PCD刀具車削不同顆粒含量SiCp/Al復(fù)合材料試驗(yàn)研究*

盆洪民，劉 鑫，倪 娜，陳志濤，劉 飛，岳彩旭

（1.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458；

2.哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

SiCp/Al 復(fù)合材料具有獨(dú)特的力學(xué)和物理性能，在航空航天、精密儀器及汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于材料中存在增強(qiáng)相，加大了材料的硬度和耐磨性，使該類鋁基復(fù)合材料的切削過程變得非常困難，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重、加工效率低及工件表面質(zhì)量差，并限制了SiCp/Al 的進(jìn)一步應(yīng)用[1]。

為了改善此材料的加工性能，諸多學(xué)者展開了此種材料切削機(jī)理和工藝優(yōu)化方面的研究。Dabade 等[2]對(duì)SiCp/Al 已加工表面特征進(jìn)行了研究，試驗(yàn)指出帶修光刃的PCD 刀片的切削力比不帶修光刃的PCD 刀片要小，且加工表面特征與表面質(zhì)量較好。Debade 等[3]對(duì)體積分?jǐn)?shù)為20%與30%和顆粒度為15μm、65μm的SiC/2024Al–MMCs 進(jìn)行了研究，結(jié)果表明15μm 顆粒度SiC/Al MMCs已加工表面缺陷明顯減少，即細(xì)顆粒和高體積分?jǐn)?shù)的材料可以得到更低的表面粗糙度。車明帆[4]利用K10、PCBN 和PCD 3 種材料的刀具車削高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al，探究了不同刀具材料對(duì)切削高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al MMCs 刀具磨損機(jī)理和已加工表面粗糙度的影響。王大鎮(zhèn)[5]采用PCD刀具對(duì)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行車削試驗(yàn)，分析切削參數(shù)對(duì)切削力的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒含量越多切削力越大。葛英飛等[6]利用PCD 刀具超精密車削顆粒體積分?jǐn)?shù)為15%的鋁基復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果表明PCD 刀具主要發(fā)生脆性崩刃、剝落、磨粒磨損和石墨化磨損。Muthukrishnan 等[7]對(duì)顆粒體積分?jǐn)?shù)10%和20%的SiC/Al356–MMCs進(jìn)行車削試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)顆粒體積分?jǐn)?shù)20%的SiC/Al356–MMCs 發(fā)生的刀具磨損更嚴(yán)重。Ibrahim 等[8]揭示了顆粒尺寸對(duì)SiCp/Al 切削過程刀具的壽命影響。Gonzalo 等[9]對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的SiCp/2124Al 復(fù)合材料切削過程展開了研究，揭示了不同刀具材料對(duì)加工過程、表面粗糙度、切削力、刀具磨損的影響。韓榮第等[10]對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)SiC/2024Al–MMCs進(jìn)行切削試驗(yàn)，結(jié)果表明3 個(gè)方向切削力都隨切削速度的增加而增大，并且增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)越高、尺寸越大，切削力則越大。劉漢中[11]利用PCD 刀具精密車削體積分?jǐn)?shù)為45%的SiCp/2024Al 復(fù)合材料，對(duì)車削工藝和刀具磨損展開研究，得出PCD刀具主要磨損形式為刻劃磨損、粘結(jié)磨損、摩擦磨損、月牙凹磨損，同時(shí)伴隨微崩刃和顆粒脫落等破壞形式。呂立生等[12]采用PCD 刀具車削了高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al 復(fù)合材料，研究結(jié)果表明PCD 刀具的加工性能要遠(yuǎn)好于硬質(zhì)合金刀具，更適合高體積分?jǐn)?shù)SiCp/A1 復(fù)合材料的精密加工。

針對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料切削加工過程，刀具壽命和已加工表面質(zhì)量與復(fù)合材料中顆粒含量關(guān)系密切，為探尋合適的切削條件來(lái)實(shí)現(xiàn)此材料切削工藝的優(yōu)化，本文對(duì)不同粒度SiCp/Al 的PCD 刀具切削過程展開研究，為SiCp/Al 復(fù)合材料車削工藝的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

