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PCD刀具几何参数对Cf/SiC复合材料铣削质量的影响

发布者: 顺畅 | 发布时间: 2021-2-23 07:43| 查看数: 43| 评论数: 0|帖子模式

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引文格式:

陈杰,安庆龙,明伟伟,陈明.PCD刀具几何参数对Cf/SiC复合材料铣削质量的影响[J].工具技术,2020,54(10):3-8.
Chen Jie,An Qinglong,Ming Weiwei,Chen Ming.Milling quality assessment in milling 2D Cf/SiC composites by PCD tools with different geometric parameters[J].Tool Engineering,2020,54(10):3-8.

1 引言

陶瓷基复合材料(CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料而增强、增韧的多相材料。碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、低密度、抗腐蚀和耐高温等性能而适用于高温等恶劣工作环境中,但与金属材料相比,碳化硅的韧性较差。碳纤维比强度高,比模量大,作为碳化硅基体的增强相,可有效增强材料的韧性,拓宽应用领域。在航空发动机领域,将Cf/SiC复合材料应用于制造燃烧室、密封片、导向叶片和喷嘴等高温件。在能源领域,Cf/SiC复合材料有望成为未来燃气轮机燃烧室的主要材料,可提高耐高温能力、减少污染物排放和改善燃烧室出口温度等。此外,Cf/SiC复合材料还应用于高档轿车、高速列车和飞机的刹车片中 。

Cf/SiC复合材料零件在材料制备成型后,需进行二次加工得到装配结构(如孔、槽)或其它功能性结构。加工质量极大地影响了零件的力学性能和使用寿命,随着Cf/SiC复合材料越来越广泛地应用于精密构件,对加工质量和加工精度的要求也日益严苛。Cf/SiC复合材料为典型的各向异性材料,在机械加工过程中极易产生毛刺、撕裂、分层和崩边等缺陷。

目前,Cf/SiC复合材料主要以磨削加工为主,还有部分采用激光加工等特殊加工方式。Zhang L.等针对单向CVI-Cf/SiC复合材料的三个典型纤维取向进行了磨削试验,提出了脆性断裂为Cf/SiC复合材料磨削的主要去除机制,复合材料的主要破坏形式为基体开裂、纤维断裂和界面脱粘的综合作用;Zhang C.等根据脆性断裂理论,针对Cf/SiC复合材料提出了一种切削力模型,用于旋转超声面铣(RUFM)过程;Wang J.等在考虑纤维取向的Cf/SiC复合材料中,研究了刀具振动对表面形貌的影响。结果表明,纤维方向角和切削速度都显著影响了旋转超声加工过程和Cf/SiC复合材料的表面形貌;Wang Y.等阐述了超声振动挫削(UVF)的概念,并首次将其应用于Cf/SiC复合材料中。在深腔零件加工过程中,UVF可有效降低表面粗糙度,且设计的锉刀可应对不同的内腔形状;Zhang R.等探讨了不同参数对高功率皮秒激光钻微孔的影响和碎片形成的物理过程。

由于碳化硅基体硬度高,材料去除过程中产生的粉末状碳纤维切屑和碳化硅切屑会引起刀具严重磨损。因此,Cf/SiC复合材料机械加工常采用金刚石磨粒刀具或砂轮。另外,聚晶金刚石(PCD)具有强度高、摩擦系数低和耐磨损等优点,适用于加工高强度材料和碳纤维复合材料。

与金刚石磨粒刀具相比,PCD刀具加工精度和材料去除率更高。对于碳纤维复合材料,使用PCD刀具可减少刀具磨损并提高表面质量。Kim D.等采用碳化钨和PCD麻花钻对CFRP/Ti复合材料进行了钻孔试验,通过对比表面质量、加工精度和缺陷,认为PCD刀具更合适。Xiang J.等重点研究了用PCD刀具高速铣削SiCp/Al6063复合材料,探讨了刀尖半径、金刚石平均粒径和加工参数对刀具寿命的影响。对于Cf/SiC复合材料,Rozzi J.C.等将PCD刀具与激光辅助加工(LAM)相结合用于Cf/SiC复合材料的铣削加工,并验证了其可行性。Hu M.等验证了PCD刀具铣削Cf/SiC复合材料的可行性,并研究了铣削参数对加工质量的影响规律。Chen J.等验证了PCD钻头钻削Cf/SiC复合材料的可行性,并分析了加工参数变化引起材料去除机理转变的规律及其对已加工表面质量的影响规律。

