基于聲發(fā)射的高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料切削刀具效能評估*

□ 譚海林 □ 汪次榮 □ 桂中祥

1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院 湖南株洲 412006 2.中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088

1 研究背景

高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料具有多種優(yōu)異性能,如比強度和比剛度高、耐高溫、耐磨損、線膨脹系數(shù)小且可調(diào)、尺寸穩(wěn)定性好等,已廣泛用作航天、航空、汽車、電子、軍事等領(lǐng)域中的電子殼封裝材料[1-3]。由于碳化硅顆粒增強相的高硬度和高耐磨性,使高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料的切削加工極為困難,隨著碳化硅顆粒體積分數(shù)的增大,切削性變差[4]。采用特種加工技術(shù)加工高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料,在去除率、表面質(zhì)量、加工效率方面無法與車銑等常規(guī)機械切削加工方式相比[5-7]。因此,常規(guī)機械切削加工方式仍是高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料的主要加工方式。在實際生產(chǎn)中,由于高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料切削加工工藝數(shù)據(jù)缺乏,工藝人員只能憑經(jīng)驗換刀并選取較為保守的工藝參數(shù),從而造成加工參數(shù)選擇不當(dāng)、刀具磨損嚴重、加工表面質(zhì)量低、加工效率低、加工成本高等結(jié)果,這些問題嚴重制約了高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料的進一步推廣應(yīng)用。針對以上問題,筆者采用聲發(fā)射信號作為高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料切削加工刀具磨損在線監(jiān)測信號,通過聲發(fā)射信號隨刀具磨損的變化規(guī)律,揭示刀具磨損隨時間變化的規(guī)律,合理選擇加工工藝參數(shù),這樣既可以將刀具的切削效能發(fā)揮至極限,使刀具得到充分利用,提高加工質(zhì)量和效率,又不會影響刀具的使用壽命,從而達到節(jié)約成本的目的,實現(xiàn)最佳加工效果。

2 試驗內(nèi)容

采用超聲輔助加工中心對高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料進行銑削加工,通過PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)采集試驗過程中的聲發(fā)射信號。在加工開始前,將聲發(fā)射傳感器安裝在被加工的工件上。聲發(fā)射傳感器將高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料在切削過程中引起的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號,然后再放大、處理和記錄。試驗噪聲的采樣閾值設(shè)置為38 dB,采樣頻率設(shè)置為1 MHz,試驗裝置如圖1所示。對加工后的刀具采用Quanta 2000型掃描電子顯微鏡觀測刃口磨損形態(tài)和磨損特征尺寸。

▲圖1 試驗裝置

分別采用直徑為4 mm的硬質(zhì)合金刀、氮化硼涂層刀、聚晶金剛石刀兩齒刀具,加工方式為順銑濕式加工。三種刀具在工件上的銑削長度均為20 mm。在前期進行大量高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料切削試驗和查閱相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)進給速度對硬質(zhì)合金刀磨損敏感性較大,轉(zhuǎn)速對氮化硼涂層刀磨損敏感性較大,切削深度對聚晶金剛石刀磨損敏感性較大[8]。為減少重復(fù)試驗次數(shù)和避免材料浪費,制訂試驗方案[9-10],見表1。

表1 試驗方案

3 刀具加工能力分析

試驗采用聲發(fā)射系統(tǒng)反饋的信號表征刀具在對高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料進行加工時的能量波動數(shù)據(jù)。

當(dāng)?shù)毒邔Ω唧w積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料加工能力較強時,聲發(fā)射信號曲線較為平穩(wěn)。當(dāng)?shù)毒邔Ω唧w積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料加工能力較弱時,聲發(fā)射信號表現(xiàn)出非常明顯的離散波動現(xiàn)象。另一方面,聲發(fā)射信號表現(xiàn)出初次屈服平臺期持續(xù)的時間越短,代表刀具的加工能力越差;二次屈服平臺期持續(xù)的時間越長,出現(xiàn)的時間越早,代表刀具的加工能力越好。當(dāng)?shù)毒吣p嚴重、加工能力變差時,聲發(fā)射信號不再出現(xiàn)明顯的能量波動現(xiàn)象。

4 刀具磨損變化分析

硬質(zhì)合金刀試驗時,聲發(fā)射信號隨刀具磨損的變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出,當(dāng)進給速度較慢,為150 mm/min時,聲發(fā)射信號有較為明顯的離散點,并且離散點呈現(xiàn)較為明顯的波動性,說明硬質(zhì)合金刀可以加工材料,但是振動較大,影響工件加工質(zhì)量,同時刀具的切削效能沒有較好發(fā)揮,刀具沒有得到充分利用。在切削時間約52 ms時不再出現(xiàn)明顯的能量波動現(xiàn)象,說明刀具達到極限壽命,不能再進行加工,應(yīng)進行換刀。當(dāng)進給速度較快,為300 mm/min時,聲發(fā)射信號前期屈服特征時間很短,約為4.5 ms,之后不再出現(xiàn)明顯的能量波動現(xiàn)象,說明刀具加工時會迅速磨損,失去加工能力,甚至?xí)l(fā)生斷刀。當(dāng)進給速度為200 mm/min時,聲發(fā)射信號表現(xiàn)出較明顯的離散點,并且離散點比較平穩(wěn),說明刀具的加工情況較好,工件加工質(zhì)量較高,切削時間在35 ms左右時刀具到達極限壽命。因此,采用硬質(zhì)合金刀加工高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料時,聲發(fā)射信號屈服特征時間短,即刀具穩(wěn)定切削時間短,且隨著進給速度的加快,刀具穩(wěn)定切削時間越來越短,這表明刀具磨損速率隨進給速度加快而迅速增大,刀具使用壽命短,刀具加工能力比較差。

