C/SiC复合材料钻削工具磨损试验
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为了确定合适的C/SiC复合材料钻削加工工具,提高刀具耐用度,降低加工成本,选取CVD 涂层麻花钻、PCD 焊刃麻花钻及金刚石套料钻三种形式的工具,并对金刚石套料钻采取普通钻削及超声辅助钻削加工两种方法,对C/SiC复合材料进行了钻削加工试验,并通过对比分析各种方法对应的刀具磨损情况、钻削力及扭矩,确定了适合于C/SiC复合材料的钻削加工工具及方法。
碳纤维增强碳化硅基(C/SiC)复合材料具有优良的力学性能以及突出的耐高温、轻质、耐磨等特性,使用温度达1650℃,密度1.7-2.5g/cm3,在不同制动速度下摩擦系数为0.41-0.54,成为继C/SiC复合材料后又一种可用于航空航天领域的新型高性能刹车材料。2008年,C/SiC复合材料刹车片成功进行了飞行试验,成为飞行器刹车材料发展历程的一座里程碑。此外,C/SiC复合材料在NASA X系列(X-37、X-38)航天试验机襟翼等部件上的应用也取得了成功。
当C/SiC复合材料作为飞行器刹车片或襟翼构件时,需钻削加工大量透气孔或装配孔,以满足装配及使用要求。K. Weinert等分别采用PCD麻花钻、金刚石套料钻对C/SiC复合材料进行了钻削加工试验,发现PCD麻花钻加工初期即出现严重磨损;D. Biermann等采用烧结及电镀金刚石套料钻对C/SiC复合材料进行了钻削试验,发现钻削过程中烧结金刚石套料钻出现了明显的径向磨损,而电镀金刚石套料钻则因为磨粒的过早脱落导致寿命较低。因此,如何实现C/SiC复合材料低工具损耗的钻削加工亟待解决。
目前关于C/SiC复合材料钻削加工技术的研究较少。为了确定合适的C/SiC复合材料钻削加工工具,提高刀具耐用度,降低加工成本,选取CVD 涂层麻花钻、PCD 焊刃麻花钻及金刚石套料钻三种形式的工具,并对金刚石套料钻采取普通钻削及超声辅助钻削加工两种方法,对C/SiC复合材料进行了钻削加工试验,并通过对比分析各种方法对应的刀具磨损情况、钻削力及扭矩,确定了适合于C/SiC复合材料的钻削加工工具及方法。
图1 超声辅助钻削加工示意图(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

1 超声辅助钻削运动学分析

超声辅助钻削加工是集超声波加工和磨削加工于一体的复合加工技术,其加工原理如图1所示。金刚石套料钻在以一定转速旋转的同时,以20-30kHz的频率沿轴向振动,并以恒定进给速度向工件运动实现钻削加工。在超声振动作用下,单颗磨粒的运动轨迹方程可表示为
S(t)=Rcos(οt)(1)
Rsins(οt)
Asin(2πft)+fzt
式中,R为工具半径;ω为角速度;t为时间;A为振幅;f为谐振频率;fz为进给速度。
图2 单颗磨粒运动轨迹曲线(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
根据式(1),采用MATLAB可绘出如图2所示的超声振动状态下单颗磨粒的空间运动轨迹曲线。超声辅助钻削加工时,由于工具端面振动速度(v=3-4m/s)远大于工具进给速度(vw=10-40mm/min),因此工具端面磨粒与工件之间呈高频“接触—分离”状态,套料钻端面上的金刚石磨粒通过对工件材料的高频撞击及正常磨削的复合作用实现材料去除。

2 试验系统与条件


图3 试验系统(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

2.1 试验系统

在DMG Ultrasonic 20 Linear立式高速加工中心上进行钻削试验。试验系统如图3所示,采用套料钻钻削加工时,所用刀柄为超声刀柄。超声刀柄由次级线圈、压电陶瓷换能器、变幅杆组成。超声辅助钻削加工时,置于机床内部的超声波发生器将工频电信号转换为20-30.4kHz的高频电振荡信号,经主轴末端线圈及刀柄端部次级线圈传递至换能器,并经换能器转换为机械振动,通过变幅杆将机械振动振幅放大,进一步传递给金刚石刀具,辅以一定的转速即可实现超声辅助加工。采用HAM PCD焊刃麻花钻、KENNA CVD涂层麻花钻钻削加工时,所用刀柄为普通刀柄。试验时,采用石蜡将C/SiC复合材料板粘结于环氧树脂垫板上,并通过螺钉将环氧树脂板与夹具连接。
图4 C/SiC复合材料微观形貌(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

