聚晶金剛石刀具低溫冷卻銑削Cf/SiC磨損機理

王 凱, 徐 亮， 王新永， 嚴偉容， 王 松， 房金銘，焦星劍， 李軍平， 趙國龍， 張健強

(1.航天材料及工藝研究所先進功能復合材料技術重點實驗室, 北京 100076； 2.南京航空航天大學機電學院， 南京 210016)

Cf/SiC是連續碳纖維增韌碳化硅基體的一種陶瓷基復合材料。碳纖維顯著改善了碳化硅陶瓷基體的脆性斷裂狀態，有效地提高了碳化硅陶瓷基體的韌性。Cf/SiC陶瓷基復合材料具有低密度、高比強度、高比模量以及優異的抗燒蝕和耐磨損性能，廣泛應用于航天、航空和船舶等領域[1]，但由于Cf/SiC陶瓷基復合材料具有顯著的高硬脆性、高耐磨性、各向異性、非均質性以及苛刻的冷卻條件，使其在加工過程中刀具磨損嚴重、壽命短。

國內外學者對Cf/SiC陶瓷基復合材料的切削加工進行了大量的研究。劉瓊等[2]采用樹脂結合劑金剛石砂輪對二維正交編制結構Cf/SiC陶瓷基復合材料進行了平面磨削試驗，研究發現磨削參數對加工表面三維粗糙度(Sa)影響顯著，其中Sa隨磨削深度及工件進給率的增加而增大，隨切削速度的增加而降低。鄭景珍等[3]采用電鍍金剛石銑磨頭對Cf/SiC陶瓷基復合材料進行旋轉超聲振動銑磨加工試驗研究，研究表明旋轉超聲振動銑磨加工可顯著降低切削力。何濤等[4]、陳玉榮等[5]采用聚晶金剛石(PCD)刀具對Cf/SiC陶瓷基復合材料的銑削加工進行了試驗研究，結果表明Cf/SiC陶瓷基復合材料以脆性斷裂的方式去除，加工表面存在纖維層狀脆斷、拔出和纖維束斷裂等現象，提高切削速度能顯著改善加工表面質量，增大切削深度使加工表面質量降低，而每齒進給量對加工表面質量影響較小。Tashiro等[6]采用三種不同類型的刀具對Cf/C-SiC復合材料進行了銑削加工，研究表明硬質合金刀具和類金剛石(DLC)涂層刀具磨損嚴重，而PCD刀具磨損程度較輕，適用于加工Cf/C-SiC復合材料。Weinert等[7]和Biermann等[8]分別采用PCD麻花鉆、電鍍金剛石套料鉆和燒結金剛石套料鉆對Cf/SiC復合材料進行了鉆削加工實驗，研究表明PCD麻花鉆在加工初期就出現了嚴重的磨損，電鍍金剛石套料鉆出現了明顯的徑向磨損，而電鍍金剛石套料鉆因磨粒脫落而壽命最短。

盡管學者們對Cf/SiC陶瓷基復合材料的切削加工進行了大量的研究，但多數集中在干式切削條件下PCD刀具對切削特性(切削力/熱及加工表面質量等)的研究，而對PCD刀具切削Cf/SiC陶瓷基復合材料時的磨損機理研究較少，對經低溫冷卻后的PCD刀具磨損機理的研究更是少之又少?；诖?，現主要對PCD刀具低溫銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料時的磨損機理開展研究，探究PCD刀具切削Cf/SiC陶瓷基復合材料時磨損快、刀具壽命短等問題的機理，為PCD刀具切削Cf/SiC陶瓷基復合材料工程實際提供指導。

1 試驗設計

選用一塊狀Cf/SiC陶瓷基復合材料(尺寸為80 mm×20 mm×20 mm)作為加工試驗件，加工刀具選用PCD雙刃銑刀(尺寸為Φ10 mm×100 mm×20 mm，如圖1所示)，將刀具裝夾于一臺高速五軸立式加工中心(型號：MIKRON-UCP710，如圖2所示)，對Cf/SiC陶瓷基復合材料進行順銑面銑加工。

圖1 試驗用PCD雙刃銑刀Fig.1 PCD two-flutes end mills used in this work

圖2 MIKRON-UCP710高速五軸立式加工中心Fig.2 MIKRON-UCP710 high speed five-axes machining center

