銑削加工參數(shù)對(duì)SiCp／Al復(fù)合材料表面粗糙度的影響

唐玲艷 牛秋林 李鵬南 劉 曉 邱新義

（1 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）（2 上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200240）

0 引言

在過去的幾十年，SiCp／Al復(fù)合材料已經(jīng)越來越多的用于航空航天工業(yè)和衛(wèi)星軸承、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光反射器的先進(jìn)武器系統(tǒng)。通過不同的制造技術(shù)使得高質(zhì)量的金屬基復(fù)合材料零件精準(zhǔn)化成型成為可能，但是為達(dá)到理想的表面質(zhì)量和有效的裝配尺寸公差，切削加工是不可替代的［1］。

金屬基復(fù)合材料的切削加工性能較差，所以它的切削加工難度大［2］，存在許多問題，例如刀具磨損大、切削力大以及容易形成毛刺等［3－5］。 Manna 等［6］研究了金屬基復(fù)合材料的機(jī)械加工性能；劉戰(zhàn)強(qiáng)等［7］對(duì)高速切削條件下切削力的變化規(guī)律做了深入的研究；張高峰等［8］采用硬質(zhì)合金涂層刀具開展SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金的切削加工，并分析硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)鋁合金的切削已加工表面損傷機(jī)理；Tamer Ozben等［9］研究了不同體積分?jǐn)?shù)的 SiCp／Al復(fù)合材料的力學(xué)性能和加工參數(shù)對(duì)刀具磨損和表面粗糙度的影響；葛英飛等［10］研究了切削用量、增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)和尺寸、刀具晶粒尺寸、冷卻條件及工件熱處理狀態(tài)等對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并探討了該材料高速銑削時(shí)的切屑形成機(jī)制［11］。以往的大多數(shù)文獻(xiàn)只研究了特定加工條件下已加工表面會(huì)出現(xiàn)某些損傷，而很少關(guān)注加工條件對(duì)已加工表面損傷的規(guī)律。本文采用單因素試驗(yàn)方法，研究切削速度、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量、徑向切寬和軸向切深4個(gè)因素對(duì)表面粗糙度的影響，探究加工參數(shù)對(duì)已加工表面損傷的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

硬質(zhì)合金涂層刀片（XOMX10T308TR－M09，F(xiàn)40M），刀片的主后角為15°，刀尖圓弧半徑為0.8 mm，有效刃長(zhǎng)為 9.3 mm，涂層材料為（Ti，Al）N－TiN，刀片安裝在直徑為20 mm的刀桿上。圖1是刀具幾何參數(shù)的示意圖。工件材料為SiCp／Al復(fù)合材料，SiCp體積分?jǐn)?shù)為20%。

圖1 刀具幾何參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic of tool geometry parameter

銑削試驗(yàn)在KVC800立式加工中心上進(jìn)行，該加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速為6 000 r／min。試驗(yàn)條件為干式銑削下的順銑。加工表面形貌采用型號(hào)為KEY?ENCE VHX－500FE的超景深三維顯微系統(tǒng)觀測(cè)。

采用單因素試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際加工中常用的工藝參數(shù)范圍，試驗(yàn)具體參數(shù)見表1。

表1 單因素銑削試驗(yàn)參數(shù)表Tab.1 Cutting parameter of single factor milling experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度

圖2為表面粗糙度的測(cè)量區(qū)域。在工件加工表面選取 R1、R2、R3、R4和 R5五個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域測(cè)量一個(gè)表面粗糙度值，最終的表面粗糙度值為這5個(gè)值的平均值。

圖3為表面粗糙度與各切削要素的關(guān)系曲線。由圖3（a）可知，當(dāng)切削速度＜120 m／min時(shí)，表面粗糙度隨切削速度的增大而增大。當(dāng)切削速度＞120 m／min時(shí)，表面粗糙度隨切削速度的增大而減小，這是由于切削速度的增大使得增強(qiáng)顆粒的主要去除形式變?yōu)榧羟腥コ?，減少了顆粒的壓入和拔出所形成的凸起和凹坑，從而使得表面粗糙度降低。

