PCD刀具超聲銑削SiCp/Al復(fù)合材料的試驗研究

高國富，何全茂，董小磊，向道輝，趙 波

（1.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，焦作 454000；2.河南工程技術(shù)學(xué)校 機(jī)電工程系，焦作454000；3.鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程系，鄭州450064 ）

0 引言

現(xiàn)代化科技和現(xiàn)代工業(yè)對材料要求的不斷提高，除要求材料具有一些特殊性能外，還要具有優(yōu)良的綜合性能。單一的工程材料均難以同時滿足這些性能要求，對具有優(yōu)良性能的復(fù)合材料的持續(xù)需求，有力地促進(jìn)了先進(jìn)復(fù)合材料的迅速發(fā)展。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、線膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨耐熱耐腐蝕性高、減振、抗疲勞破壞、安全性好、價格低廉及可重熔性好等優(yōu)良性能而得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。

表1 刀具參數(shù)

表2 SiCp/Al的材料特性

在鋁中添加硬度高的SiC顆粒，構(gòu)成SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al），材料性能得到極大改善，廣泛用于航空航天、國防等高科技領(lǐng)域。15%以上的SiC含量就使其成為難加工材料，阻礙了工業(yè)化應(yīng)用。本文針對SiC含量超過50%的SiCp/Al，采用超聲輔助銑削加工方式，研究SiCp/Al銑削力的變化規(guī)律，分析SiC顆粒的變形破壞方式、工件表面的微觀形貌。

1 試驗條件和方法

SiCp/Al 硬度高、脆性大，采用普通切削工藝存在切削力大、刀具磨損快、切削溫度不穩(wěn)定等問題[3,4]。本文采用工件振動的超聲銑削工藝，工件振動方向切削速度方向垂直，刀具選用耐磨性優(yōu)良、耐熱性較好、硬度和韌性較高的PCD刀具和硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行對比試驗。試驗在數(shù)控銑床上進(jìn)行，切削刀具參數(shù)和試件材料特性分別如表1和表2 所示。

2 銑削力試驗分析

2.1 銑削速度對銑削力的影響

銑削參數(shù)：進(jìn)給量0.02mm/z，銑削深度0.2mm，銑削寬度6mm。銑削速度對銑削力的影響如圖1所示。

由圖1可知，在其他銑削參數(shù)不變的情況下，隨著銑削速度的提高，普通銑削和超聲銑削的銑削力Fz、Fy、Fx都呈現(xiàn)出整體增大的趨勢，并且在銑削速度提高過程中的銑削振動也明顯增大。這主要是因為：

1）隨銑削速度增加，材料應(yīng)變速率增加，單位時間內(nèi)的切削體積增大而導(dǎo)致銑削力增大。變形區(qū)的應(yīng)變速率增大，導(dǎo)致基體非定向滑移過程中高強(qiáng)度增強(qiáng)顆粒解離破碎增多，而導(dǎo)致切削力增大[5,6]。

2）超聲銑削中的Fy、Fx要比普通銑削中的Fy、Fx平均低15～30N。這說明超聲銑削可以降低銑削力，提高銑削穩(wěn)定性。

2.2 進(jìn)給量對銑削力的影響

銑削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速6000rpm，銑削深度0.2mm，銑削寬度6mm。進(jìn)給量對銑削力的影響如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著進(jìn)給量增加，超聲銑削和普通銑削的切削力都隨之上升。這是因為進(jìn)給量增大，單位時間內(nèi)進(jìn)入刀具的金屬切削量增多，銑削過程銑削阻力就越大，切削力上升。對銑削SiCp/Al復(fù)合材料來說，當(dāng)進(jìn)給量增大時，SiC顆粒直接被切斷的機(jī)會減少，切削抗力大大提高，切削力增大。

2.3 銑削深度對銑削力的影響

銑削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速6000rpm，進(jìn)給量0.02mm/z，銑削寬度6mm。銑削深度對銑削力的影響如圖3所示。