在PCD刀具銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料過程中，基于低溫冷卻噴射技術，將低溫液氮作為冷卻介質對切削過程進行冷卻，低溫液氮冷卻系統原理如圖3所示，通過調節低溫液氮冷卻系統的閥體出口壓力P及末端噴嘴噴射角度φ(噴嘴軸線與刀軸軸線間的夾角)來實時控制冷卻系統的冷卻能力。設計低溫冷卻銑削試驗，如表1所示，每增加一定值的切削長度，測量并統計PCD刀具的后刀面平均磨損寬度(VB)；同時，利用壓電式三向動態測力儀測量不同切削長度(L)所對應的主切削力，采用人工熱電偶法測量切削區的切削溫度。作為對比，對Cf/SiC陶瓷基復合材料進行干式銑削試驗，同樣的方法測得不同切削長度(L)所對應的刀具后刀面平均磨損寬度(VB)、主切削力以及切削溫度。

圖3 低溫液氮冷卻系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of cryogenic liquid nitrogen cooling system

表1 PCD刀具低溫銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料試驗參數Table 1 Milling parameters of cryogenic cooling milling of Cf/SiC composite by PCD tools

采用電荷耦合器件(CCD)數字攝像頭顯微鏡和數碼照相系統(如圖4所示)對PCD刀具后刀面和前刀面磨損形貌進行觀測，并采用圖像分析軟件ImageView對后刀面平均磨損寬度(VB)進行測量，記錄不同切削長度(L)所對應的VB值，直至VB達到刀具磨鈍標準0.3 mm為止。

圖4 UCMOS10000KPA 數字攝像頭顯微鏡Fig.4 UCMOS10000KPA digital camera microscope

2 數據處理與分析

2.1 低溫切削中刀具的磨損形貌及磨損機理研究

2.1.1 后刀面磨損

圖5所示為PCD刀具低溫冷卻銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料時不同銑削長度(L)對應的后刀面磨損形貌，由此可知，隨著銑削長度(L)的增加，刀具后刀面出現了均勻連續的磨損帶，且越靠近切削刃處，磨損量越大。

圖5 低溫冷卻輔助銑削時在不同銑削長度下PCD銑刀后刀面的刀具磨損形貌Fig.5 Morphologies of the PCD end mills flank face wear at the different length under cryogenic cooling assisted milling conditions

圖6所示為PCD刀具后刀面磨損寬度值(VB)和主切削力(FX)隨銑削長度(L)的增加而變化的曲線直方圖，由此可知，VB值和FX均隨銑削長度(L)的增加而增大，且變化規律如下。

圖6 低溫冷卻輔助銑削下的PCD刀具的VB值及FX隨L的變化曲線/直方圖Fig.6 Varied curves/histogram of the VB values and FX of the PCD tool with changing L under cryogenic cooling assisted milling conditions

(1)VB值經歷了急劇增加和平緩增加兩個階段，直至達到磨鈍標準，這是因為新刀具表面局部不可避免地存在微小的缺陷，加之切削刃表面粗糙度大，刀具在銑削初期會迅速磨損，VB值迅速增加，該階段稱之為刀具的初期磨損階段，隨后，VB值平緩增加，刀具進入穩定磨損階段。

(2)FX增加是因為后刀面不斷磨損，切削刃區域逐漸形成后角α0=0的后刀面平臺，平臺狀的后刀面過渡磨損區使得PCD刀具對工件的擠壓更加嚴重，后刀面與工件接觸長度增加，導致FX隨銑削長度L的增加而增加。

2.1.2 前刀面磨損

圖7所示為PCD刀具低溫冷卻銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料時不同銑削長度L所對應的前刀面磨損形貌，由此可知，前刀面的磨損主要集中于切削刃和刀尖處；與切削普通塑性金屬材料不同，PCD刀具前刀面并沒有出現明顯的月牙洼磨損，這是由于Cf/SiC陶瓷基復合材料塑性較差，切削時PCD刀具與工件材料的接觸長度較小，刀尖及刀尖處切削刃承受的壓力極大，加之切削刃局部及刀尖處不可避免地存在微小缺陷，致使在刀尖和切削刃處出現較大的應力集中，造成刀具切削刃崩潰及刀尖處崩刃，因此PCD刀具前刀面的磨損主要集中在刀尖及靠近刀尖附近的切削刃處，且以切削刃和刀尖的微崩為主要形式。

圖7 低溫冷卻輔助銑削時PCD刀具前刀面在不同銑削長度下的磨損形貌Fig.7 Wear morphologies of the PCD tools rake face at the different length under cryogenic cooling assisted milling conditions

