SiCp/Al金屬基復(fù)合材料精密切削加工技術(shù)研究

李磊

（鄭州旅游職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450000）

1 概述

金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用廣，其力學(xué)特性好，膨脹系數(shù)低[1]。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料加工難度大，并且隨著增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)和顆粒尺寸的增大，它的加工難度隨之增加，傳統(tǒng)切削加工會(huì)導(dǎo)致劇烈的刀具磨損，甚至影響加工質(zhì)量，以及由此帶來(lái)的高加工成本[2]。而特種加工技術(shù)則具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

2 精密切削技術(shù)研究

盛精[4]等通過(guò)仿真建模，得出生產(chǎn)加工進(jìn)行切削要求設(shè)備精度比較高，成本高的特點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析，可以對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)分析，節(jié)約了成本，又加快了科研進(jìn)程。

2.1 力學(xué)分析

Pramanik[5]等建立了力學(xué)模型，研究切削過(guò)程中的切削力的影響因素及走勢(shì)。Dabade[6]等基于摩擦力學(xué)，研究刀具、切屑摩擦力，預(yù)測(cè)切削力的特點(diǎn)及走勢(shì)。王業(yè)甫[7]等建立超精密切削力學(xué)有限元仿真模型，發(fā)現(xiàn)刀具磨損加劇的主要原因之一是SiC 顆粒硬度和切削應(yīng)力都過(guò)大導(dǎo)致。切削速度對(duì)刀具的磨損影響大。平均主切削力跟隨刀具切削速度變大而變大，刀具前角基本無(wú)變化，如圖1、圖2 所示。孔林雁[8]等發(fā)現(xiàn)切削力隨著刀尖圓弧半徑的減小而減小，切削速度變大后切削力開(kāi)始變化明顯。正確選擇刀具，可以保證切削的順利進(jìn)行，從而獲得質(zhì)量更好的產(chǎn)品。如圖3 所示。

圖3 刀尖圓弧半徑影響切削力的曲線(xiàn)

2.2 表面質(zhì)量控制

張德光[9]等認(rèn)為SiCp/Al 復(fù)合材料在切削加工過(guò)程中，材料加工表面質(zhì)量的最主要影響因素是切削參數(shù)和加工刀具，其次是顆粒特征及其分布。因此，優(yōu)化切削參數(shù)和選擇確定刀具是解決加工表面質(zhì)量問(wèn)題的重要內(nèi)容。Dabade[10]等比較了不同體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al 材料的切削表面，得出了較低體積分?jǐn)?shù)的材料表面存在著較少的凹坑和裂紋等表面質(zhì)量缺陷。反之，表面質(zhì)量缺陷明顯的結(jié)論。葛英飛[11]等人研究顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料，?=35%，切屑的鋸齒形狀比較明顯。同時(shí)，增強(qiáng)顆粒占比越少，加工過(guò)程產(chǎn)生的微裂紋和孔洞越少。反之，孔洞越多，材料變形明顯，剪切角波動(dòng)變化明顯。經(jīng)過(guò)熱處理，材料硬度變大，整體變形不均勻性變化明顯，切屑的鋸齒形狀更趨明顯。崔巖[12]等調(diào)整機(jī)床切削參數(shù)，研究加工過(guò)程的速度對(duì)表面質(zhì)量的影響控制。對(duì)刀具進(jìn)給速度、機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，刀具進(jìn)給速度變化時(shí)，工件表面質(zhì)量影響大。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的影響未呈現(xiàn)，如圖4 所示。

圖4 ?=35%，S=7μm ?=20%，熱處理

2.3 刀具磨損

葛英飛[13]等認(rèn)為在切削SiCp/Al 復(fù)合材料過(guò)程中，SCD 刀具和工件振動(dòng)比較嚴(yán)重，且SiC 增強(qiáng)顆粒對(duì)切削刃或前刀面具有頻繁的強(qiáng)力沖擊作用，刀具因此承受的沖擊應(yīng)力較大。在上述因素作用下，當(dāng)?shù)毒呷锌诰植繀^(qū)域應(yīng)力達(dá)到其脆性解理強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生微小的脆性剝落或崩刃。即SCD 刀具脆性崩刃、剝落情況較嚴(yán)重。PCD刀具后刀面、前刀面和刃口部位都會(huì)發(fā)生明顯的磨損。增強(qiáng)顆粒在切削過(guò)程中對(duì)刀具進(jìn)行不斷地刻劃和微切削，這使得金剛石和結(jié)合劑之間的結(jié)合遭到了破壞，使金剛石顆粒從刀具材料中脫落。進(jìn)而得出了刀具的前刀面和后刀面分別呈現(xiàn)不同磨損的結(jié)論，如圖5 所示。王明海[14]等做了45%SiCp/Al 復(fù)合材料車(chē)削過(guò)程的刀具磨損和刀具的使用壽命分析，隨著切削進(jìn)行，PCD 刀具的前刀面磨損加大，磨損形式呈現(xiàn)出磨粒磨損、晶粒脫落。后刀面磨損形式為磨粒磨損。段春爭(zhēng)[15]等做了不同鋁基體SiCp/Al 復(fù)合材料切削力與刀具的磨損研究，對(duì)比切削 SiCp/6063Al 和 SiCp/2024Al 材 料 發(fā) 現(xiàn)， 切 削SiCp/6063Al 時(shí)刀具前刀面粘結(jié)磨損加劇而顆粒磨損減少，刀具后刀面磨損程度相對(duì)較高，如圖6 所示。

圖5 SCD 刀具、PCD 刀具切削

圖6 SiCp/2024Al 刀具前刀面 SiCp/6063Al 刀具前、后刀面磨損 v=80m/min

3 填充精密切削材料的活塞應(yīng)用

根據(jù)以上精密切削特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種超精密切削的復(fù)合材料汽車(chē)用活塞，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞工作條件要求高。為提高活塞的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能，采用加入SiC 顆粒的復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，但這樣將會(huì)增加加工難度。為此，我們建立活塞的微觀(guān)組織多尺度切削仿真模型，如圖7所示，進(jìn)行仿真模擬分析運(yùn)算，分析活塞的各個(gè)工況，得出其溫度和應(yīng)力分布的結(jié)論符合理論形態(tài)。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了建模、加載和求解分析的全過(guò)程，提取出應(yīng)力應(yīng)變最大節(jié)點(diǎn)。并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)整了活塞體的生產(chǎn)加工工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了以上理論研究。

圖7 活塞的ABAQUS 有限元分析

4 結(jié)論

SiCp/Al 復(fù)合材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛，切削加工作為其機(jī)械加工的主要方法，高效精密切削加工技術(shù)仍然是SiCp/Al 金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的重要方法和重要研究課題。如通過(guò)正確合理地選擇加工參數(shù)和刀具，降低表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量表面控制，提高切削加工質(zhì)量。

今后研究仍需進(jìn)一步完善模型，建立更優(yōu)化的仿真模型研究分析SiCp/Al 金屬基復(fù)合材料的切削加工工藝。進(jìn)行機(jī)理研究，完善理論研究基礎(chǔ)，為生產(chǎn)提供工藝參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)和借鑒，促進(jìn)PRMMCs 機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步。此外，相關(guān)成果與技術(shù)也可以推廣到到其它類(lèi)型金屬基復(fù)合材料生產(chǎn)加工，促進(jìn)復(fù)合材料機(jī)械加工行業(yè)和技術(shù)發(fā)展和有效實(shí)施。