2.2 试验条件

C/SiC复合材料具有二维正交编织结构,其微观结构形貌如图4所示。由碳纤维(T300,碳纤维体积分数VC=50%)、SiC基体及少量的孔隙组成。
试验所用钻削工具分别为HAM PCD焊刃麻花钻、KENNA CVD涂层麻花钻、Schott金刚石套料钻,具体参数如表1所示。试验时采用的主轴转速分别为1000、4000、7000、8000、10000r/min;进给速度分别为10、20、30、40mm/min。冷却液为水基乳化液,浓度4%。采用麻花钻钻削时,受限于工具形式只开启外冷;采用套料钻钻削时,同时开启外冷、内冷,其中外冷压力为0.4MPa,内冷压力为2MPa。
表1 钻削工具参数
钻头品牌描述
HAMPCD焊刃,Φ6,顶角120°,螺旋角25°
KENNACVD涂层,Φ6,顶角90°
Schott金刚石套料钻外径Φ6,内径Φ5,粒度126μm,磨粒浓度200%

2.3 测量方法

试验前,采用Polytec NLV-2500单点式激光测振仪检测,确定套料钻与机床超声振动系统谐振频率为24.3kHz,套料钻端面振幅测量约为3.5μm。试验采用KISTLER9272三向压电晶体测力仪对钻削力、扭矩进行测量,钻削力测量系统如图3所示,测量时采样频率设为1000Hz,取所测得的钻削力及扭矩信号的平均值作为试验数据进行分析。试验完毕后采用Hitachi S-3400N Ⅱ型扫描电镜对两种麻花钻试验后磨损情况进行观测。金刚石套料钻由于形状及尺寸所限,采用KH-7700三维视频显微镜进行观测。

3 试验结果与分析

3.1 工具磨损

HAM PCD焊刃麻花钻、KENNA CVD涂层麻花钻原始微观形貌及累计钻削深度lT=160mm后的微观形貌分别如图5和图6所示。由图5b可见,HAM PCD焊刃麻花钻切削刃出现了明显的崩刃现象;由图6b可见,KENNA CVD 涂层麻花钻切削刃磨损非常严重,出现了大面积的涂层剥落现象。
(a)初始状态
(b)试验后

图5 HAM PCD麻花钻主切削刃微观形貌(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(a)初始状态
(b)试验后

图6 KENNA CVD麻花钻主切削刃微观形貌(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

累计钻削深度lT=160mm后,金刚石套料钻普通钻削及超声辅助钻削试验前后的工具端面微观形貌对比分别如图7和图8所示。由图中可以看出,套料钻结合剂产生了损耗,金刚石磨粒出露高度增加,同时金刚石磨粒产生了一定的磨耗磨损,没有观察到金刚石磨粒脱落的现象。因此与HAM PCD焊刃钻及KENNA CVD涂层钻相比,金刚石套料钻的磨损程度明显较低。在试验条件下,套料钻普通钻削与超声辅助钻削的磨损程度尚无明显差异。
(a)初始状态
(b)试验后

图7 金刚石套料钻端面磨粒微观形貌(CD)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(a)初始状态
(b)试验后