由人工熱電偶法測得低溫冷卻切削區的切削溫度為286.47 ℃，顯著低于PCD刀具的氧化溫度(600 ℃)[9-10]，表明在低溫冷卻輔助切削條件下PCD刀具不會因氧化磨損而失效；另外，液氮冷卻輔助銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料時，雖然PCD刀具的硬度高于Cf/SiC復合材料基體的硬度，但是工件材料中存在著大量的SiC硬質顆粒和碳纖維，而且加工過程中也有部分松動脫落的金剛石顆?；烊肭邢鲄^域，這些硬質點和碳纖維不斷與PCD刀具發生高頻刻劃和劇烈摩擦沖擊，使刀具不斷受到磨損，因此，PCD刀具以磨粒磨損為主要磨損機理。

2.2 干式銑削時PCD刀具的磨損形貌及磨損機理研究

2.2.1 后刀面磨損

圖8所示為PCD刀具干式銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料時不同銑削長度所對應的后刀面磨損形貌，由此可知，刀具后刀面同樣出現了連續均勻的磨損帶，且越靠近切削刃處，磨損量越大。

圖8 干式銑削時PCD刀具在不同銑削長度時的后刀面磨損形貌Fig.8 Wear morphologies of the PCD tools flank face at the different length under dry milling conditions

圖9所示為干式銑削條件下PCD刀具的VB值和FX隨切削長度(L)的增加而變化的曲線直方圖，由此可知，VB值和FX均隨切削長度(L)的增加而逐步增大，且VB值經歷了初期急劇增加和平緩增加兩個階段，直至達到磨鈍標準；FX的值隨VB值的升高而逐漸升高，表明刀具時刻處于磨損狀態，且L越大，磨損量VB值越大。

圖9 干式銑削時PCD刀具后刀面磨損量VB及FX隨銑削長度L的變化曲線直方圖Fig.9 Varied curves/histogram of the VB values and FX of the PCD tool with changing L under dry milling conditions

2.2.2 前刀面磨損

圖10所示為PCD刀具干式銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料時前刀面在不同切削長度(L)下的磨損形貌，由此可知，前刀面磨損主要集中于刀尖及靠近刀尖附近的切削刃處，且出現如下情況。

(1)在磨損初期，盡管切削力和切削溫度較低，但新刀不可避免地存在微小缺陷，刀具發生急劇磨損，切削力和切削溫度隨之急劇增加。

圖10 干式銑削時PCD刀具前刀面在不同銑削長度時的磨損形貌Fig.10 Wear morphologies of the PCD tools rake face at the different length under dry milling conditions

(2)在磨損中期，由于Cf/SiC陶瓷基復合材料塑性差，PCD刀具與工件材料接觸長度較小，刀尖及其附近切削刃處所受壓力較大，致使刀尖出現微崩刃、切削刃出現崩潰。

(3)在磨損后期，隨著機械應力及熱應力對刀尖及其附近切削刃的持續作用，刀尖及其附近的切削刃處的崩碎現象更加嚴重。

通過人工熱電偶法測得的干式切削條件下切削區溫度為732.21 ℃，超過了PCD刀具的氧化溫度，進而導致PCD刀具因局部發生氧化磨損而失效；另外，斷裂的碳纖維、SiC陶瓷基體及其他硬質點顆粒不斷與PCD刀具后刀面發生高頻刻劃和劇烈摩擦，致使刀具因磨粒磨損而失效。

2.3 低溫切削中刀具切削壽命可靠性分析

對比PCD刀具在液氮冷卻銑削和干式銑削時的切削壽命，由圖6可知，在液氮冷卻銑削時，當銑削長度L≈4 000 mm時達到磨鈍標準；由圖 9可知，在干式銑削條件下，當銑削長度L≈2 000 mm時達到磨鈍標準，刀具壽命提高約100%。

3 結論

(1) 在低溫液氮冷卻條件下，PCD刀具以磨粒磨損為主要磨損機理，其中后刀面出現均勻的磨損帶，而前刀面以刀尖及其附近切削刃的微崩刃為主要磨損形式。

(2) 在干式銑削條件下，PCD刀具以局部氧化磨損和磨粒磨損為主要磨損機理，其中后刀面出現了較寬的均勻磨損帶，而前刀面刀尖及其附近的切削刃處出現了較為嚴重的崩刃現象。

(3) 與干式銑削條件相比，低溫冷卻銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料時PCD刀具后刀面磨損帶寬度較小，刀尖及其附近的切削刃微崩刃現象較輕。

(4) 與干式銑削條件相比，PCD刀具低溫銑削Cf/SiC陶瓷基復合材料時的壽命提高約100%。