铝基碳化硅材料超精密加工研究进展

随着航空航天、汽车及光学精密仪器等领域对材料性能的日益增长，碳化硅（SiC）及其颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）以其优异性能得到了越来越多的关注。作为一种超硬陶瓷材料，SiC以其稳定的化学惰性、高热导率、高比刚度和耐高温性等高度理想的工程性能而成为空间激光镜以及非球面玻璃透镜热压成型模具的合适选择，这对其超精密加工提出了很高的要求。SiCp/Al复合材料同样具有比强度和比模量高、耐高温、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的综合性能，其中通过精密、超精密加工获得的SiCp/Al零部件主要应用于卫星轴承/天线、激光反射镜、惯性导航系统等。

SiC极高的显微硬度、高强度、强耐磨性使得即使用最坚硬的金刚石工具也难以加工，也正因为SiC颗粒的存在，SiCp/Al复合材料的加工十分困难，它们的加工表面质量更是难以控制，因而均属于典型的难加工材料。SiC及SiCp/Al复合材料的超精密加工是具有高难度和高技术含量的技术，对发展我国的航空航天和国防工业具有十分重要的意义，对促进其在汽车产业等民用领域的发展也有着积极的效益，因而针对于它们的超精密加工研究也成为近年来的研究重点和热点。

1  SiC材料超精密加工研究进展
(1)切削力
切削力是描述切削行为最主要的因素，对切削过程中的刀具行为具有决定性的作用。J. Dai等对碳化硅（SiC）进行了金刚石晶粒单粒磨削试验，研究磨削过程中刀刃半径和磨损对材料去除机理的影响。研究发现，在切削刃半径大于最大切削深度的脆性材料精密磨削中，切削刃半径存在临界值，当低于临界值时，增加切削刃半径可提高加工表面质量，相应地，切向磨削力（Ft）和法向磨削力（Fn）都随切削刃半径的增加而增加，切向力在切削刃半临界值处达到峰值，然后随着切削刃半径增加而下降（见图1），切削力对加工表面质量有着直接影响。

(2)刀具参数
在影响刀具加工的重要因素中，不同的刀具种类、刀具角度对SiC超精密加工结果有着非常显著的影响。姜胜强等进行了SiC材料单点金刚石超精密切削的离散元仿真，研究刀具前角大小、切削深度以及切削速度等加工条件对工件残余应力的影响。研究表明，SiC工件内的残余应力与切削速度及切削深度均呈正相关关系，随切削速度以及切削深度的增加而增加，刀具角度影响相对复杂，当刀具前角处于小负前角时(-20°～0°)，切削后的残余应力较小，而当前角过大或者过小时，都会产生很大的残余应力。

切削过程中，切削区域的高温高压环境极易引起SiC材料发生氧化，并粘附在刀具表面，严重影响加工表面质量。Z.P. Li等使用多晶金刚石（PCD）铣刀对高纯度SiC进行超精密微铣削加工，研究其加工特性。结果表明，当去除的切屑足够薄时，可以实现塑性模式加工，获得高质量表面（Ra=1.7nm），然而，尽管成功加工了具有纳米级表面粗糙度的微米尺寸的小孔和沟槽结构，但随着加工孔数的增加，加工表面粗糙度逐渐恶化且小孔深度变浅（见图2），这主要归因于粘附在工具表面上的异种材料的积聚，能量色散X射线光谱仪（EDS）分析表明粘附的材料是无定形SiO2。为了恢复PCD工具的切削性能，通过采用新的电化学辅助修复技术对工具表面进行修复，在不会损坏刀具的同时有效地去除了表面污染。

戴玉堂等采用超精密磨床结合在线电解修整的磨削方法（Electrolytic In-Process Dressing，ELID）对一种可用作光学反射镜材料的新型反应烧结碳化硅进行了磨削试验，研究了磨粒尺寸、结合剂种类以及砂轮形状对加工表面特性的影响，分析了磨削面微段差的形成机理，得到了表面粗糙度Ra=0.57nm的超光滑镜面。研究发现，加工表面粗糙度和亚表面缺陷与砂轮磨粒尺寸有关，磨粒尺寸越小，得到的加工表面精度越高，使用粒度W0.75的铸铁结合剂杯形砂轮时，可以获得表面粗糙度Ra=0.74nm的光滑表面，这主要是因为只有磨粒粒度足够小才能实现材料的塑性去除。

