高体积分数SiCp∕Al复合材料航天结构件的铣磨加工.pdf

制造技术研究 航天制造技术 5 高体积分数SiCp/Al复合材料航天结构件的铣磨加工 刘 晓 袁 峰 尹春晖 任 斐 （上海航天设备制造总厂，上海 200245） 摘要：通过工艺试验，研究了工艺参数对铣磨力与铣磨表面质量的影响。结果表明，较 高的主轴转速、较低的进给速度与铣磨宽度是降低铣磨力的有效手段，铣磨工具的磨粒颗粒 度是影响铣磨表面质量的主要因素。 通过对一系列典型高体积分数 SiCp/Al 复合材料航天结构 件进行样件加工，验证了铣磨工艺的可行性与有效性。 关键词：SiCp/Al 复合材料；铣磨加工；航天结构件；工艺优化 Mill-grinding of SiCp/Al Composites Aerospace Structures with High Content Particle Liu Xiao Yuan Feng Yin Chunhui Ren Fei (Shanghai Aerospace Equipments Manufacture, Shanghai 200245） Abstract：The effect of the machining parameters on the mill-grinding force and the surface roughness was investigated. The results show that the high speed of spindle, low feed rate and low cutting depth, were an effective way to reduce the mill-grinding force, and the size of the abrasive is the major factor which influences the surface roughness. A series of aerospace structure were successfully machined, and the validity of the milling-grinding method was proved. Key words：SiCp/Al composites；mill-grinding；aerospace structures；machining optimization 1 引言 随着载人航天与探月工程、卫星导航与对地观测 系统等国家科技重大专项的深入开展，对高性能复合 材料的需求愈加迫切。碳化硅颗粒增强铝基复合材料 （简称SiCp/Al复合材料）由于其密度小、刚度强、线 性膨胀系数低等特性，在空间飞行器及各类武器装备 中得到广泛应用1 ，2。这些零件材料中的碳化硅颗粒 增强相的体积分数高达45%55%，较高的增强相体 积分数，在满足产品各项综合性能指标的同时，也给 其加工带来了诸如刀具磨损严重、加工表面完整性差 等一系列问题3 ，4。 针对SiCp/Al复合材料加工中的难题， 国内外相关 研究机构从切削加工的刀具材料、切削参数等方面开 展了一系列研究，同时也对电加工、激光加工、水射 流加工等特种加工方法进行了探索。已有研究结果显 示， 即使使用金刚石涂层刀具， 加工SiCp/Al复合材料 时，刀具寿命通常不超过1小时，且常出现崩边等加 工缺陷5。SiCp/Al复合材料电火花加工时，非导电性 的SiC增强颗粒在电火花加工中会产生“屏蔽作用”， 造成放电状态不稳定，从而影响整体加工效率6。激 光加工SiCp/Al复合材料虽然可获得较高的材料去除 率7， 但是激光加工中的高温会对材料内部造成影响， 且由于激光的穿透性，使其并不适用于型腔加工。水 射流加工虽然无宏观力与热影响区，但是射流的特性 决定了其无法进行精密加工8。 