切削參數(shù)對SiCp/Al復(fù)合材料銑削棱邊形貌的影響

牛秋林 唐玲艷 劉 曉 李鵬南 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)

切削參數(shù)對SiCp/Al復(fù)合材料銑削棱邊形貌的影響

牛秋林1唐玲艷1劉 曉2李鵬南1邱新義1

(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)

文摘針對20vol%的SiCp/Al復(fù)合材料的棱邊缺陷問題，利用單因素實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行面銑，研究了切削參數(shù)對出口棱邊形貌的影響。研究結(jié)果表明：出口棱邊形貌受銑削速度變化的影響較大，在低速(40和80 m/min)和高速(200 m/min)時(shí)棱邊形貌均較好；當(dāng)進(jìn)給量為0.02和0.04 mm/r時(shí)，出口棱邊主要存在毛刺。隨著進(jìn)給量的不斷增大，棱邊出現(xiàn)了嚴(yán)重的缺陷和表層剝落，之后棱邊又以少量的毛刺和缺陷為主。當(dāng)只改變軸向切深時(shí)，出口棱邊均會出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷，只改變軸向切深對改善棱邊形貌質(zhì)量效果不顯著。因此，當(dāng)銑削速度為低速或高速、進(jìn)給量較小且軸向切深適中時(shí)，SiCp/Al才能獲得較好的出口棱邊形貌。

SiCp/Al復(fù)合材料，銑削，棱邊，切削參數(shù)

0 引言

SiCp/Al復(fù)合材料是一種典型的顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料，可被用做結(jié)構(gòu)件，在航空、航天、汽車、交通運(yùn)輸、電子等領(lǐng)域具有重要的地位[1-3]。該材料具有卓越的物理力學(xué)性能，如：高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐磨性、高熱穩(wěn)定性等[4-7]。但是，由于SiC硬質(zhì)顆粒的存在，導(dǎo)致其切削加工性較差，表面容易出現(xiàn)諸多缺陷，切削過程中刀具磨損嚴(yán)重[1]。因此，如何獲得高質(zhì)量的SiCp/Al復(fù)合材料表面、提高刀具使用壽命是該材料在切削加工中亟待解決的課題。

國內(nèi)外關(guān)于SiCp/Al復(fù)合材料銑削加工方面的研究已有比較多的報(bào)道[1, 8-10]，但是，有關(guān)SiCp/Al復(fù)合材料銑削棱邊形貌方面的研究較少。周麗等人[5，11-12]通過建立二維切削有限元模型模擬了切削過程中SiCp/Al復(fù)合材料出口邊界缺陷的形成過程，研究的結(jié)果表明切削深度對邊界缺陷的大小具有顯著影響，切削力與邊界缺陷大小之間存在密切關(guān)系。Zhou[13]認(rèn)為，邊界缺陷的形成包括初始接觸、切屑形成、連續(xù)切削、負(fù)剪切角形成、裂紋開裂、裂紋擴(kuò)展和邊界缺陷形成等階段。黃樹濤[14-15]對SiCp/Al復(fù)合材料邊界損傷的形成和切削溫度進(jìn)行了有限元仿真，分析了每齒進(jìn)給量對復(fù)合材料的棱邊缺陷的影響規(guī)律。

針對SiCp/Al復(fù)合材料的銑削棱邊缺陷問題，本文通過銑削實(shí)驗(yàn)對低體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料的銑削出口棱邊形貌進(jìn)行研究，以期找到該材料的棱邊缺陷的具體形態(tài)和變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1材料

本次實(shí)驗(yàn)的工件材料是體積分?jǐn)?shù)為20%的SiCp/Al復(fù)合材料，SiC顆粒平均粒徑為15 μm左右。銑刀選用山高刀具公司的硬質(zhì)合金涂層刀具，刀片牌號為XOMX10T308TR-M09，刀具后角和切削前角均為15°，修光刃寬度為1.3 mm，涂層牌號為F40M，涂層類型為(Ti,Al)N-TiN。

1.2方法

面銑實(shí)驗(yàn)在KVC800/1立式加工中心上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。切削參數(shù)為切削速度：40～200 m/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量：0.02～0.1 mm/r，軸向切深：0.05～2.5 mm，徑向切深為6 mm，實(shí)驗(yàn)采用單因素設(shè)計(jì)，如表1所示。

圖1 銑削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

本次實(shí)驗(yàn)為干式、順銑、單齒。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用型號為KEYENCE VHX-500FE的超景深光學(xué)顯微鏡觀察銑削棱邊形貌，并采用Digimizer軟件對其缺陷尺寸進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與分析

2.1切削速度對出口形貌的影響

圖2給出了不同銑削速度下形成的SiCp/Al復(fù)合材料的出口棱邊形貌?？梢杂^察到，當(dāng)銑削速度為40和80 m/min時(shí)，棱邊存在較多細(xì)長的缺陷，在這些細(xì)長缺陷上出現(xiàn)了個(gè)別較大的破損。銑削速度增大到120和160 m/min時(shí)，棱邊均出現(xiàn)了嚴(yán)重的破損。當(dāng)銑削速度為200 m/min時(shí)，棱邊形貌則同低速時(shí)的情況類似。

(a) 40 m/min (b) 80 m/min (c) 120 m/min

為了對銑削過程中出現(xiàn)的破損情況進(jìn)行進(jìn)一步分析，通過測量棱邊最大缺陷的最大寬度Lmax來定量描述SiCp/Al復(fù)合材料的破損程度[圖2(d)]。測量結(jié)果見圖3。

