2D C/C-SiC 复合材料钻削加工试验研究

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(1.福建工程学院 材料科学与工程学院，福建 福州 350118；2. 华侨大学 制造工程研究院，福建 厦门 361021)

2D C/C-SiC复合材料是一种新型的耐高温结构材料和功能材料[1-4]，大量应用于航空航天城的光机械结构系统和车辆的制动设备等领域[5-7]。它以碳、碳化硅为基体，碳纤维为增强材料，其碳纤维有效地改善了陶瓷基体(SiC)的脆性断裂形态，抑制了裂纹在陶瓷基体中的传播和扩展，从而大大提高了材料的整体韧性。2D C/C-SiC复合材料通常是采用近净成型法制备，但有时因尺寸或装配要求，还需要进行二次加工。常用的加工方法主要是磨削和钻孔。但因2D C/C-SiC复合材料具有各向异性的特点，在钻孔过程中容易产生毛刺、分层和撕裂等缺陷，影响孔的质量。因此，切削过程的分层和撕裂是碳纤维复合材料钻削加工面临的主要问题。

目前国内外对碳纤维增强树脂基的复合材料研究比较多，有关2D C/C-SiC复合材料二次加工方面的研究还比较少，特别是加工工艺方面的研究尚处于起步阶段，大部分都是采用一些特种加工方法及特质的加工工具来进行研究。国内冯平法[8]等人研究了C/SiC复合材料旋转超声加工中钻削撕裂缺陷，试验发现撕裂缺陷与钻削轴向力具有正相关关系。张国栋、邓建新[9-10]等人采用金刚石套料钻对单向编织的C/C-SiC复合材料的钻削加工进行了研究，试验证明采用支撑石墨板钻孔比无支撑石墨板更能够提高钻孔的表面完整性，轴向力随着切削速度的降低和进给速度的增加而增加；通过提高主轴转速和降低进给速度可以减少分层因素、提高钻孔质量。本试验在前人研究的基础上，采用硬质合金麻花钻这种传统的加工工具研究二维编织的C/C-SiC复合材料在不同参数条件下的钻削试验，研究钻削参数对孔加工质量的影响，对这种材料的实际钻削加工及加工机理研究方面具有一定的指导意义。

1 试验条件

1.1 试验材料

试验所用的材料为二维正交编织结构的C/C-SiC复合材料，结构如图1所示。碳纤维在0°和90°方向交织和重叠。材料的主要成分是碳纤维、碳化硅基体和热解碳(PhC)界面。受制备工艺的影响，纤维与纤维或纤维与基体之间会产生空隙。试验前，采用电镀金刚石锯片将碳纤维复合材料板切割成长度为100 mm× 100 mm的正方形。

图1 2D C/C-SiC复合材料SEM形貌图Fig.1 SEM micrographs of the 2D C/C-SiC composites

图2 2D C/C-SiC复合材料结构示意图Fig.2 Structural diagram of the 2D C/C-SiC composites

1.2 试验设备

试验过程均采用干式钻削。钻削试验是在立式加工中心(型号为德国生产的哈斯OM2)上进行。机床主要技术参数为：主轴最高转速30000 r/min，最高进给速度19.2 m/min。工作台尺寸为508 mm×254 mm，X、Y、Z向的行程分别为203、254、305 mm。试验装置及试验测试系统原理图如图3和图4所示。该机床在钻孔过程中，必须设置有专用的夹具和测力仪。其中，测力仪的中心是空的。在进给过程中将钻头的轴向与测力仪中心对准，以确保钻削力和力矩数据测定的准确性。在工件的上方设有压块以便于装夹。试验中钻削力及力矩大小均为重复测量三次取平均值获得。