基金项目：国家科技重大专项（2014ZX04015021） 。 作者简介：刘晓（1983-） ，博士，机械制造及其自动化专业；研究方向：数控加工 与特种加工。 收稿日期：2015-01-14 制造技术研究 2015 年 4 月第 2 期 6 近年来，铣磨加工作为一种新兴的加工方法，在 硬脆复合材料加工领域得到应用。铣磨加工以镀有金 刚石颗粒的铣磨头代替传统立铣刀，在高速主轴与多 轴数控系统的驱动下，以类似铣削的方式完成复杂特 征的加工。铣磨加工既具备磨削加工多刃切削的优 势，又具备铣削加工多轴运动的特点，在获得较高加 工效率的同时，可有效提高加工表面的完整性，基于 上述优势， 铣磨加工在高体积分数SiCp/Al复合材料加 工中已得到了初步应用9。本文针对型号产品研制生 产中的需求，从工具设计、工艺优化及实际加工等方 面， 对高体积分SiCp/Al复合材料航天复杂结构件的铣 磨加工开展研究。 2 铣磨工具的设计 针对产品的几何特征与铣磨加工的特点，需要设 计制造一种既可满足实际加工要求且成本较为经济 的铣磨头，铣磨头的设计要点主要分为磨料选择、结 合剂（方式）选择与结构设计三个方面。 磨料选择方面，由于SiCp/Al复合材料中的SiC增 强颗粒硬度非常高，为了保证铣磨工具的耐磨性，提 高其使用寿命，因此需选用比SiC增强颗粒硬度更高 的金刚石作为铣磨工具的磨料。磨料的颗粒度直接影 响铣磨加工的表面粗糙度，根据粗加工与精加工的需 求，金刚石磨料的颗粒度范围通常在80#至240#。 目前常用的磨具结合剂（方式）有电镀、树脂结 合剂、金属结合剂及陶瓷结合剂等。现有研究成果显 示，树脂结合剂的容屑空间较小，排屑状态不佳时易 造成磨具堵塞，因此不适用制造铣磨工具；电镀金刚 石磨具的容屑空间较大，不易产生堵塞，且电镀成本 相对较低，因此适用于磨粒颗粒度较大的铣磨工具的 制造，用于粗加工；相较于树脂结合剂，金属结合剂 磨具与陶瓷结合剂能承受更高的磨削力，耐用度更 高，而陶瓷结合剂的热稳定性较为出色，易于控制铣 磨精度，因此，选用陶瓷结合剂制造磨粒颗粒度较小 的铣磨工具，用于精加工。 SiCp/Al复合材料加工过程中产生的切屑呈粉末 状，会吸附于铣磨工具表面造成堵塞，因此需在铣磨 工具上设计排屑槽，具体为三条均布于铣磨头上的螺 旋槽，铣磨产生的粉末状切屑可通过排屑槽及时排 出，同时冷却液也可通过排屑槽进入铣磨区域冷却。 铣磨加工时的主轴转速较高，为避免高转速下的震 颤，铣磨工具应控制刀柄径向跳动以及修整后的铣磨 头径向跳动小于5m。根据上述原则设计的铣磨工具 如图1所示。 a 电镀铣磨工具 b 陶瓷结合剂铣磨工具 图 1 SiCp/Al 复合材料铣磨工具 3 铣磨工艺优化 3.1 铣磨参数与铣磨力的关系 SiCp/Al复合材料铣磨过程中， 铣磨力的大小直接 影响铣磨工具的寿命与加工表面质量，对此，通过实 验，对不同铣磨参数下的铣磨力变化规律开展研究。 铣磨加工中的工艺参数主要为主轴转速n、铣磨宽度 e a与进给速度 f v，其中铣磨宽度 e a指铣磨工具径向 上的已加工表面与待加工表面的间距。 图 2a显示了进给速度 f v为 200mmmin -1、 铣磨宽 度 e a为 0.03mm时，不同主轴转速下的铣磨力变化规 律， 加工材料为体积分数 55%的SiCp/Al复合材料。 从 中可见，随着主轴转速的提升，法向铣磨力 n F与径 向铣磨力 t F均呈现下降趋势，但是主轴转速超过 11000rmin -1后，铣磨力的下降趋于停滞，甚至发生反 弹。这是由于随着主轴转速的提升，单个金刚石磨粒 的切削厚度减小，导致铣磨力下降；而当主轴转速提 高到一定程度后，铣磨工具的震颤加剧，造成铣磨力 有所上升。图 2b显示了主轴转速n为 8000rmin -1、铣 磨宽度 e a为 0.04mm时，不同进给速度下的铣磨力变 化规律。