目前,Cf/SiC复合材料大多使用金刚石磨粒进行磨削,加工效率较低,成本较高。为开发出适合Cf/SiC复合材料槽铣加工的PCD刀具,本文采用化学气相渗透制得的二维碳纤维增强陶瓷基复合材料,利用PCD刀具进行槽铣试验。共设计了不同前角、后角、钝圆半径的12把PCD铣刀,分析了不同刀具几何参数对铣削力、表面粗糙度、槽崩边缺陷的影响规律。根据加工质量选择最优的2D Cf/SiC复合材料铣削的PCD刀具几何参数。

2 试验方案与设计

试验工件材料采用二维陶瓷基纤维增强复合材料(2D Cf/SiC),板材尺寸为200mm×180mm×6mm。2D Cf/SiC复合材料的纤维增强相含量42%~47%,密度2.1~2.2g/cm3,其材料力学性能见表1。2D Cf/SiC复合材料的增强相为T300(6K)碳纤维,直径5~7mm。纺锤形的碳纤维束采用二维编织(见图1b),纺锤形碳纤维束的截面厚度0.15mm,宽度1mm。2D Cf/SiC复合材料的基体为碳化硅陶瓷,成型工艺为化学气相渗透(CVI),制备的化学式为CH3SiCl3(g)+H2(g)→SiC(s)+3HCl(g)+H2(g),碳化硅沉积在碳纤维表面,形成陶瓷基纤维增强复合材料。

表1 2D Cf/SiC复合材料主要力学性能

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在HURCO VMX42五轴数控加工中心上进行铣削试验(见图1)。工件通过夹具安装在KISTLER9272四向压电式测力仪上,在铣削过程中实时采集铣削力信号,采集频率为1kHz。

图1 试验设置说明

采用槽铣加工方式,根据铣削参数优化的结果确定切削速度80 m/min,每齿进给量0.01 mm/z,轴向切削深度0.6 mm,铣削长25mm。使用自主设计的12把两刃PCD铣刀,刀具直径6mm。共12组全因子试验,其中前角有3个水平:0°,3°,6°;后角有2个水平:10°和20°;钝圆半径有2个水平:10μm和20μm,每把刀具的具体参数见表2。图2为直槽刃铣刀设计图纸。

表2 刀具几何参数设计

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图2 直槽刃PCD铣刀设计图纸

3 结果与分析

3.1 刀具几何参数对切削力的影响

由于铣削过程中刀刃与纤维方向夹角不断变化,因此铣削分力Fx、Fy、Fz呈周期性波动。铣削力的波动以一个刀刃从切入到切出为一个周期,根据切削速度和刀具直径可计算得到其周期约为0.007s。为更合理地描述切削力,以Fz的绝对值作为轴向力,以

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作为铣削平面内的铣削力。取稳定阶段的切削力的平均值作为该组试验的特征力(见图3)。

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图3 前角0°,后角10°,钝圆半径20μm(0-10-20)的PCD铣刀的切削力

图4为PCD铣刀几何参数对铣削力的影响。随着PCD铣刀的前角由0°增至6°,铣削力呈先减小后增大的趋势。铣削力随着后角的增大而减小,随着钝圆半径的增大而增大,但钝圆半径对铣削力的影响不明显。

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图4 PCD铣刀几何参数对铣削力Fxy的影响

图5为PCD铣刀几何参数对轴向力的影响。随着PCD铣刀的前角逐渐增大,轴向力逐渐增大。轴向力随后角增大而减小,但变化不明显;轴向力随钝圆半径增大而增大,钝圆半径对轴向力的影响较显著。

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图5 PCD铣刀几何参数对轴向力Fz的影响

3.2 已加工表面粗糙度

2D Cf/SiC复合材料的碳纤维增强相由纺锤形的碳纤维束编织而成,因此纤维束间存在较大间隙。使用CVI沉积碳化硅基体时,会在纤维束之间产生孔隙,这些原生缺陷影响了已加工表面粗糙度的测量精度。因此,在使用ZYGO干涉仪观察槽底已加工表面形貌和测量粗糙度时,选择在一个纤维束内测量(840μm×840μm)。每组试验随机选择3个测量区域,取测量结果的平均值作为该组试验对应的槽底表面粗糙度。

由图6所示,PCD刀具几何参数变化对槽底面粗糙度影响较小,且粗糙度较小,加工质量较好。随着前角由0°增至6°,粗糙度先减小后增大。当前角为3°时,铣削力Fxy较小,在切削过程中可避免纤维拔出而导致已加工表面产生小凹坑。随着后角增大,粗糙度减小。由于Cf/SiC复合材料含有大量的碳纤维增强相,因此切削时已加工表面回弹现象明显。当刀具后角较小时,后刀面与已加工表面产生较大的挤压和摩擦,对已加工表面造成二次损伤,导致粗糙度较大。随着钝圆半径增大,粗糙度减小。