(3)刀具磨损
SiC材料的硬度非常大（9.5HM），与金刚石的硬度相差不大（10HM），在超精密加工过程中金刚石刀具会不可避免地发生磨损，缩短寿命而且影响加工表面质量。近年来的研究发现，金刚石刀具磨损主要包括切削过程中的热软化引起的物理磨损和石墨化化学磨损。S. Goel等使用分析键级势（ABOP）建立了3C-SiC的分子动力学单点金刚石车削（SPDT）纳米仿真，通过使用径向分布函数等方式研究该过程中金刚石刀具的磨损机理，并对其进行了量化分析。研究表明，切削过程中SiC和金刚石工具之间会有很强的磨蚀作用（见图3），切割区域的高温导致金刚石工具的硬度降低，径向分布函数和配位数分析显示，磨蚀作用产生的局部高温以及切削区域金刚石刀具和SiC之间的高压环境会引起金刚石工具的sp3-sp2杂化方式的转变（见图4），发生石墨化进而导致金刚石刀具磨损，刀具磨损主要表现为后刀面磨损。J. Dai等对碳化硅（SiC）进行了金刚石晶粒单粒磨削试验，研究发现侧面磨损是精密SiC磨削的主要磨损模式，单晶金刚石晶粒磨损率较高，而当出现过度的侧面磨损时，径向磨损率开始显著增加，刀具磨损与磨削力和磨削面也有关。

S. Takesuea等使用多晶金刚石（PCD）立铣刀对高纯度SiC材料进行了超精密铣削试验，使用扫描电子显微镜观察加工表面，使用扫描干涉测量法测量三维表面轮廓和表面粗糙度。研究发现，当未变形的切屑厚度足够小时，可以实现塑性模式表面加工，获得具有纳米级粗糙度的光滑表面，但表面粗糙度随着切削的进行而逐渐降低，使用能量色散X射线光谱法（EDX）进行PCD工具表面的元素分析，发现铣刀表面有二氧化硅（SiO2）粘附，SiO2会改变刀具表面形状从而降低加工表面精度，可以通过使用电解修复技术对SiO2进行去除以修正刀具形貌改善加工表面质量。

H. S. Lou等使用超精密研磨的方式加工了SiCp/Al复合材料空间反射镜镜坯，获得了表面粗糙度Ra=0.96nm的复合材料镜面。研究发现，材料晶粒尺寸在材料去除机制中起着重要的作用，当晶粒尺寸大于或等于10μm时，材料为脆性去除模式；当晶粒尺寸小于或等于5μm时，材料为塑性去除模式；当镜坯和抛光垫以相同的旋转方向旋转时，可以实现均匀的材料去除率，在超精密研磨360min后，表面粗糙度Ra=0.96nm的光滑表面。

由于具有优良的物理化学特性，碳化硅及其颗粒增强铝基复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、装备制造等各个领域，例如航天空间反射镜等，而针对它们的超精密加工成为研究和应用的热点。SiC具有典型硬脆材料的特征，超精密加工时其表面容易脆性破坏，而复合材料SiCp/Al精密加工的情况更加复杂，加工表面质量更加难以控制，因此针对这两种材料实现超精密加工成为重点攻克的难题。

本文综述了近年来SiC及SiCp/Al复合材料超精密加工的研究进展，重点关注了碳化硅超精密切削过程中的脆塑性转变以及铝基碳化硅的加工表面形成机理，对其加工过程中切削力、表面形成、刀具磨损、切屑形成等超精密加工过程中的机理以及各自超精密加工过程中的特点及各种其他影响因素进行了分析和总结，以期全面了解碳化硅及其颗粒增强铝基复合材料超精密加工的问题与改善方法。钧杰陶瓷还能根据客户提供的图纸，和加工需求，来进行加工定制。并且钧杰陶瓷加工出来的产品基本上是没有出现什么问题的，客户也是比较满意的，想要找钧杰陶瓷加工制做陶瓷产品的话，可以去钧杰陶瓷的官方网，留下你的详细信息就可以下单定做了，钧杰陶瓷：134 128 56568（微信号）