图3 钻孔试验装置Fig.3 Testing device for drilling

图4 试验测试系统原理Fig.4 Principle of test system

1.3 试验刀具及参数

试验所用的硬质合金麻花钻刀具直径为6mm，材料为YG6X硬质合金。麻花钻结构如图5所示。

图5 硬质合金麻花钻结构图Fig.5 Structure diagramof cemented carbide twist drill

根据前期学者对钻削碳纤维复合材料的研究得知，在钻削过程中，主轴转速n和切削进给速度f是影响钻削轴向力和扭矩的重要参数，而且进给量的影响作用远超过主轴转速[11]。所以，试验中设定参数时，对主轴转速的设定值浮动量较大，进给量浮动较小，以期更有效反映主轴转速和进给量对钻削力的影响作用。试验参数见表1所示。

表1 试验参数表

2 结果与分析

2.1 钻削力和力矩分析

图6是利用测力仪测得的钻削轴向力和力矩在一个钻孔周期内的变化曲线。在钻削过程中，轴向力和扭矩是反映钻削过程稳定性的重要标志，对最终形成的钻孔形状和孔壁表面加工质量具有重要影响，因此对这两个指标进行综合分析是必要的。

图6 钻削过程中轴向钻削力和力矩变化曲线Fig.6 Variation curves of axial drilling force and torque in the drilling process

从图6可以看出，钻头从最初接触到工件并开始逐渐切入时，钻削轴向力和力矩开始增加。当进入材料内部切削并进入稳定钻削状态的时候，轴向力达到最大值。由于材料试样厚度较薄，最大轴向力和扭矩持续时间较短。当钻头接触到材料底部并从材料底部钻出时，轴向力和扭矩迅速降低为零。在整个钻削过程中，轴向力和扭矩分别经历了图中所示的A-B、B-C、C-D 3个阶段。如图6所示，4个轴向力突变点分别对应如图7 所示的(a) (b) (c) (d) 钻头工作时的4个典型阶段，综合这几个阶段可以比较清楚地了解钻孔过程中的力学变化规律。

图7 轴向力变化与钻头位置的关系Fig.7 Relationship between the change of axial force and bit position

A—B阶段：钻头上的横刃开始接触到2D C/C-SiC材料，直到主切削刃全部参与切削。

B—C阶段：全部切削刃参与材料去除。在进给方向上，切削方向与碳纤维轴向夹角周期变化，轴向力最大值波动较小，显示为平稳切削。即将穿透时，横刃到达孔底，待切削层变薄，轴向力迅速下降。

C—D阶段：此时刀具抵达孔的底部，主切削刃全部伸出孔外。同样地，由于碳纤维材料的高强度特性，以及2D C/C-SiC复合材料层间的相互结合强度较低的特点，材料在C点处受到向下方向的挤压作用逐渐被撕裂。随着刀具的进给，底部的碳纤维材料在主切削刃的切断、挤压作用下，在孔出口侧出现材料分层、层间撕裂、表面毛边等状态。刀具切出后，切削接触面积逐渐减小。当完全钻出这种复合材料的最底层时，轴向力和力矩均降至零。

图8 钻削力和力矩变化曲线Fig.8 Variation curves for drilling force and drilling torque

图8显示了硬质合金麻花钻头钻削2D C/C-SiC复合材料时，钻削力和力矩与进给速度和主轴转速的关系。从图8可以看出，当钻头转速一定时，钻削力和力矩随着进给速度f的增加相应增大。其主要原因是随着进给速度的增加，每转纵向切削深度相应增加，从而使得钻削轴向力必然增加。在进给速度f一定时，钻削力和力矩随着转速n的增加略有下降。其主要原因是随着转速的增加，每转切削厚度减小，使得钻头后刀面的摩擦力减小，导致钻削轴向力和力矩变小。

