鋁基碳化硅材料超精密加工研究進展

隨著航空航天、汽車及光學(xué)精密儀器等領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿娜找嬖鲩L，碳化硅（SiC）及其顆粒增強鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al）以其優(yōu)異性能得到了越來越多的關(guān)注。作為一種超硬陶瓷材料，SiC以其穩(wěn)定的化學(xué)惰性、高熱導(dǎo)率、高比剛度和耐高溫性等高度理想的工程性能而成為空間激光鏡以及非球面玻璃透鏡熱壓成型模具的合適選擇，這對其超精密加工提出了很高的要求。SiCp/Al復(fù)合材料同樣具有比強度和比模量高、耐高溫、耐磨損、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異的綜合性能，其中通過精密、超精密加工獲得的SiCp/Al零部件主要應(yīng)用于衛(wèi)星軸承/天線、激光反射鏡、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。

SiC極高的顯微硬度、高強度、強耐磨性使得即使用最堅硬的金剛石工具也難以加工，也正因為SiC顆粒的存在，SiCp/Al復(fù)合材料的加工十分困難，它們的加工表面質(zhì)量更是難以控制，因而均屬于典型的難加工材料。SiC及SiCp/Al復(fù)合材料的超精密加工是具有高難度和高技術(shù)含量的技術(shù)，對發(fā)展我國的航空航天和國防工業(yè)具有十分重要的意義，對促進其在汽車產(chǎn)業(yè)等民用領(lǐng)域的發(fā)展也有著積極的效益，因而針對于它們的超精密加工研究也成為近年來的研究重點和熱點。

1  SiC材料超精密加工研究進展
(1)切削力
切削力是描述切削行為最主要的因素，對切削過程中的刀具行為具有決定性的作用。J. Dai等對碳化硅（SiC）進行了金剛石晶粒單粒磨削試驗，研究磨削過程中刀刃半徑和磨損對材料去除機理的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在切削刃半徑大于最大切削深度的脆性材料精密磨削中，切削刃半徑存在臨界值，當(dāng)?shù)陀谂R界值時，增加切削刃半徑可提高加工表面質(zhì)量，相應(yīng)地，切向磨削力（Ft）和法向磨削力（Fn）都隨切削刃半徑的增加而增加，切向力在切削刃半臨界值處達到峰值，然后隨著切削刃半徑增加而下降（見圖1），切削力對加工表面質(zhì)量有著直接影響。

(2)刀具參數(shù)
在影響刀具加工的重要因素中，不同的刀具種類、刀具角度對SiC超精密加工結(jié)果有著非常顯著的影響。姜勝強等進行了SiC材料單點金剛石超精密切削的離散元仿真，研究刀具前角大小、切削深度以及切削速度等加工條件對工件殘余應(yīng)力的影響。研究表明，SiC工件內(nèi)的殘余應(yīng)力與切削速度及切削深度均呈正相關(guān)關(guān)系，隨切削速度以及切削深度的增加而增加，刀具角度影響相對復(fù)雜，當(dāng)?shù)毒咔敖翘幱谛∝撉敖菚r(-20°～0°)，切削后的殘余應(yīng)力較小，而當(dāng)前角過大或者過小時，都會產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。

切削過程中，切削區(qū)域的高溫高壓環(huán)境極易引起SiC材料發(fā)生氧化，并粘附在刀具表面，嚴重影響加工表面質(zhì)量。Z.P. Li等使用多晶金剛石（PCD）銑刀對高純度SiC進行超精密微銑削加工，研究其加工特性。結(jié)果表明，當(dāng)去除的切屑足夠薄時，可以實現(xiàn)塑性模式加工，獲得高質(zhì)量表面（Ra=1.7nm），然而，盡管成功加工了具有納米級表面粗糙度的微米尺寸的小孔和溝槽結(jié)構(gòu)，但隨著加工孔數(shù)的增加，加工表面粗糙度逐漸惡化且小孔深度變淺（見圖2），這主要歸因于粘附在工具表面上的異種材料的積聚，能量色散X射線光譜儀（EDS）分析表明粘附的材料是無定形SiO2。為了恢復(fù)PCD工具的切削性能，通過采用新的電化學(xué)輔助修復(fù)技術(shù)對工具表面進行修復(fù)，在不會損壞刀具的同時有效地去除了表面污染。

戴玉堂等采用超精密磨床結(jié)合在線電解修整的磨削方法（Electrolytic In-Process Dressing，ELID）對一種可用作光學(xué)反射鏡材料的新型反應(yīng)燒結(jié)碳化硅進行了磨削試驗，研究了磨粒尺寸、結(jié)合劑種類以及砂輪形狀對加工表面特性的影響，分析了磨削面微段差的形成機理，得到了表面粗糙度Ra=0.57nm的超光滑鏡面。研究發(fā)現(xiàn)，加工表面粗糙度和亞表面缺陷與砂輪磨粒尺寸有關(guān)，磨粒尺寸越小，得到的加工表面精度越高，使用粒度W0.75的鑄鐵結(jié)合劑杯形砂輪時，可以獲得表面粗糙度Ra=0.74nm的光滑表面，這主要是因為只有磨粒粒度足夠小才能實現(xiàn)材料的塑性去除。

