碳化硅切削難點解析

碳化硅是一類硬度超高的材料，加工難度也很高。今天我們來講講破解碳化硅加工的方法。目前加工碳化硅主要采用磨床、陶瓷精雕機等設備。鑫騰輝是陶瓷精雕機生產廠家。

1. 引言
SiC碳化硅/Al合金屬鋁基復合材料，歸屬于“難加工材料”，實際上加工時它形成短切屑，且基體一般為鋁合金，主要是其內加入的顆粒增強材料的硬度很高，如SiC碳化硅的硬度高達3000～ 3500HV。硬質顆粒分布在基體中，猶如砂輪中的磨粒一樣會對刀具的切削刃起刮磨和沖擊作用，使切削刃很快磨損。硬質顆粒硬度愈高，顆粒尺寸愈大，顆粒數量愈多，則刀具磨損愈快，SiC碳化硅顆粒脫離更明顯，如圖1所示。因此不能將從加工傳統材料中獲得的經驗和知識直接應用于復合材料的加工，必須通過試切削對其加工性能進行研究。

2. 材料結構特性和加工刀具試驗
試切削過程中用YW3硬質合金刀具車削含量為16%～18%的SiC碳化硅/Al復材殼體零件（見圖2）及滲碳體鑄鐵材料，同樣切削條件下前者只切削幾分鐘就在刀具前、后刀面上產生嚴重的磨粒磨損而失效，其壽命不足切削鑄鐵的1/3。將被切削材料換成40%～ 42%的SiC碳化硅/Al合金，刀具磨損比切削16%～18%的SiC碳化硅/Al還要快得多。如用涂層硬質合金刀具加工，復合材料中的硬質顆粒仍會很快將涂層磨穿并迅速擴展到硬質合金基體中使刀具迅速磨損，用傳統的硬質合金刀具很難進行加工，刀具壽命很低或根本無法使用。
3. 刀具切削材料和角度分析
多次試切削證明，金剛石是加工金屬基復合材料的最佳刀具材料。用金剛石加工SiC碳化硅/Al復合材料，在充分冷卻前提下，其切削速度可達40～120m/min，刀具壽命比硬質合金高幾倍甚至幾十倍，而且加工表面粗糙度值可達Ra＝0.8μm或更小。這是因為金剛石不但硬度高、耐磨性好，可長時間保持鋒利的切削刃，刃部粗糙度值小，而且摩擦因數低，抗粘結性好，熱導率高，切削時不易粘刀及產生積屑瘤，故加工表面質量也遠比其他刀具高。

在加工鋁基復合材料時，既可采用PCD也可使用TFD（CVD 厚膜）金剛石刀具，多種刀具加 工40%SiC碳化硅/Al材料時的刀具磨損曲線如圖3所示。試驗時采用的切削條件為：車削加工，切削速度 40m/min，進給量為0.05mm/r， 切削深度0.5mm，加切削液。 
由圖3可知，加工40%SiC碳化硅/Al 復合材料，使用TFD金剛石刀具的效果最好，粗晶粒PCD025次 之，細晶粒PCD002刀具的使用壽命較低。所以PCD025刀具具有 較高耐磨性適合于粗加工和要求刀具有較高斷裂韌度的生產中， CVD厚膜和單晶金剛石刀具多用于高速精加工和半精加工。
切削試驗證明，增大前角可有效降低主切削力從而減小材料邊緣SiC碳化硅顆粒解離、破碎和脫落產生裂紋等缺陷。后角增加則刀具更易切入、切削力減小，但同時刀具磨損加劇、刀具壽命降低。實踐證明SiC碳化硅/Al金屬基復合材料車削加工刀具前角采用3°～ 6°，后角5°～8°，可兼顧刀具壽命及材料加工性能，提升加工表面質量及效率。銑刀加工選用小螺旋升角PCD或CVD立銑刀， 避免大螺旋角刀具切削加工時， SiC碳化硅/Al顆粒在主切削力作用下分離母材造成材料表面質量降低的現象，一般選用小于10°的螺旋升角刀具。
4. 切削參數固化
金剛石是加工金屬基復合材料的最佳刀具材料。金剛石晶粒尺寸大小對刀具的壽命和加工表面質量有直接影響。晶粒尺寸愈大，金剛石耐磨性愈好，刀具壽命愈高，但加工表面質量稍差；反之，細晶粒刀具有較好的加工表面質量。另外，切削速度和進給量對加工表面粗糙度有直接影響。切削速度愈高和進給量愈小，加工表面粗糙度值將降低，而切削深度的影響并不顯著。

