陶瓷基复合材料超声辅助加工技术.pdf

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1、钐论坛FORUM丁凯1，苏宏华2，傅玉灿2，崔方方1，李奇林1，雷卫宁1(1．江苏理工学院机械工程学院，常州213001；2．南京航空航天大学机电学院，南京210016)【摘要】陶瓷基复合材料具有优良的力学性能以及突出的耐高温、轻质等特性，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。但由于高硬脆性特点，陶瓷基复合材料加工难度较大。诸多研究表明，超声辅助加工技术是一种相对合适的加工方法，与普通机械加工相比可有效降低切削力、改善加工质量等。对发展较为成熟的C／SiC、SiC／SiC两种陶瓷基复合材料的超声辅助钻削／磨削加工技术研究进展进行了介绍，分析了其中存在的问题

2、，并提出了相应的对策。关键词：陶瓷基复合材料；超声辅助钻削；超声辅助磨削；加工质量评价体系；参数匹配性DoI：10．16080／j．issnl671-833x．2016．15．042丁凯博士，江苏理工学院机械工程学院讲师。研究方向为陶瓷及其复合材料的高性能复合加工技术。参与国家自然科学基金1项。主持江苏省高校自然科学研究面上项目1项。陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposites，CMC)是在陶瓷基体中引入第二相材料，使之增韧、增强的多相材料。与未增强陶瓷基体相比，陶瓷基复合材料具有更高的硬度、断t基金项目：江苏省高校自然科学研究面上项目

3、(15KJB460010，14KJB460011)。42航空制造技术·2016年第15期裂韧性以及更优良的耐磨、耐热、抗蠕变、尺寸稳定性、抗烧蚀等性能特点，在航空航天、国防领域具有广阔的应用前景[1-4]。陶瓷基复合材料基体主要包括氧化铝(A1：0，)、碳化硅(SiC)、氧化锆(ZrO：)、氮化硅(Si3N4)等；增强体主要包括连续纤维、晶须、颗粒。研究表明，与晶须、颗粒增韧方式相比，连续纤维增韧具有最显著的效果睥’5“]。其中，碳纤维增强碳化硅基复合材料(Cf／SiC)17墙】、碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(SiCdSiC)【9—0]是目前研究较多、

4、应用较为成熟的陶瓷基复合材料。按照结构特征，连续纤维增强陶瓷基复合材料包括二维编织结构和三维编织结构【l。3】。相比较而言，三维编织复合材料具有更优良的综合性能指标，但制备工艺繁琐，纤维变形严重，性能具有较大的分散性。Cf／SiC复合材料使用温度可达到1650℃以上；密度为1．7—2．59／cm3，仅为高温金属结构材料的1／7～1／3，该种材料的应用可极大减轻飞行器结构重量、提高飞行器搭载能力诤l。目前国外已研制出Cf／SiC复合材料的飞行器热防护部件、喷管和喉衬材料等，如NASA已将C，／SiC复合材料制作的襟翼、热防护部件成功应用于其X系列(x一37

5、、X一38)航天试验机上1111。虽然Cf]SiC等陶瓷基复合材料多数采用了如熔体浸渗法、化学气相渗透法等11-4]近净成形的制备方法，但为了满足装配及使用要求，其构件一般需经过机械加工，以达到零部件的尺寸形状精度和表面质量要求”21。根据应用场合不同，陶瓷基复合材料主要加工形式包括孔加工【l31(如飞行器襟翼、刹车片等)及型面加工[14-15](如望远镜的反射镜基面)。虽然陶瓷基复合材料脆性低于陶瓷材料，但由于其高硬度及纤维编织结构特征[11-121,仍然属于典型的难加工材料。目前陶瓷基复合材料构件制备时一般采用金刚石工具进行磨削／钻削或超声辅助磨削／

6、钻削加工[1,i610根据Tawakoli[161的报导，采用金刚石砂轮磨削加工陶瓷基复合材料构件时，其加工成本可占到陶瓷基复合材料构件总生产成本的60％一80％，甚至高达90％。其蛐。。m。。。哪M删。。，们。。删。。复合材料先进加工技术他相关研究表明，C／SiC等复合材料在磨削／钻削加工时极易产生纤维脆性断裂、拔出、加工孑L出人口撕裂等缺陷¨7。201，加工质量较差。因此，对于陶瓷基复合材料而言，如何改善其加工质量仍是该类材料所面临的关键问题之一。超声辅助加工是在传统机械加工中工具与工件相对运动的基础上，通过超声振动装置在工具或者工件上施加超声振动，

7、以改善材料加工性能的一种高性能复合加工技术121-24]o由于超声振动作用的引入，工具与工件之间的接触状态和作用机理均发生变化，材料去除机理也得以改变。根据加工形式的不同，超声辅助加工包括超声辅助钻削、超声辅助磨削等[25-29]o诸多研究表明，对于陶瓷及其复合材料等脆性材料而言．超声辅助加工可降低切削力并改善加工质量，是一种非常适合的先进技术。因此，采用超声辅助钻削／磨削技术以实现陶瓷基复合材料的高质量加工一直是研究的热点问题。陶瓷基复合材料超声辅助钻削技术1超声辅助钻削加工机理典型超声辅助钻削装置如图l所示。超声辅助钻削时，金刚石套料钻沿轴向以一定频

8、率进行超声振动的同时以一定转速做旋转运动，并通过轴向进给运动实现孔加工。在这一过