从中可见，随着进给速度的增加，法向铣磨 力 n F与径向铣磨力 t F均呈线性增长趋势。这是由于 随着进给速度的增加，单个金刚石磨粒的未变形切削 厚度上升，且参与切削的有效磨粒数上升，造成铣磨 力增大。图 2c显示了主轴转速n为 6000rmin -1、进给 速度 f v为 400mmmin -1时，不同铣磨宽度下的铣磨力 变化规律。从中可见，随着铣磨宽度的增加，法向铣 磨力 n F与径向铣磨力 t F均有所上升。这是由于铣磨 制造技术研究 航天制造技术 7 宽度增加后，单个金刚石磨粒的未变形切削厚度上 升，且铣磨工具与材料的接触弧长增大，导致铣磨力 增大。综合上述实验结果可知， 为控制SiCp/Al复合材 料加工中的铣磨力，推荐的参数范围为主轴转速n为 8000rmin -1左右、铣磨宽度 e a为 0.05mm左右、进给 速度 f v不高于 400mmmin -1。 铣磨力/N 主轴转速/rmin -1 V = 200 mmmin- 1 a = 0.03 mm Fn Ft 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 4000 50006000700080009000 10000 11000 12000 13000 14000 f e a 铣磨力与主轴转速的关系 Fn Ft 铣磨力/N 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 100200300400500600 n=8000 rmin -1 a =0.04 mm e 进给速度/mmmin -1 b 铣磨力与进给速度的关系 Fn Ft 铣磨力/N 0 5 10 15 20 25 30 35 0.000.020.040.060.080.10 V =400 mmmin -1 f n =6000 rmin -1 铣磨宽度/mm c 铣磨力与铣磨宽度的关系 图 2 铣磨参数与铣磨力的关系 3.2 表面质量分析 与传统铣削加工类似， SiCp/Al复合材料铣磨形成 的表面，依然可能存在诸如铝基体熔化涂覆、SiC颗 粒破碎耕犁以及显微裂纹等表面缺陷。图3显示了不 同铣磨工具在不同铣磨参数下的加工表面情况。从中 可见，与铣磨参数相比，铣磨工具的颗粒度对铣磨表 面质量的影响更大。 a 电镀铣磨工具（80#）加工表面（Ra=5.36m） （n =8000r/min、ae =0.02mm、vf =200mm/min） b 电镀铣磨工具（80#）加工表面（Ra=5.45m） （n =12000r/min、ae =0.04mm、vf =400mm/min） c 陶瓷铣磨工具（240#）加工表面（Ra=0.72m） （n =8000r/min、ae =0.02mm、vf =200mm/min） d 陶瓷铣磨工具（240#）加工表面（Ra=0.75m） （n =12000r/min、ae =0.04mm、vf =400mm/min） 图 3 铣磨加工的表面质量分析 用于粗加工的电镀金刚石铣磨工具，其单个金刚 石磨粒的颗粒度较大，在加工表面上留下的沟槽的深 制造技术研究 2015 年 4 月第 2 期 8 度与宽度均较为明显；此外，由于电镀金刚石铣磨工 具上带有排屑槽，这意味着在加工中，铣磨工具与工 件表面处于非连续接触状态，在主轴高速旋转下会产 生微颤振，不利于提升表面粗糙度。用于精加工的陶 瓷结合剂铣磨工具，其单个金刚石磨粒的颗粒度较 小，且铣磨工具表面单位面积上的磨粒数量较多，因 此加工表面的沟槽分布密集而均匀，沟槽深度较浅， 表面整体平整光滑，经测量，表面粗糙度值可达 Ra=0.7m。 4 高体积分数SiCp/Al航天结构件铣磨加工试验 为了验证铣磨工艺加工高体积分数SiCp/Al航天 结构件的可行性，以加强棘爪、位标器支架与三维带 载体盒三种零件为对象，进行样件铣磨加工试验。