图8 金刚石套料钻端面磨粒微观形貌(UAD)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图9为进给速度vf=20mm/min时各工具钻削轴向力随着主轴转速变化而变化的趋势。由图可看出,随着主轴转速的增大,不同工具的钻削力呈现出不同的变化趋势:HAM PCD焊刃钻麻花钻及KENNA CVD涂层麻花钻的钻削力均随主轴转速增加而增加;而套料钻普通钻削及超声辅助钻削时的钻削力则随转速增加而降低。这表明,虽然转速增加时降低切削厚度有利于钻削力的降低,但是对HAM焊刃钻头及KENNA涂层钻头而言,工具的快速磨损反而使得钻削力随着转速增加而有增加的趋势。
钻削加工初始阶段,套料钻钻削力大于两种麻花钻钻削力;而随着材料去除量的增加、切削速度的增加,两种麻花钻钻削力逐渐增大,而套料钻钻削力逐渐下降,转速达到10000r/min时套料钻和KENNA钻削力已基本相等,明显小于HAM。在试验参数范围内,套料钻超声辅助钻削时钻削力小于套料钻普通钻削时,随着主轴转速变化降低幅度约为5.5%-23%。
图9 钻削力与主轴转速的关系(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图10 扭矩与主轴转速的关系(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图10为进给速度vf=20mm/min时各工具钻削扭矩与主轴转速的关系。由图中可以看出,扭矩随着切削速度的增加而逐渐降低。与轴向力不同,套料钻扭矩明显低于两种麻花钻,其中采用超声辅助钻削时扭矩最小。与钻削力相同,KENNACVD涂层麻花钻的扭矩小于HAMPCD麻花钻。
图11和图12分别为转速n=8000 r/min时钻削力、扭矩随着进给量变化而变化的趋势。可以看出,无论哪种方法,钻削力及扭矩均随着进给量的增加而增大;其中KENNA CVD涂层麻花钻由于磨损严重,增加趋势最为明显。套料钻普通钻削及超声辅助钻削时的钻削力小于HAM PCD焊刃麻花钻,但大于KENNA CVD涂层麻花钻。套料钻采用超声辅助钻削时,钻削力小于普通钻削时,随着进给速度变化,其降低幅度为4%-10%。与钻削力相比,四种加工方法的扭矩大小关系略有不同:KENNA钻削扭矩最大,HAM稍低。在试验参数范围内,有无超声时套料钻的扭矩几乎没有差别,均明显小于两种麻花钻。
图11 钻削力与主轴转速的关系(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图12 扭矩与主轴转速的关系(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图13 超声振动状态下金刚石磨粒与工件干涉状态(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
综上所述,在试验条件下,套料钻超声辅助钻削时的钻削力均低于套料钻普通钻削时。根据前述超声辅助钻削时金刚石磨粒运动学分析可知,钻削加工过程中套料钻端面及侧面金刚石磨粒运动特征如图13所示。相比于普通钻削,在超声辅助钻削加工过程中,由于工具端面磨粒对工件材料持续的高频撞击作用,使得工件加工表面产生了大量的裂纹及微破碎,因此磨粒更容易切入工件;同时,工具侧面磨粒起到一定的辅助磨削作用,在表面微细沟槽自成机理作用下,相邻磨粒在工件表面刻划出的沟槽相互交错,使得切屑被截短、体积变小,从而有效降低了钻削力。
超声辅助钻削加工时,冷却液的冲刷、润滑作用可得到强化。如图14所示,冷却液从套料钻内冷孔流入工作区域,金刚石套料钻在高速旋转的同时沿轴向高频振动,工具末端与工件之间处于高频“接触—分离”的状态。在分离瞬间,冷却液可以更充分地将切屑带离切削区域,可从一定程度上降低工具—工件间的摩擦作用,进而降低钻削力。
(a)套料钻末端与工件接触
(b)套料钻末端与工件分离

图14 超声辅助钻削过程中切屑排出过程(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

小结

与HAM PCD焊刃麻花钻和KENNA CVD涂层麻花钻相比,套料钻磨损较轻,普通钻削时及超声辅助钻削时磨损形式均为磨粒磨耗磨损,无明显的磨粒脱落现象。进给速度一定时,由于工具磨损严重,HAM PCD焊刃钻麻花钻及KENNA CVD涂层麻花钻的钻削力均随着主轴转速增加而增加,而套料钻普通钻削及超声辅助钻削钻削力随着转速增加而降低。在所有试验条件下,金刚石套料钻采用超声辅助钻削加工时的轴向力均小于普通钻削时。在试验参数范围内且进给速度一定时,超声辅助钻削扭矩小于普通钻削;而转速一定时,两种方法无明显差异。
综上所述,套料钻超声辅助钻削加工可有效降低钻削力、减轻工具磨损,从而有望提高加工效率、降低加工成本,是一种适合于C/SiC复合材料制孔的工艺方法。
本文作者:于凯
原载:《工具技术》
上载于:2016-9-13 12:08:20

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