當(dāng)銑削速度為160 m/min時(shí)，棱邊缺陷的寬度達(dá)到了150 μm，遠(yuǎn)大于其他切削速度條件下出現(xiàn)的棱邊缺陷寬度。當(dāng)銑削速度為40、80和200 m/min時(shí)，棱邊缺陷寬度Lmax基本維持在43 μm左右。對于體積分?jǐn)?shù)為20%的SiCp/Al復(fù)合材料來說，平面銑削時(shí)切削速度對其棱邊缺陷的影響呈現(xiàn)出由小變大再變小的變化規(guī)律。因此，為了獲得高質(zhì)量的棱邊，保證SiCp/Al復(fù)合材料棱邊的幾何完整性，銑削時(shí)切削速度不宜處于高低速之間的過渡帶。

2.2進(jìn)給量對出口形貌的影響

圖4為不同進(jìn)給量時(shí)SiCp/Al復(fù)合材料的出口棱邊形貌對比情況。當(dāng)進(jìn)給量為0.02和0.04 mm/r時(shí)，出口棱邊存在大量的毛刺和微小的缺陷。進(jìn)給量為0.06 mm/r時(shí)，棱邊開始出現(xiàn)缺陷。進(jìn)給量進(jìn)一步增大到0.08 mm/r時(shí)，棱邊出現(xiàn)了嚴(yán)重的缺陷和表層剝落。當(dāng)進(jìn)給量達(dá)到0.1 mm/r時(shí)，出口棱邊同時(shí)存在少量的毛刺和缺陷。

(a) 0.02 mm/r (b) 0.04 mm/r (c) 0.06 mm/r

從出口棱邊形貌的變化來看(圖4)，當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)，棱邊以毛刺為主，這與銑削過程中進(jìn)給速度慢導(dǎo)致鋁合金基體塑性變形嚴(yán)重、不易被切斷有關(guān)，而隨進(jìn)給量逐漸增大切削力增大，切削過程加快，使得SiCp/Al復(fù)合材料的塑性斷裂變得容易。因此，棱邊毛刺減少，而缺陷開始增加。

另一方面，對進(jìn)給量增大過程中出口棱邊的缺陷最大寬度Lmax進(jìn)行了測量。圖5可知，隨著進(jìn)給量的增大，Lmax呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的變化趨勢。且當(dāng)進(jìn)給量為0.04和0.1 mm/r時(shí)，Lmax均在43 μm左右。因此，從控制棱邊形貌和缺陷最大寬度的角度可以看出，以上兩個(gè)進(jìn)給量參數(shù)可以獲得較好的出口棱邊。

圖5 工件棱邊缺陷最大寬度隨進(jìn)給量的變化曲線(v:120 m/min，ap: 1.5 mm，ae:6 mm)

Fig.5 Variation of the maximum width of the workpiece edge defect with feed

2.3軸向切深對出口形貌的影響

不同軸向切深時(shí)得到的SiCp/Al復(fù)合材料的出口棱邊形貌如圖6所示。

(a) 0.5 mm (b) 1 mm (c) 1.5 mm

SiCp/Al復(fù)合材料的出口棱邊均存在嚴(yán)重的缺陷，且缺陷較多。從出口棱邊缺陷的Lmax也可以看出(圖7)，在不同的軸向切深時(shí)，Lmax的變化沒有明顯規(guī)律，并且數(shù)值均較大，最小值為75 μm，最大值達(dá)到了137 μm。因此，通過改變軸向切深來改善棱邊形貌得到的不明顯。

3 結(jié)論

(1)20vol%SiCp/Al復(fù)合材料的出口棱邊形貌受銑削速度變化的影響較大，隨著銑削速度的增大出口棱邊缺陷由少量逐漸增多之后減少。因此，在低速和高速時(shí)棱邊形貌均較好。

(2)在進(jìn)給量增大過程中，出口棱邊形貌由低進(jìn)給量(0.02和0.04 mm/r)時(shí)的以毛刺為主逐漸變?yōu)橐試?yán)重缺陷和表層剝落為主，之后出口棱邊存在少量的毛刺和缺陷。

(3)軸向切深對20vol%的SiCp/Al復(fù)合材料的出口棱邊形貌的影響較大，不同軸向切深時(shí)均會產(chǎn)生嚴(yán)重的缺陷。因此，只改變該參數(shù)達(dá)不到棱邊形貌獲得改善的效果。

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Influence of Cutting Parameters on Edge Morphology of SiCp/Al Matrix Composites in Milling

NIU Qiulin1TANG Lingyan1LIU Xiao2LI Pengnan1QIU Xinyi1

(1 College of Electrical and Mechanical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201) (2 Shanghai Aerospace Equipment Manufacture Factory, Shanghai 200240)

In order to solve the problem of the edge defects of SiCp/Al composites with a volume fraction of 20%, a single factor experiment was carried out to study the influence of cutting parameters on the edge morphology. The results show that the shape of the exit edge is greatly affected by the change of milling speed, and the edges are good at low speed and high speed; when the feed rate is 0.02 and 0.04mm/r, the exit edge are burrs. With the increase of the feed, the edge has serious defects and surface spalling, and then a small number of burrs and defects. When the axial depth of cut is changed, there will be serious defects in the edge of the outlet, and only changing the axial cutting depth has little effect on improving the quality of the edge morphology.

SiCp/Al matrix composites,Milling, Edge, Cutting parameters

TG506

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.008

2017-01-16

國家自然科學(xué)基金(51605161)；難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(E21639)；湖南科技大學(xué)科研啟動(dòng)基金(E51660)

牛秋林，1983年出生，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事難加工材料高速切削與超聲振動(dòng)輔助加工方面的研究。E-mail: qlniu2009@163.com