对纤维增强的陶瓷材料进行高效切削

纤维增强陶瓷材料上的孔可以用空心结构的金刚
石墨棒按照螺旋线进给的加工工艺方式进行加工

对诸如C/C-SiC材料等纤维增强的陶瓷材料进行加工时，合适的刀具结构和切削过程是不可缺少的。在这样的材料上加工孔时，若能够对陶瓷材料的磨削棒的端部直径磨损进行补偿，或者对磨削棒端部直径的公差进行控制，使用烧结材料的刀具将会是一个很好的选择。

整体的陶瓷材料有着非常好的物理耐热性能、很高机械强度、很高的耐磨性能和独特的断裂性能。随着纤维增强材料在陶瓷材料中的应用，陶瓷材料的断裂特性有所缓解，至少是肉眼观察时不明显了。这种纤维增强的陶瓷材料主要在航空航天领域中用于航天飞行器耐热材料，为飞行器重返大气层时提供隔热保护。其他的应用领域包括耐高温和耐温度突变的应用场合，如航空航天设备中推进器的燃烧室和调节板材料和流程工艺技术中的反应塔的隔热材料等。

基于传统的经济型生产工艺，纤维增强的陶瓷材料也作为轿车刹车片的摩擦材料和磁悬浮列车、高速电梯的制动片材料。尽管其使用领域在不断扩大，但是长期以来有关这种纤维材料零件内腔加工切削性能的研究报道却不多。本文将向读者介绍一些在纤维增强陶瓷材料中加工孔、槽、以及不同形状凹槽的实验结果（图1）。实验所用材料为含有大量纤维成分的碳化硅，硬度很高。所有的实验没有采用超声波辅助支持技术，是在普通的加工中心机床中完成的。

图1 可以在纤维增强陶瓷材料零件上完成的不同加工工艺nextpage

空心金刚砂磨棒是合适的孔加工刀具

脆、硬材料，尤其是这种纤维增强的陶瓷材料的切削一般是从微观裂纹开始的，它通过裂纹应力扩展而最终剥离下来。同时，在切屑形成的过程中存在因各个晶粒切削厚度不同而产生不同程度的弹性变形的问题，因而传统的硬质合金刀具由于其较低的硬度而无法完成对陶瓷材料的切削加工。即使是PKD多晶金刚石刀具，也因其很高的刀具磨损而列入了不合适刀具的行列。与此，在对纤维增强的陶瓷材料进行孔加工时，最合适的刀具就是空心金刚了，而采用的“钻孔”工艺也应相应的改为螺旋线进给的加工方式。砂磨棒空心的结构保证了可以使用大量的冷却液进行高质量冷却，避免刀具和工件之间的相对移动。这样的金刚砂磨棒在端面和圆柱面上应有能够快速提供大量冷却液的冷却沟槽，同时也能够带走切削下来的切屑和冷却液。

在孔加工实验中，对不同的金属粘结剂也进行了测试。采用“镀涂”工艺技术制成的，具有单层颗粒的金刚砂磨棒的标准切削长度大于4m。随着金刚砂颗粒的磨平，各个颗粒的切削力提高，导致金刚砂颗粒的剥落。烧结材料的刀具则相反，它有着线性的径向磨损，理论上具有更高的总切削长度。但是，这种刀具也能够带来孔径超差的径向磨损。利用电镀方式在烧结刀具表面形成的精细颗粒层因其易于脱落使得切削过程的稳定性大受影响。例如它能够在这种非均质材料中加工出表面质量（Ra<3.2μm；Rz<20μm）、圆度误差（fr<12μm）相对较好的孔来。除了在每米孔深加工中金刚砂颗粒长度的线性减少（大约100μm）之外，还要注意其直径尺寸每米钻深时的减小大约28μm，这一变化也会根据孔直径公差的大小影响刀具的使用寿命。采用螺旋形进给的加工方式可以补偿这种不足，其孔加工时很高的单颗粒切削力来源径向和切向进给力。

切削力的提高也提高了刀具的圆度误差

径向进给对刀具的圆度误差影响很大，而且误差随着金刚砂颗粒的磨损切削力的提高也明显增加。在连续的切削过程中，金刚砂颗粒被不断地磨平，在动态切削力的作用下金刚砂颗粒也不断碎裂。在连续切削的过程中动态切削力明显高于断续切削，因此也常常出现金刚砂颗粒的碎裂。

合成金刚砂更加耐磨

在键槽加工中，实验对不同的金刚砂粘结方式进行了比较。其结果表明金刚砂镀涂方式制造的刀具比烧结方法和钎焊方法制造的刀具在加工纤维增强的陶瓷材料时更好。实验时不仅使用了天然硬度金刚砂颗粒，也使用了高硬度的金刚砂颗粒；不仅对合成的金刚砂颗粒进行了使用，而且也对成块状的金刚砂颗粒在大负角的情况下进行了切削实验。实验所使用的天然金刚砂具有微观碎裂，因此其能够承受的切削力比各个单一颗粒能够承受的切削力之和要低。但是，由于金刚砂颗粒的急速碎裂，刀具的形状稳定性较差，刀具的半径减小较快。通过对比实验得出的结论可以知道：合成金刚砂的耐磨性能最好，也因此具有最好的形状稳定性。而金刚砂颗粒较大的负前角所带来的较大法向磨削力导致的仅仅是刀具较大的径向偏移，可通过最后一步精加工而得以补偿。在向槽深方向的垂直进给时，选择合适的加工工艺和合适的刀具几何形状，保证刀具主要承受轴向负载，减小刀具的几何变形，提高刀具的轴向刚性是非常有益的。在加工任意形状的凹槽时，应使用能够简单、方便的补偿刀具变形的金刚砂刀具。因此，在任意形状凹槽的加工实验时采用了圆柱形的金刚砂磨棒。在切削参数不变的情况下，在键槽加工中对不同的进给倾角进行了实验。

通过实验可以清楚看到材料的不均质性和与此有关的粗糙表面。由于切削实验时磨棒刀具的进给倾角最大，可以清楚的看到单一颗粒切削过程中留下的痕迹；这些痕迹在垂直于进给方向的形状偏差检验中也会检测出来。与此相反，随着倾角的增大，单一颗粒的切削痕迹相互重叠，从而明显的提高了加工表面的表面质量。图2中所示的是最大和最小进给倾角时详细的REM照片。

（Vc=10m/s，f=2μm，ae=0.5mm，冷却液 5％）
（a～c：80，d～f：0， c和f: 富含SiC的区域）
图2 不同进给倾角角度加工时表面粗糙度的REM图片

纤维直径限制了表面质量

可以实现的表面质量受到了纤维直径8μm的限制。在SiC碳化硅材料中（图2c和图2f），能够非常清楚的得出这样的结论。倾角较大的刀具得出的单一颗粒切削厚度较小、各个单一颗粒的有效切削速度很高。据估计，较小的倾角，尤其是在刀具中心，切削颗粒与工件之间相对较小的切削速度所起到的真正作用是：首先把工件“固定”在切削区域内，然后才开始真正的切削。这样一来，在含SiC碳化硅较高的局部（图2c和图2f）就会留下明显的材料损伤痕迹，对工件较大范围都会产生影响。但目视或探头的粗糙度检测方式是很难察觉到这些不足和缺陷的。两种倾角在进给方向的粗糙度在9.2μm的范围内。在生产加工任意形状的凹槽时，刀具的倾角在保障单一颗粒切削痕迹的覆盖、在保障很高的有效切削速度方面是非常有益的。

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对纤维增强的陶瓷材料进行高效切削

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