干式銑削Al-50wt%Si高硅鋁合金刀具磨損與表面粗糙度評價

牛秋林 張深圳 荊露 李爽 李鵬南

（湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201）

0 引言

高硅鋁合金復合材料具有高導熱性、線脹系數低、剛度高、質量輕等優異的性能，被廣泛應用于電子封裝、軍工、航空、汽車等重要領域［1-2］。然而，高硅鋁合金在切削加工時，由于其含有大量的硬質硅顆粒，易造成嚴重的刀具磨損，加劇加工表面質量的惡化，屬于典型的難加工鋁基復合材料［3-4］。因此，開展有關切削參數對刀具磨損和表面粗糙度影響規律的研究，對于優化切削加工高硅鋁合金的參數選擇，提高刀具使用壽命和加工表面質量具有較高的實際應用價值和指導意義。

近年來，針對切削加工硅鋁合金復合材料刀具磨損問題的研究，受到了國內外研究者的廣泛關注。T.WADA等［5］采用聚晶金剛石（PCD）刀具切削加工兩種不同粒徑的Al-17wt%Si 硅鋁合金，發現硅顆粒尺寸對加工過程中刀具磨損有著重要影響，并且，通過減小硅顆粒的大小，可以降低刀具的磨損程度。J.KUCZMASZEWSKI等［6］比較了無涂層、TiB2涂層與TiAlCN 涂層硬質合金刀具，銑削硅鋁合金的切削性能，結果表明，涂層刀具的切削加工性更好，并且TiAlCN 涂層刀具更加適合切削硅鋁合金。Y.G.WANG等［7］對聚晶金剛石（PCD）刀具高速銑削硅鋁合金刀具磨損的機理進行了研究，試驗結果顯示，刀具前刀面的磨損形式為粘結磨損，后刀面的主要磨損形式為磨粒磨損和擴散磨損。張而耕等［8］利用含氫和無氫兩種DLC涂層刀具，進行了銑削加工ZL108硅鋁合金試驗，發現無氫DLC 涂層銑刀表現出更小的切削力、更低的刀刃磨損量和切屑黏附量。

綜上所述，目前針對切削加工硅鋁合金材料刀具磨損的研究，主要集中于不同類型刀具切削性能的比較、表面缺陷的形成機理分析，以及刀具的磨損機理分析，并且使用的硅鋁合金材料中硅含量較低，缺乏對高硅鋁合金及其切削參數的優化等實際加工問題的基礎研究。為此，本文遵循綠色環保理念，采用干加工的方式，開展Al-50wt%Si 高硅鋁合金銑削試驗研究，重點分析切削參數對刀具后刀面磨損和表面質量的影響，以及探究刀具磨損對表面質量的影響，以期為開展高速、綠色切削高硅鋁合金選擇最優切削參數提供試驗依據。

1 試驗條件及設計

1.1 試驗條件

Al-50wt%Si 高硅鋁合金材料（對應的國外牌號為CE11）是通過急速冷卻工藝制造成形，其金相組織結構如圖1所示，物理和力學性能如表1所示。

表1 Al-50wt%Si高硅鋁合金物理及力學性能Tab.1 Physical and mechanical properties of Al-50wt%Si high silicon aluminum alloy

圖1 Al-50wt%Si高硅鋁合金金相圖Fig.1 Metallographic diagram of Al-50wt%Si high silicon aluminum alloy

干式銑削試驗（順銑）在KVC800/1 數控加工中心上進行，工件和刀具裝夾方式如圖2所示。試驗選用無涂層硬質合金刀片（XOEX10T308FR-E05，H15），刀片前角21°，主后角15°，刀尖圓弧半徑為0.8 mm，其幾何結構圖如圖3 所示。銑刀桿直徑為20 mm，每次試驗僅裝夾一個刀片。