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图6 PCD铣刀几何参数对槽底面粗糙度的影响

图7为三组试验的槽底面的表面微观形貌。3°-20°-20μm的PCD刀具铣削的槽底面较平整,纤维断口较整齐,因纤维拔出而产生的凹坑较少(见图7a)。当后角为10°,钝圆半径为10μm时,槽底面凹坑数目较多且纤维回弹明显(见图7b和图7c)。切削过程中,由于纺锤形碳纤维束中间区域的碳纤维两端都被切除,留下的小段碳纤维与碳化硅基体的粘结强度较小。当后角较小时,后刀面与已加工表面挤压摩擦增大,容易造成纤维剥离碳化硅基体而产生较大的凹坑(见图7b)。纺锤形碳纤维束两侧碳纤维发生挤压断裂,且纤维与碳化硅基体部分剥离。当后角为10°、钝圆半径为10μm时,碳纤维断口部分回弹较大,表面质量下降。

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图7 槽底面表面微观形貌

3.3 加工缺陷

PCD刀具槽铣2D Cf/SiC复合材料时,轴向力Fz发生大幅度的周期性波动,引起槽的上表面发生微崩边(见图8)。PCD铣刀铣削过程中,槽侧壁的纤维在铣削平面内发生剪切、挤压、弯曲断裂而被去除。但是在侧壁上表面,由于纤维受到较大的轴向力,且表层的碳化硅基体强度不足,纤维发生轴向弯曲断裂,并造成表层的碳化硅基体崩碎。本试验微崩边并不连续,且其宽度在数十至数百微米之间。测量每组试验中两条直槽边上所有微崩边的宽度,求取平均值dw作为直槽边加工质量的表征参数。

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图8 微崩边的微观形貌(第二组试验)

图9为不同刀具几何参数对微崩边缺陷的影响,随着前角增大,崩边平均宽度逐渐减小。由于前角增大,刀具去除纤维时更加锋利,可有效减少碳纤维发生弯曲断裂,因此碳纤维对表层碳化硅的作用力较小,产生崩边数目较少,宽度较小。随着后角增大,崩边平均宽度逐渐减小;后角较小时,后刀面与已加工表面之间的摩擦与挤压明显增强,导致轴向力增大;加剧表层纤维轴向弯曲,产生崩边;随着钝圆半径增大,崩边平均宽度逐渐增大;钝圆半径较大时,刀具不够锋利,纤维更多以挤压断裂和弯曲断裂的方式去除,加大轴向力,加剧崩边。

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图9 槽底面表面微观形貌

槽铣时,侧壁缺陷除崩边外还产生毛刺。采用PCD刀具铣削2D Cf/SiC复合材料时,选用本文的铣削参数,仅四组参数铣出的直槽具有毛刺。对各直槽的毛刺进行测量统计可知(其宽度见表3),前角为0°时,易产生毛刺。图10为直槽侧壁的毛刺形貌。当前角为0°,钝圆半径为20μm时,刀具相对较钝,若此时纤维方向角与切削速度方向接近180°,易产生毛刺。

表3 直槽侧壁毛刺宽度

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图10 毛刺的微观形貌(第四组试验)

4 结语

本文选用不同几何参数的PCD铣刀铣削2D Cf/SiC复合材料,分析了刀具几何参数对槽铣加工质量的影响规律,验证了PCD铣刀铣削2D Cf/SiC复合材料的可行性。得出以下结论:

(1)随着前角和钝圆半径增大,铣削力和轴向力增大,但前角为3°时,铣削力较小;随着后角增大,铣削力和轴向力减小。铣削力的显著影响因子为前角,轴向力的显著影响因子为钝圆半径,铣削力和轴向力对加工表面质量影响较大。

(2)随着前角增大,槽底表面粗糙度先减小后增大,前角为3°时,槽底表面粗糙度最小;随着后角和钝圆半径增大,槽底表面粗糙度减小;纤维拔出、纤维剥落和纤维回弹等都会降低槽底的表面粗糙度。

(3)随着前角和后角增大,直槽边微崩边平均宽度dw减小;随着钝圆半径增大,dw增大。由于表层碳纤维发生轴向弯曲断裂,造成碳纤维基体发生崩碎。当前角为0°时,易产生毛刺,且一般发生在纤维方向角和切削方向接近180°的区域。

综上分析,当PCD刀具前角为3°,后角为20°,刃口钝圆半径为10μm时,槽铣加工质量最优。

⊙文章版权归《工具技术》所有


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