圖2 表面粗糙度的測(cè)量區(qū)域Fig.2 Measurement areas of surface roughness

圖3 表面粗糙度與各切削要素的關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship between surface roughness and the cutting factors

由圖3（b）可知，表面粗糙度值隨進(jìn)給量的增大而增大，進(jìn)給量在 0.02～0.06 mm／r時(shí)，表面粗糙度急劇增大，而＞0.06 mm／r后，增大較為平緩，由此可見，進(jìn)給量的增大對(duì)表面粗糙度的影響十分明顯。進(jìn)給量的增大，加工表面由于 SiC顆粒拔出、破碎而留下的坑洞、微裂紋、基體材料撕裂等缺陷也明顯增多［12］，同時(shí)也會(huì)增加積屑瘤和鱗刺的高度，加劇已加工表面的損傷［13］。 由圖 3（c）、（d）可知，表面粗糙度值隨徑向切深和軸向切深的增大而增大。

2.2 表面形貌

圖 4（a）～（e）對(duì)應(yīng)為圖 4（f）上標(biāo)記的（a）～（e）點(diǎn)的表面形貌，可以看到，從側(cè)棱邊到內(nèi)棱邊，小坑洞的數(shù)量由少變多，在靠近內(nèi)棱邊5 mm左右的地方［圖4（c）］數(shù)量最多，然后由多變少，靠近內(nèi)棱邊的表面小坑洞最少；同時(shí)，已加工表面損傷先變差然后變好，靠近內(nèi)棱邊的已加工表面損傷最小，靠近內(nèi)棱邊5 mm左右的地方［圖4（c）］損傷達(dá)到最大。由此可見，已加工表面的損傷跟刀尖在切過表面的路徑相關(guān)，小坑洞和表面損傷主要集中在離內(nèi)棱邊4～6 mm的范圍內(nèi)。因此在選擇徑向切深時(shí)，應(yīng)該盡量避免這個(gè)區(qū)域，選擇小于或等于4 mm的徑向切深。

圖 4 v＝120 m／min， f＝0.06 mm／r， ae＝10 mm， ap＝1.5 mm 時(shí)的表面形貌Fig.4 Surface morphology when v＝ 120m／min， f＝0.06mm／r， ae＝10mm， ap＝ 1.5mm

圖5 ～圖7所列出的形貌圖片均為已加工表面上破壞最為嚴(yán)重的區(qū)域。圖5為不同切削速度時(shí)的局部的表面形貌。由圖5可以看出，各加工表面均存在不同程度的損傷。在切削速度為40 m／min時(shí)，損傷面積最大，但整體深度不深（深度為33 μm）；而在切削速度120 m／min時(shí)，損傷深度最深（為67 μm）。

圖 5 不同切削速度時(shí)的表面形貌 ae＝6 mm， ap＝1.5 mm， f＝0.06 mm／rFig.5 Surface morphology in different cutting speeds ae＝6mm， ap＝1.5mm， f＝0.06mm／r

這是由于在切削速度40 m／min時(shí)，切削溫度較低，切削區(qū)保持較高硬度，前刀面上積屑瘤的生長(zhǎng)、脫落對(duì)加工表面造成的劃傷面積較大，但損傷深度較淺；而切削速度達(dá)到120 m／min時(shí)，切削區(qū)溫度較高，同時(shí)切削力較大，易使加工表面的材料撕裂，形成較深的表面損傷。隨著切削速度的進(jìn)一步增大，切削溫度升高，使得切屑變軟，積屑瘤的附著減小，同時(shí)切削力也減小，使得加工表面的損傷不論是面積還是深度均大大降低，故圖5（d）（e）的表面損傷相較于低速（＜120 m／min）時(shí)更小。

圖6是表面形貌隨進(jìn)給量的變化。從圖上可以看到，表面損傷隨著進(jìn)給量的增大而增大。進(jìn)給量增加，切削力增大，導(dǎo)致已加工表面損傷增大。

圖6 不同進(jìn)給量時(shí)的表面形貌 v＝120 m／min， ae＝6 mm， ap＝1.5 mmFig.6 Surface morphology in different feed v＝120m／min， ae＝6mm， ap＝1.5mm