试 验在德玛吉高速三轴立式加工中心上进行，三种典型 零件的铣磨加工工具与参数选择如表1所示。 表 1 高体积分数 SiCp/Al 航天结构件铣磨加工参数 铣磨参数 铣磨工具 转速/rmin -1 线速度/mmin -1 进给/mmmin -1 切深/mm 加强棘爪 粗加工 10000 314 200 0.5 10mm电镀铣磨头（120#） 精加工（余量0.5mm） 12000 226.08 120 0.04 6mm陶瓷铣磨头（240#） 位标器支架 粗加工 8000 502.4 240 0.5 20mm电镀铣磨头（80#） 精加工（余量0.5mm） 10000 314 160 0.08 10mm陶瓷铣磨头（240#） 带载体盒 粗加工 10000 314 200 0.5 10mm电镀铣磨头（120#） 精加工（余量0.5mm） 12000 150.72 120 0.04 4mm陶瓷铣磨头（240#） 这三种零件的外形尺寸与几何特征各不相同，加 强棘爪、位标器支架与带载体盒的外形尺寸分别为90 mm20mm15mm、130mm130mm70mm与25mm 25mm8mm。 三种零件的加工均采用粗加工与精加工 两道工序的加工方案，并根据零件特点设置精加工余 量。粗加工选用120#电镀金刚石铣磨头，精加工选用 240#陶瓷结合剂金刚石铣磨头，并根据零件的毛坯尺 寸与几何特征选用不同直径的铣磨工具。样件加工 中，结合工艺优化结果与实际设备状态，设置铣磨参 数，同时为保证铣磨线速度，对于小直径的铣磨头， 适当提高主轴转速。 铣磨加工的温度较高， 而SiCp/Al复合材料中的铝 基体熔点较低，在铣磨高温下，易发生熔化并附着于 铣磨工具表面，影响加工表面质量。因此，样件铣磨 过程中采用充分的油冷却措施。 此外，SiCp/Al复合材 料铣磨产生的磨屑呈碎屑状，尺寸较小，易进入设备 导轨等部位造成损伤，因此，实际加工过程中，需注 意对磨屑的收集。样件铣磨过程中，无明显颤振，加 工完成的样件无崩边等缺陷， 表面完整性好。 经检测， 零件尺寸精度、形位公差与表面粗糙度均符合设计要 求。加工过程与样件如图4所示。 a 加强棘爪铣磨加工 b 位标器支架铣磨加工 c 带载体盒铣磨加工 图 4 高体积分数 SiCp/Al 航天结构件铣磨加工 5 结束语 （下转第 22 页） 制造技术研究 2015 年 4 月第 2 期 22 跟踪仪由于测量范围的限制可能无法满足测量要求 的问题，提出将激光跟踪仪组网测量应用于大型紧缩 场天线现场测量与装调中。解决了组网过程中仪器站 位优化从而获得更高的测量精度；同时解决了组网测 量过程中，测量坐标系统一的问题，采用回归点进行 坐标转化，并对回归点布局进行了研究；最后成功地 将双站组网测量应用于大型紧缩场天线的现场装调 中， 并取得了较好的装调结果， 同时提高了装调效率。 参考文献 1 周贤宾，陈连峰，李东升. 反射器夹层面板精密成形原理J. 北京航空 航天大学学报，2004，30(4)：296300 2 于成浩，柯明. 基于激光跟踪仪的三维控制网测量精度分析J. 测绘科 学，2006，31(3)：2527 3 于成浩，董岚，柯明，等. 大尺寸激光跟踪仪三维控制网平面精度研究 J. 测绘科学，2008，33(2)：4244 4 马骊群， 王继虎， 曹铁泽， 等. 微波紧缩场面板的精密检测与定位J. 计 量学报, 2006，27(3A)：4548 5 倪爱晶， 郑联语. 基于形状误差不确定度的大尺寸测量系统优化配置方 法J. 计量学报, 2011，32(4)：289295 6 Anderson L, Groth L. 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