▲圖2 硬質(zhì)合金刀試驗聲發(fā)射信號隨刀具磨損變化曲線

氮化硼涂層刀試驗時聲發(fā)射信號隨刀具磨損的變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出,隨著轉(zhuǎn)速的加快,聲發(fā)射信號均表現(xiàn)出明顯屈服的特征,沒有出現(xiàn)與硬質(zhì)合金刀相同的屈服斷刀現(xiàn)象,這說明氮化硼涂層刀加工高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料的適應(yīng)性較好。當(dāng)轉(zhuǎn)速較慢時,振動能量幅值直接增大至較高水平,刀具效能未較好地發(fā)揮。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時,聲發(fā)射信號離散特征平穩(wěn),說明切削加工情況比較好,且刀具使用壽命最長。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時,屈服平臺期變短,刀具磨損加快,使用壽命變短。

▲圖3 氮化硼涂層刀試驗聲發(fā)射信號隨刀具磨損變化曲線▲圖4 聚晶金剛石刀試驗聲發(fā)射信號隨刀具磨損變化曲線

聚晶金剛石刀試驗時聲發(fā)射信號隨刀具磨損的變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出,即使在較快轉(zhuǎn)速和進給速度條件下,聚晶金剛石刀的振動能量跳動頻率也明顯低于其它兩種刀具。當(dāng)切削深度逐漸增大時,聚晶金剛石刀的振動能量跳動現(xiàn)象少量增加,說明聚晶金剛石刀對高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的加工能力。當(dāng)切削深度為0.3 mm時,加工過程中始終保持較好的屈服平臺期,未出現(xiàn)較大的跳動現(xiàn)象,因此聚晶金剛石刀在加工高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料時應(yīng)取較快轉(zhuǎn)速、較快進給速度,以及較小切削深度的切削參數(shù)。

5 刀具磨損形貌分析

在銑削高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料時,銑刀前刀面比后刀面的接觸壓力小,前刀面切削一段時間后會因產(chǎn)生積屑瘤而受到保護,后刀面相比前刀面磨損嚴重。為了較為直觀地獲得刀具在銑削加工后的磨損情況,采用掃描電子顯微鏡對刀具磨損最嚴重處,即后刀面進行形貌觀測。硬質(zhì)合金刀加工試驗后,后刀面的磨損形貌如圖5所示。當(dāng)進給速度為150 mm/min時,未見明顯劃痕,刀具形貌變化很少,說明刀具表面的磨損較少。進給速度為200 mm/min時有劃痕,同時表面出現(xiàn)細小顆粒時剝落現(xiàn)象,說明刀具表面有一定磨損。進給速度為300 mm/min時劃痕更明顯,而且表面出顆粒大面積剝落的現(xiàn)象,刀具形貌發(fā)生改變,說明刀具表面磨損嚴重。刀具磨損情況與聲發(fā)射信號隨刀具磨損的變化曲線分析一致,說明采用聲發(fā)射信號作為切削加工刀具磨損在線監(jiān)測的信號是可行的。

▲圖5 硬質(zhì)合金刀后刀面磨損形貌

6 結(jié)束語

筆者基于聲發(fā)射信號對不同材質(zhì)刀具、不同切削參數(shù)加工高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料時的刀具效能進行評估,得到研究結(jié)果。

以切削加工過程中振動能量為主要參數(shù)值的聲發(fā)射信號,可以作為刀具加工性能的重要表征。通過分析,聲發(fā)射信號可以判斷刀具的磨損情況,評估刀具的極限效能。當(dāng)聲發(fā)射信號不再出現(xiàn)明顯的能量波動現(xiàn)象時,說明刀具到達極限使用壽命,此時為換刀時刻。

硬質(zhì)合金刀由于強韌性比較低,切削穩(wěn)定期較短,容易發(fā)生斷刀現(xiàn)象,因此不適合用作高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料的銑削加工刀具。

氮化硼涂層刀和聚晶金剛石刀加工高體積分數(shù)碳化硅顆粒鋁基復(fù)合材料的性能優(yōu)于硬質(zhì)合金刀,聚晶金剛石刀的性能最優(yōu)。采用氮化硼涂層刀加工時,較優(yōu)的切削參數(shù)組合為轉(zhuǎn)速2 500 r/min、進給速度200 mm/min、切削深度0.5 mm。采用聚晶金剛石刀加工時,較優(yōu)的切削參數(shù)組合為轉(zhuǎn)速3 000 r/min、進給速度300 mm/min、切削深度0.3 mm。在上述切削參數(shù)組合下,既可將刀具的切削效能發(fā)揮至極限,使刀具得到充分利用,提高加工質(zhì)量和效率,又不會影響刀具的使用壽命,達到節(jié)約成本的目的,實現(xiàn)高速加工。