圖2 試驗平臺Fig.2 Test platform

圖3 刀片幾何結構Fig.3 Blade geometry diagram

1.2 試驗設計

采用單因素試驗方法，固定徑向切削寬度ae=5 mm，通過文獻研究可以得出高速高效銑削加工硅鋁合金材料的切削參數范圍［5-8］：80＜v＜400 m/min、0.05＜fz＜0.16 mm/z、0.5＜ap＜2.5 mm，從而，本文擬選定的切削參數如表2 所示。選用通用的后刀面磨損量（VB）評價參數，并以VB＞0.3 mm作為刀具磨損的評價標準。進行分段銑削，每次銑削350 mm 之后，采用VHX-500FE 超景深顯微系統和JITAI820 表面粗糙度儀，分別對刀具VB、表面粗糙度（Ra）進行測量。

表2 試驗切削參數Tab.2 Test cutting parameters

2 試驗結果與分析

2.1 銑削參數對刀具后刀面磨損量的影響

圖4 為銑削參數對刀具后刀面磨損量的影響。依據刀具后刀面磨損量隨切削長度變化曲線的斜率變化，將刀具磨損劃分為3個階段：初期磨損（Ⅰ）、正常磨損（Ⅱ）、劇烈磨損（Ⅲ）。

由圖4（a）的變化趨勢圖可以得出，在切削長度為350 mm 階段，當每齒進給量為0.07 mm/z 和0.16 mm/z時，獲得較大的刀具后刀面磨損量，而隨著切削的進行每齒進給量為0.13 mm/z 時刀具磨損較劇烈，此外，在fz=0.16 mm/z 的切削條件下，顯示了明顯的刀具磨損三階段。在達到評價標準時，當每齒進給量從0.07 mm/z增加到0.16 mm/z時切削長度增加了3 倍。由此可知，在高進給量條件下，刀具可以獲得較長的使用壽命。這主要是由于在220 m/min 的高速切削條件下，高進給量致使切削溫度升高較快，鋁基體軟化顯著，刀具后刀面粘結程度增加，減少了后刀面與工件已加工表面之間的直接相互作用，對刀具后刀面起到一定的保護作用，從而形成了在高進給量條件下刀具后刀面磨損量較低的情況。

圖4（b）可以觀察到，隨著ap的增加，刀具VB基本呈增加的趨勢，并且刀具磨損均大致呈現磨損的3個階段。這主要是因為，隨著ap的增加，切削面積、切削力和摩擦程度隨之增加，導致刀具后刀面磨損量的增加；此外，切削溫度也將增加，鋁基體軟化，從而致使刀具后刀面磨損發生輕微的增加。另外，從實際加工的切削效率和加工成本方面考慮，由圖4（b）也可以看出，雖然軸向切削深度從1 mm 增加到2.5 mm刀具后刀面磨損量明顯增加，然而，在達到相同后刀面磨損量評價標準時，軸向切削深度為1 mm時的切削長度僅是2.5 mm 時的1.1倍。而經過計算得出，在去除相同體積時，軸向切削深度為2.5 mm時將減少2.5倍的加工時間。

圖4（c）可以看出刀具VB隨著v的增加而增加。另外，從圖4 中曲線的斜率變化可以看出，相比于fz和ap，v對刀具后刀面磨損的影響最大。切削速度對刀具后刀面磨損的影響，可歸因于刀具表面在高接觸壓力和高摩擦條件下形成粘結層的穩定性［9］。在140 m/min 低切削速下，刀具磨損呈現出明顯的磨損3 階段，這主要是因為在低速切削條件下，雖然粘結層的生長速度較慢，但其穩定性較好，對刀具起到積極的保護作用；而在260 m/min 高切削速度條件下，切削溫度升高，鋁基體軟化程度增加，粘結層生長速度較快，而硅顆粒與刀具的撞擊和劃擦頻率也增加，粘結層易脫落，從而導致刀具磨損較快。從圖5中可以看出，在低速切削條件下，刀具后刀面切削刃附近粘結層的寬度較大。另外，v為140 m/min的L是260 m/min 切削條件下的3 倍，而此時的VB僅是260 m/min速度下的0.8倍。