(3)刀具磨損
SiC材料的硬度非常大（9.5HM），與金剛石的硬度相差不大（10HM），在超精密加工過程中金剛石刀具會不可避免地發(fā)生磨損，縮短壽命而且影響加工表面質(zhì)量。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，金剛石刀具磨損主要包括切削過程中的熱軟化引起的物理磨損和石墨化化學(xué)磨損。S. Goel等使用分析鍵級勢（ABOP）建立了3C-SiC的分子動力學(xué)單點金剛石車削（SPDT）納米仿真，通過使用徑向分布函數(shù)等方式研究該過程中金剛石刀具的磨損機理，并對其進行了量化分析。研究表明，切削過程中SiC和金剛石工具之間會有很強的磨蝕作用（見圖3），切割區(qū)域的高溫導(dǎo)致金剛石工具的硬度降低，徑向分布函數(shù)和配位數(shù)分析顯示，磨蝕作用產(chǎn)生的局部高溫以及切削區(qū)域金剛石刀具和SiC之間的高壓環(huán)境會引起金剛石工具的sp3-sp2雜化方式的轉(zhuǎn)變（見圖4），發(fā)生石墨化進而導(dǎo)致金剛石刀具磨損，刀具磨損主要表現(xiàn)為后刀面磨損。J. Dai等對碳化硅（SiC）進行了金剛石晶粒單粒磨削試驗，研究發(fā)現(xiàn)側(cè)面磨損是精密SiC磨削的主要磨損模式，單晶金剛石晶粒磨損率較高，而當(dāng)出現(xiàn)過度的側(cè)面磨損時，徑向磨損率開始顯著增加，刀具磨損與磨削力和磨削面也有關(guān)。

S. Takesuea等使用多晶金剛石（PCD）立銑刀對高純度SiC材料進行了超精密銑削試驗，使用掃描電子顯微鏡觀察加工表面，使用掃描干涉測量法測量三維表面輪廓和表面粗糙度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)未變形的切屑厚度足夠小時，可以實現(xiàn)塑性模式表面加工，獲得具有納米級粗糙度的光滑表面，但表面粗糙度隨著切削的進行而逐漸降低，使用能量色散X射線光譜法（EDX）進行PCD工具表面的元素分析，發(fā)現(xiàn)銑刀表面有二氧化硅（SiO2）粘附，SiO2會改變刀具表面形狀從而降低加工表面精度，可以通過使用電解修復(fù)技術(shù)對SiO2進行去除以修正刀具形貌改善加工表面質(zhì)量。

H. S. Lou等使用超精密研磨的方式加工了SiCp/Al復(fù)合材料空間反射鏡鏡坯，獲得了表面粗糙度Ra=0.96nm的復(fù)合材料鏡面。研究發(fā)現(xiàn)，材料晶粒尺寸在材料去除機制中起著重要的作用，當(dāng)晶粒尺寸大于或等于10μm時，材料為脆性去除模式；當(dāng)晶粒尺寸小于或等于5μm時，材料為塑性去除模式；當(dāng)鏡坯和拋光墊以相同的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)時，可以實現(xiàn)均勻的材料去除率，在超精密研磨360min后，表面粗糙度Ra=0.96nm的光滑表面。

由于具有優(yōu)良的物理化學(xué)特性，碳化硅及其顆粒增強鋁基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、裝備制造等各個領(lǐng)域，例如航天空間反射鏡等，而針對它們的超精密加工成為研究和應(yīng)用的熱點。SiC具有典型硬脆材料的特征，超精密加工時其表面容易脆性破壞，而復(fù)合材料SiCp/Al精密加工的情況更加復(fù)雜，加工表面質(zhì)量更加難以控制，因此針對這兩種材料實現(xiàn)超精密加工成為重點攻克的難題。

本文綜述了近年來SiC及SiCp/Al復(fù)合材料超精密加工的研究進展，重點關(guān)注了碳化硅超精密切削過程中的脆塑性轉(zhuǎn)變以及鋁基碳化硅的加工表面形成機理，對其加工過程中切削力、表面形成、刀具磨損、切屑形成等超精密加工過程中的機理以及各自超精密加工過程中的特點及各種其他影響因素進行了分析和總結(jié)，以期全面了解碳化硅及其顆粒增強鋁基復(fù)合材料超精密加工的問題與改善方法。鈞杰陶瓷還能根據(jù)客戶提供的圖紙，和加工需求，來進行加工定制。并且鈞杰陶瓷加工出來的產(chǎn)品基本上是沒有出現(xiàn)什么問題的，客戶也是比較滿意的，想要找鈞杰陶瓷加工制做陶瓷產(chǎn)品的話，可以去鈞杰陶瓷的官方網(wǎng)，留下你的詳細信息就可以下單定做了，鈞杰陶瓷：134 128 56568（微信號）