圖3 銑削深度與銑削力的關(guān)系

從圖3可以看出，當(dāng)切削深度從0.5mm增加到2mm時，F(xiàn)y、Fx基本上程線性增大，F(xiàn)z變化不大。而其當(dāng)銑削深度增大到2mm時，超聲振動銑削的切削力幾乎與普通銑削相同。這時應(yīng)為當(dāng)切削深度增大時，刀具對工件的壓力增大，導(dǎo)致工件振動效果降低，從而削弱了超聲的作用。

3 表面形貌分析

超聲切削SiCP/Al復(fù)合材料時，SiCP的變形破壞方式與該復(fù)合材料的普通切削類似，主要有三種：即直接剪斷型、拔出型、壓入型，但每種形式存在的概率與普通切削相比，有相當(dāng)大的差別。

圖 4 超聲銑削SiCp/Al時的顆粒破壞模型

圖4（a）、（b）、（c）分別為PCD刀具超聲銑削SiCP/Al復(fù)合材料時的三種SiC顆粒變形破壞方式的SEM照片。圖（4a）為SiC顆粒直接剪斷型的SEM照片，圖（4b）為SiC顆粒拔出型的SEM照片，這是由于基體材料強(qiáng)度較低，剪切力大于顆粒與基體之間的粘結(jié)力而造成的。這種破壞方式在銑削鋁基復(fù)合材料時極易出現(xiàn)，圖（4c）為SiC顆粒壓入型的SEM照片，從圖中可見，SiC顆粒被壓切斷裂之后留在工件已加工表面上。這種破壞方式多出現(xiàn)在切削刃磨損時出現(xiàn)，特別在用硬質(zhì)合金刀具銑削時極易出現(xiàn)[7,8]。

PCD刀具和硬質(zhì)合金刀具銑削SiCp/Al試件表面微觀結(jié)構(gòu)的SEM照片如圖5、圖6所示。

圖 5 PCD刀具超聲銑削SiCp/Al的表面微觀結(jié)構(gòu)

圖 6 硬質(zhì)合金刀具超聲銑削SiCp/Al的表面微觀結(jié)構(gòu)

從圖5、6中可以看出，超聲切削時SiC顆粒主要以直接剪斷型為主，而普通切削時SiC顆粒主要以拔出型和壓入型為主。這是因為在超聲振動切削過程中，由于附加了超聲振動，在刀尖部位聚集了極大的能量，再加瞬時作用，對強(qiáng)度高的顆粒也能容易地切斷，因而有效地避免了拔出或挑起[9]；另一方面切削力很小，對加工表面的擠壓力很小，使刀具能平穩(wěn)地切削軟的鋁合金和硬的SiC顆粒。也正是這個原因，超聲切削的表面質(zhì)量明顯好于普通切削的表面質(zhì)量。

另外，從圖5和6還可以看出，用PCD銑削加工的已加工表面的刀具劃痕非常清晰，而用YG6的已加工表面有明顯的積壓痕跡，由于刀具與工具的擠壓，大部分工件表面出現(xiàn)燒傷。這是因為PCD硬度較高，有比較鋒利的切削刃，且不易磨損；而YG6在切削SiCp時極易磨損，在刀具的磨損過程中，SiCp的破壞方式多為壓入型方式。

4 結(jié)論

1）通過銑削力實驗發(fā)現(xiàn)，超聲銑削的銑削力低于普通銑削；而銑削參數(shù)中，銑削速度和進(jìn)給量對銑削力的影響較大，切削深度相對較小。

2）通過對不同兩種加工條件下SiCp/Al復(fù)合材料的表面微觀形貌分析，普通銑削時SiCp主要以拔出型和壓入型為主，而超聲銑削時SiCp主要以直接剪斷型為主；采用PCD超聲銑削時顆粒直接剪斷型為其主要的破壞變形方式，而采用YG6超聲銑削時顆粒的直接剪斷型明顯減少，被壓入的破壞方式增多。

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