圖5 不同切削速度下刀具后刀面形貌Fig.5 Tool flank surfaces at different cutting speeds

通過以上關于切削參數與切削長度對刀具磨損的影響分析，可以得出，v對刀具VB的影響最大，其次是fz、ap。在高fz和低v、中等ap的參數組合下，可以獲得較長的刀具使用壽命。另外，本文試驗中獲得最長的刀具使用壽命參數組合為：fz=0.1 mm/z、ap=1.5 mm、v=140 m/min。

2.2 切削參數與刀具磨損對表面粗糙度的影響

利用JITAI820 表面粗糙度儀測試工件加工后的表面粗糙度。圖6為fz、ap、v和VB對Ra的影響，其中折線圖為表面粗糙度的變化曲線，柱狀圖高度為后刀面磨損量。

圖6 表面粗糙度隨切削參數和切削長度變化趨勢Fig.6 The changes of surface roughness with cutting parameters and cutting length

由圖6 可以觀察到，在不同的參數組合下，可以得出一個相似的規律：在正常切削階段，隨著L的增加，即刀具磨損程度增大，而Ra大致呈現先增加再降低的變化趨勢；此外，L從350 mm 增加到1750 mm時，VB平均增加4.5 倍，而Ra卻下降2 倍。這主要是因為在切削初期，刀具切削刃比較鋒利，切削過程中硅顆粒易被拔出、切斷和碎裂，從而導致表面粗糙度較大。隨著切削的進行，切削刃粘結程度增加使刃口鈍化，刀具切削時對加工表面的擠壓熨平作用增強，使表面粗糙度呈降低的趨勢［10］。

圖6（a）為Ra隨fz和VB的變化趨勢圖，可以看出，當L小于1400 mm時，Ra隨fz的增加而增加。另外，在L為350 mm 階段，即刀具磨損對Ra影響較小的情況下，fz從0.07 mm/z 增加到0.16 mm/z時Ra增加2 倍。分析該影響規律形成的原因，一方面，主要是由于隨著每齒進給量的增加，加工表面銑削痕跡變得明顯；另外，隨著每齒進給量的增加，每齒的切削體積增大，從而使切削力增加，切削過程中產生機械振動的可能性增加。另一方面，隨著每齒進給量的增加，切削溫度升高，導致硅顆粒與鋁基體的結合強度降低，使顆粒易被拔出或壓入［11］。最終在多因素的共同作用下，導致表面粗糙度隨著每齒進給量的增加而增加。

從圖6（b）Ra隨著ap和VB的變化趨勢圖可以看出，在L為350 mm 階段，隨著ap的增加，Ra呈現增加的趨勢，并且ap從1 mm 增加到2.5 mm 時，Ra增加近2倍。這主要是由于軸向切削深度的增加，使切屑變形力和摩擦力增加，導致切削力的增幅較大，切削過程中產生的振動增加，從而造成表面粗糙度的增加。另外，當軸向切削深度為最大值2.5 mm 時，隨刀具磨損的增加表面粗糙度降低比較顯著，這主要是由于在220 m/min 切削速度下，軸向切削深度越大，切削力和摩擦明顯增大，切削溫度也隨之變化較大，刀具鈍化嚴重，刀具后刀面對加工表面的熨壓作用越顯著，從而刀具磨損對降低表面粗糙度的積極作用越顯著。由圖6（c）可以看出，v對Ra影響相對比較復雜，呈現先減小再增加后減小的變化趨勢。切削速度對于表面粗糙度的影響，可以歸結于切削刃形成粘結層的嚴重程度來解釋［12］。在低切削速條件下，切削溫度低，切削刃粘結程度低，切削刃相對比較鋒利，從而導致刀具與硅顆粒相互作用時易被拔出、切碎，使表面形成不規則的凹坑，導致表面粗糙度的增加。另外，低速切削時切屑的流動速度較慢，切屑中攜帶的碎裂硅顆粒，在切屑的彎曲變形時易脫落，經切削刃的擠壓對加工表面產生劃傷形成溝槽；而經刀具后刀面的熨壓將會黏附在加工表面上形成凸點，從而對表面質量產生消極的影響［13］。在高切削速條件下，刀具與顆粒相互作用的頻率較大，刀具磨損和鈍化嚴重，而刀具鈍化對降低表面粗糙度起積極作用。

