成大多數損傷的主要原因。

使用JSM-IT500LA型鎢燈絲掃描電子顯微鏡拍攝鉆孔加工完成之后的工件形貌，圖9a～圖9c為典型鉆微孔的工件SEM圖，圖9d、圖9e為部分微孔的缺陷現象放大示意圖。電鍍銑磨頭加工的孔相對于釬焊銑磨頭來說撕裂分層現象更為嚴重，其原因是其磨粒分布較稀疏，磨粒持續快速脫落導致加工過程的軸向力較大，纖維被推出。取芯釬焊銑磨頭軸向力最小，故其撕裂缺陷現象較少，微孔缺陷以毛刺為主。

4.3 工具磨損狀態分析

使用JSM-IT500LA型鎢燈絲掃描電子顯微鏡拍攝銑磨頭鉆孔加工過程形貌變化。圖10為平底電鍍銑磨頭、平底釬焊銑磨頭和取芯釬焊銑磨頭未加工之前的端面SEM圖。

平底電鍍金剛石銑磨頭、平底釬焊金剛石銑磨頭、取芯釬焊金剛石銑磨頭每加工三次孔拍攝一次的刀具端面SEM圖見圖11，每組圖片為一種刀具加工開始至刀具報廢的SEM圖。

圖12為三種銑磨頭加工至報廢的側面SEM圖。平底電鍍銑磨頭加工第6個孔的過程中發生火花飛濺現象，致使刀具基體損傷破壞；平底釬焊銑磨頭出現嚴重的熱損傷現象；取芯釬焊銑磨頭加工至端面處金剛石磨粒脫落（加工第18個孔），電子顯微鏡下仍無明顯熱損傷。可能原因是端面取芯結構能夠為磨屑提供一個容屑空間，有助于減少磨屑堵塞問題；加工過程還增加了散熱面積減少刀具熱損傷；本次試驗中取芯釬焊銑磨頭使用壽命是平底電鍍銑磨頭的300%，是平底釬焊銑磨頭的200%。

5 結論

1）加工壽命方面，取芯釬焊銑磨頭使用壽命是平底電鍍銑磨頭的3.6倍，是平底釬焊銑磨頭的2倍，其原因主要與釬焊法制備的小直徑金剛石磨粒工具在磨粒出刃及把持方面優于電鍍法制備的工具有關。

2）鉆削力方面，與其他兩種形式的銑磨頭相比，取芯釬焊銑磨頭在磨削過程中明顯保持較小的軸向力和扭矩。取芯釬焊銑磨頭是切斷式結構，鉆削過程的端面接觸面積小且位于高線速度區，因而表現出穩定且較低的力信號。

3）微孔加工質量方面，以IT8為合格控制標準，取芯釬焊銑磨頭的加工合格率高達50%，是平底釬焊銑磨頭加工合格率的4倍。主要得益于釬焊法制備的金剛石銑磨頭磨粒把持度高，金剛石磨粒不易脫落，銑磨頭直徑尺寸保持較為穩定。此外，取芯釬焊銑磨頭的軸向力和扭矩較小，加工過程穩定，使得孔加工質量更高。

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（編輯 陳 勇）

基金項目：國家自然科學基金（51975221）

作者簡介：

洪猛杰，男，2000年生，碩士研究生。研究方向為智能制造與精密加工。

黃國欽*（通信作者），男，1981年生，教授、博士研究生導師。研究方向為超硬磨料工具、高效精密加工、智能制造與裝備。E-mail：smarthgq@hqu.edu.cn。

本文引用格式：

洪猛杰，陳卓，周嘉怡，等.釬焊金剛石銑磨頭加工Cf/SiC復合材料微孔的試驗研究［J］. 中國機械工程，2025，36（3）：391-397.

HONG Mengjie， CHEN Zhuo， ZHOU Jiayi， et al. Experimental study on Machining Micro Holes in Cf/SiC Composite Materials Using Brazed Diamond Milling Head［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（3）：391-397.