圖7 為不同軸向切深和徑向切深的已加工表面形貌。從圖上看，不同軸向切深的表面損傷都比較嚴(yán)重，且表面損傷區(qū)別不是很大。徑向切深較大的表面損傷較大，徑向切深對(duì)表面質(zhì)量的影響較大。前面已經(jīng)分析了已加工表面的損傷跟刀尖在切過表面的路徑相關(guān)，刀尖在切過表面的路徑是造成徑向切深對(duì)表面質(zhì)量影響的重要因素。

圖 7 銑削加工表面形貌 v＝120 m／min， f＝0.06 mm／rFig.7 Cutting surface morphology with v＝ 120m／min， f＝0.06mm／r

綜上所述，切削速度、進(jìn)給量和徑向切深對(duì)已加工表面形貌的影響較大，而軸向切深對(duì)已加工表面形貌的影響較小。為了獲得較好的已加工表面，應(yīng)該選擇較大的切削速度（＞120 m／min），較小的進(jìn)給量和≤4 mm的徑向切深，對(duì)于影響較小的軸向切深根據(jù)加工余量進(jìn)行選擇。

3 結(jié)論

（1）隨著切削速度的增大表面粗糙度先增大后減少，在切削速度為120 m／min時(shí)達(dá)到峰值，且進(jìn)給量、徑向切深和軸向切深的增大使表面粗糙度增大。

（2）在SiCp／Al復(fù)合材料的銑削加工過程中，使用大的切削速度、較小的進(jìn)給量和≤4 mm的徑向切深能獲得較好的加工表面質(zhì)量，而軸向切深可以根據(jù)實(shí)際加工余量進(jìn)行選擇，這為選擇合適的實(shí)際加工參數(shù)提供參考。

［1］ HUNG N P，LOH N L，XU Z M.Cumulative tool wear in machining metal matrix composites part II：machinability［J］.Journal of Materials Processing Technology，1996，58（58）：114－120.

［2］ RAMULU M，RAOP N，KAO H.Drilling of（Al2O3）p／6061 metal matrix composite［J］.Journal of Materials Processing Technology，2002，124（1）：244－254.

［3］ MONAGHAN J，O＇REILLY J.The drilling of an Al／SiC metal matrix composite［J］.Journal of Materials Processing Tech?nology，1992，33（4）：469－480.

［4］ MUBARAKI B，BANDYOPADHYAY S，F(xiàn)OWLE R，et al.Machining studies of an Al2O3－Al metal matrix composite Part I：Drill wear characteristics［J］.Journal of Materials Science，1995，24：6273－6280.

［5］ MUBARAKI B，F(xiàn)OWLE R，MATHEW P，et al.Quanti?tative aspects of drilling a metal matrix composite［J］.Journal of the Australian Ceramic Society，1994，30：137－163.

［6］ MANNA A，BHATTACHARYA B.A study on machin?ability of Al／SiC－MMC［J］.Journal of Materials Processing Tech?nology，2003，140（1／3）：711－716.

［7］劉戰(zhàn)強(qiáng)，萬熠，艾興.高速銑削中切削力的研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2003，14（09）：734－737.

［8］張高峰，譚援強(qiáng)，鄧朝暉.Al／SiCp復(fù)合材料銑削加工損傷形貌與分析［J］.湘潭大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，31（3）：59－64.

［9］ OZBEN T，KILICKAP E，CAK?R O.Investigation of me?chanical and machinability properties of SiC particle reinforced Al－MMC［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，198（1／3）：220－225.

［10］ 葛英飛，徐九華，張帥，等.工件材料特性對(duì) SiCp／Al復(fù)合材料高速銑削加工性的影響［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2013，32（9）：1281－1286.

［11］葛英飛，徐九華，張帥，等.SiCp／Al復(fù)合材料高速銑削加工表面質(zhì)量及切屑形成機(jī)制［J］.機(jī)械工程材料，2012（2）：15－18.

［12］葛英飛.SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超精密車削的基礎(chǔ)研究［D］.南京航空航天大學(xué)，2007.

［13］陳日曜.金屬切削原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984：145－150.