通過以上關于切削參數和刀具磨損對表面粗糙度的影響分析，可以得出，fz對Ra的影響最大，其次是ap和v。并在低fz、低ap、高v條件下，可以獲得較好的表面質量。另外，本文試驗中獲得的最佳表面質量參數組合為：fz=0.07 mm/z、v=220 m/min、ap=1.5 mm。

2.3 刀具后刀面磨損分析

為分析刀具后刀面磨損形成的原因，試驗結束后，通過利用日立SU3500 掃描電子顯微鏡（SEM）對刀具后刀面形貌進行拍照和能譜分析。圖7 為不同切削條件下刀具后刀面的磨損情況，以及磨損處的能譜分析。

圖7 不同切削條件下的刀具后刀面SEM和EDSFig.7 SEM and EDS of tool flank under different cutting conditions

圖7（b）為刀具后刀面磨損帶SEM照片和能譜分析，顯示了明顯的刀具后刀面均勻磨損帶和機械劃痕。這主要是因為，在切削加工過程中，刀具作為切削熱傳導的主要載體之一，以及刀具后刀面與工件的高摩擦作用，使刀具表面溫度升高，刀具表面硬度將有所降低，而高硅鋁合金材料中存在的大量硬質硅顆粒，在刀具切削時硅顆粒將會對刀具后刀面產生連續的“微切削”作用，造成嚴重的機械劃痕，這種磨損形式為磨粒磨損［14］。此外，由于刀具與工件之間不斷的循環接觸，最終導致刀具后刀面產生均勻的磨損帶。以上作用機理可從圖7（b）刀具后刀面磨損帶能譜分析中檢測出Si元素得到相應的佐證。

從圖7（c）刀具磨損形貌圖觀察到，在刀具后刀面靠近切削刃的位置出現不同大小的凹坑現象，即切削刃崩刃。分析其形成的原因，一方面，主要是由于在切削初期，切削刃比較鋒利，切削過程中硅顆粒對切削刃產生不斷的機械撞擊；此外，銑削加工為斷續切削，刀具會受到交變熱應力的影響，在機械撞擊-熱應力耦合作用下，切削刃產生機械疲勞裂紋，并隨著裂紋的擴展產生崩刃［15］。另外，隨切削的進行，刀具表面易粘結大量的基體元素，覆蓋在切削刃的邊緣形成粘結層，雖對刀具產生一定的保護作用，但在切削過程中易脫落，剝落刀具基體材料，該現象在切削刃存在裂紋的情況下更加明顯，從而造成嚴重的刀具崩刃磨損。以上作用機理，可以從圖7（b）未脫落的粘結層和圖7（c）崩刃位置的能譜分析中檢測到Al和Si元素給予佐證。

3 結論

（1）通過進行單因素銑削試驗，對加工Al-50wt%Si 高硅鋁合金材料的硬質合金刀具磨損行為進行了研究，討論了切削參數對刀具磨損的影響規律，得出了刀具磨損受切削參數的影響程度：切削速度＞每齒進給量＞軸向切削深度。刀具使用壽命最長的參數組合：fz=0.1 mm/z、ap=1.5 mm、v=140 m/min。

（2）通過單因素銑削試驗，探究了切削參數和刀具磨損對加工表面粗糙度的影響規律，得出了表面粗糙度受切削參數的影響程度：每齒進給量＞軸向切削深度＞切削速度。表面粗糙度隨刀具后刀面磨損量的增加呈現先增加后降低的變化趨勢。表面質量最佳的參數組合：fz=0.07 mm/z、v=220 m/min、ap=1.5 mm。

（3）硬質合金刀具銑削Al-50wt%Si 高硅鋁合金材料的主要磨損形式為磨粒磨損、崩刃。