（1）在用厚膜金剛石TFD硬質合金立銑刀對SiC碳化硅顆粒增強鋁基復合材料進行高速加工的過程中，隨著車、銑削速度加快，單位時間內的切削體積增大，局部切削溫度急劇升高，高強度增強顆粒的解離、破碎和脫落增多，導致切削力、切削振動和工件表面粗糙度值也隨之增大，刀具磨損加劇。

（2）當采用較大的切削用量（ap＝ 1.5mm，f＝0.05mm/r，v＝ 130m/min）進行高速車、銑削時，切削振動較大，加工表面上會產生很多硬顆粒脫落凹坑、裂紋等缺陷，表面形貌變差。 車削刀具前角采用3°～ 6°，后角5°～8°。當車削深度 ap＝0.5mm、進給量f＝0.09mm/r 時，在車削速度v＝20～40m/min 范圍內，充分冷卻后，刀具壽命增加，車削加工表面光亮平整。
（3）銑刀加工選用小螺旋升角PCD或CVD立銑刀，順銑，吃刀寬度小于刀直徑的1/3。當銑削深度ap＝0.5mm、進給量f＝0.02mm/r 時，在銑削速度v＝10～40m/min （主軸轉速n＝530～2 123r/min） 范圍內，銑削加工表面光亮平整，表面形貌很好。 
（4）實踐證明冷卻液采用煤油基或冷卻及潤滑效果更好的TONC550-2乳化切削液，刀具壽命增加，加工表面光亮平整。
5. 螺紋切削加工方案優化 

針對圖2所示SiC碳化硅/Al工件內 螺紋M16×1的加工而言，SiC碳化硅/Al 復合材料脆性高，它在加工螺紋時，螺紋入口和收口起刀處至一個導程距離段內，因切削力和應力集中導致牙頂崩碎，牙型頂部呈現鋸齒狀。螺紋旋接時，此處受力易使工件崩碎掉渣從而產生多余物，會影響整個噴管部位的安全和性能。
為避免這一現象的發生，經過多次試切試驗，改變加工順序：車螺紋底孔→倒角→車螺紋→切退刀槽→倒角，這一方案在加工時，使用成形刀加工出倒角。這樣可有效降低螺紋加工中因切削力和應力集中導致的牙頂崩碎現象。螺紋加工完成后，使用自制內螺紋牙型刮刀（見圖4）手工去除出入口部位毛刺，并將該部位牙頂的鋸齒刮平修光。最終使加工出的螺紋滿足設計要求，內外形加工采用同樣加工路徑。
6. 結語
實踐證明，隨著切削速度的提高和進給量的減少，加工表面粗糙度值將減少，而切削深度對表面粗糙度的影響并不顯著。故精加工時，切削速度應取較大的數值，進給量取小值。
用金剛石加工金屬基復合材料，可以干式切削，也可濕式切削。但因金剛石的熱穩定性低， 在700～800℃時它將碳化（即石墨化），使刀具壽命急劇降低。如用切削液濕式切削，可使切削溫度降低，刀具壽命增加。但在刀具切入工件前至切削完畢為止，切削液必須連續供給，不能時斷時續，否則容易引起刀具破損或崩刃。同理，在切削過程中還應盡量避免中途停車或變換切削用量。采用該技術在某型號慣性陀螺和阻尼墊板批量車、銑加工過程中，車、銑削加工表面光亮、平整。刀具耐用度及經濟性明顯提高。零件精度完全符合圖紙及技術要求，圓滿完成型號任務的生產。