2.2 工艺参数对孔进出口形貌的影响

在钻削加工碳纤维复合材料时，孔的进出口是最容易产生加工缺陷的部位。缺陷主要有崩边、毛刺和撕裂等。

2.2.1 孔进出口缺陷产生的原因

图9显示了孔的进口和出口形状。从图9可以看出，在孔的进口边缘处光滑平整，几乎没有缺陷产生。然而，孔的出口处具有明显的被刀具啃边造成的撕裂和边缘塌陷的缺陷。这主要是由于若保持大的钻削力不减，钻头上的切削刃在接触到复合材料底部时，底层材料在大的钻削力的推挤下抵抗能力降低造成碳纤维的撕扯，从而出现撕裂和毛刺。

图9 孔进出口侧形貌 (n = 5 000 r/min, f = 20 mm/min)Fig.9 Morphology of hole entrance and exit (n= 5 000 r/min, f= 20 mm/min)

通过对孔入口、出口以及孔壁表面质量的观测，材料在钻削加工时由于自身的特点、纤维自身的强度以及与纤维层之间的结合强度的相同，在纤维与切削刃角度不同时，均表现出不同的性能。从而导致孔成型后在入口和出口处存在撕裂、毛刺等缺陷，在孔壁上存在纤维拔出、微裂纹等缺陷，在接近出口处可能存在分层缺陷，如图10所示。碳纤维复合材料的孔壁表面微观形态和出入口加工缺陷是孔加工质量的重要特征之一，碳纤维与基体材料间的性质差异相差较大，在外力下发生破损的机理不一样，因而碳纤维复合材料孔壁表面比较粗糙，难以形成像金属切削情况下产生的光滑表面。

图10 孔壁形貌图 (n=3 000 r/min, f=20 mm/min)Fig.10 Morphology of hole wall (n=3 000 r/min, f=20 mm/min)

2.2.2 孔的表面质量与钻削参数的关系

图11、图12为不同工艺参数下在超景深显微镜下观察到孔的进出口形貌。在相同的工艺参数下，孔的进出口形貌也不相同。孔进口处加工质量较好，碳纤维出现撕裂和毛刺比较少。但在出口处，均出现了不同程度的碳纤维和基体的撕裂以及碳纤维毛刺，撕裂的方向与钻头旋转方向一致。在相同的钻削参数下，孔进口侧表面质量明显比出口侧表面质量好。这主要与纤维的去除机制有关。在孔的进口侧，碳纤维的去除方式主要是剥离，在出口侧则是以推出的方式去除为主。由于刀具对碳纤维的推出导致的分层程度比剥离时要更加严重，从而出现宏观形貌较粗糙。

从图11、图12可以看出，工艺参数对孔的进出口形貌具有一定的影响。孔的进出口形貌在不同工艺参数下呈现出不同的撕裂程度。在较高的主轴转速和较低的进给速度下，孔的进出口侧表面损伤较低，孔表面质量较好。随着主轴转速的提高，孔的出口处撕裂和毛刺缺陷相应减少。原因在于钻削力的变化情况，随着转速的提高，钻削力下降，钻头在出口处作用力降低，撕裂和分层缺陷相应减少。

图11 孔进口处表面形貌 Fig.11 Surface morphology at the entrance of hole

图12 孔出口处表面形貌 Fig.12 Surface morphology at the exit of hole

当钻头上钻唇起初接触到工件时，切削力沿圆周方向逐渐产生作用，不断对碳纤维进行剥离，使得在孔入口处产生材料脱落。当钻头接近出口时，由于未加工层厚度变小，变形抗力大幅下降，已经不足以承受材料的不断挤出，使得出口处的损伤比孔入口处要严重得多。

3 结语

通过对二维编织的碳纤维增强陶瓷基复合材料钻削力和力矩的测定和分析，研究孔出入口表面形貌，得出如下结论，为实际生产提供一定的指导意义。

1)钻削2DC/C-SiC复合材料时，钻削参数对钻削力和力矩大小有一定的影响。进给速度一定时，钻头转速的增加使得钻削力和力矩略有降低。

2)孔的进出口表面质量受工艺参数的影响较大。提高转速和降低进给速度可以在一定程度上提高孔加工质量，通常进口孔质量优于出口孔质量。