試驗(yàn)條件與方案

1 試驗(yàn)條件

為了揭示顆粒含量對(duì)SiCp/7075Al 復(fù)合材料切削性能的影響，并得到相應(yīng)優(yōu)化的切削參數(shù)，本研究進(jìn)行了如下切削試驗(yàn)。試驗(yàn)采用PCD 金剛石三角形刀片對(duì)顆粒體積分?jǐn)?shù)為25%微米級(jí)（7μm）SiCp/2009Al 復(fù)合材料和顆粒體積分 數(shù) 為5% 納米級(jí)（200～800nm）SiCp/7075Al 復(fù)合材料進(jìn)行車削試驗(yàn)，其中微米級(jí)SiCp/Al 采用粉末冶金法制備，納米級(jí)SiCp/Al 采用攪拌鑄造法制備。本試驗(yàn)切削條件為干式切削，SiCp/Al 的力學(xué)性能分別如表1 和表2 所示，試驗(yàn)用刀具材料力學(xué)性能如表3 所示。

2 切削試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素法研究了切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量對(duì)SiCp/Al切削過程中刀具磨損及工件表面質(zhì)量的影響。試驗(yàn)機(jī)床為大連機(jī)床生產(chǎn)的CA6150 數(shù)控車床，試驗(yàn)用PCD金剛石刀片的型號(hào)為TNMG160408，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和PCD 刀具如圖1 和圖2所示。刀具磨損狀態(tài)采用基恩士公司生產(chǎn)的超景深顯微鏡檢測(cè)，刀片磨損微觀形貌采用型號(hào)為SU–350 日立掃描電子顯微鏡檢測(cè)。工件已加工表面形貌采用Taylor Map CCI 白光干涉儀進(jìn)行測(cè)量，表面粗糙度采用手持式粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量。

切削試驗(yàn)結(jié)果及討論

1 SiCp/Al 復(fù)合材料顆粒含量對(duì) 切削過程的影響

為了研究顆粒含量對(duì)切削過程的影響，在切削速度為70m/min，進(jìn)給量為0.05mm/r，背吃刀量為0.5mm時(shí)，當(dāng)切削相同距離（L=1000mm）后，利用超景深顯微鏡測(cè)得的刀具磨損情況如圖3 和圖4 所示。切削顆粒體積分?jǐn)?shù)5%納米級(jí)SiCp/Al 刀具磨損要明顯小于顆粒體積分?jǐn)?shù)25%微米級(jí)SiCp/Al。在此切削參數(shù)下，切削25% SiCp/Al 時(shí)，前刀面磨損值最大為0.239mm，后刀面磨損值最大為0.132mm。PCD 刀具切削體積分?jǐn)?shù)5% SiCp/Al 時(shí)，前刀面磨損值最大為0.159mm，后刀面磨損值最大0.117mm。同時(shí)，兩種切削情況下刀具前刀面上最顯著的特征是出現(xiàn)了明顯劃痕，這是由于切屑劃擦作用而導(dǎo)致的，而后刀面在磨粒磨損的作用下出現(xiàn)了明顯的磨損現(xiàn)象。分析試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)增大時(shí)，刀具前刀面和后刀面的磨損現(xiàn)象也明顯加劇。

表1 顆粒體積分?jǐn)?shù)25%微米級(jí)SiCp/2009Al復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of micron-level 25% SiCp/2009Al composites

表2 顆粒體積分?jǐn)?shù)5%納米級(jí)SiCp/7075Al復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of nanometer-level 5% SiCp/7075Al composites

表3 試驗(yàn)用PCD材料的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of PCD materials for testing

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Experimental set-up

圖2 試驗(yàn)用PCD刀具Fig.2 PCD cutting tool

不同含量SiCp/Al 經(jīng)PCD 刀具切削相同距離（L=1000mm）后的已加工表面形貌如圖5 所示。分析試驗(yàn)結(jié)果可知，切削5% SiCp/Al 時(shí)，已加工表面粗糙度Ra值為0.18μm，工件表面形貌較好。當(dāng)SiCp顆粒體積分?jǐn)?shù)增大到25%時(shí)，其表面粗糙度Ra值為0.21μm。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，切削顆粒體積分?jǐn)?shù)為5% SiCp/Al 時(shí)，SiC 顆粒脫落后形成的凹坑少，此時(shí)工件表面紋理較好，形貌較為均勻。當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)增大到25%時(shí)候，表面質(zhì)量變差，其原因可以解釋為顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加使得工件材料力學(xué)性能產(chǎn)生了變化，當(dāng)增大到一定數(shù)值時(shí)候，不但SiC 顆粒發(fā)生了斷裂和脫落，并且顆粒之間也發(fā)生了干涉，進(jìn)而導(dǎo)致了已加工表面質(zhì)量的變差。

圖3 切削25% SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)刀具磨損情況Fig.3 Tool wear when cutting 25% SiCp/Al composites

圖4 切削5% SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)刀具磨損情況Fig.4 Tool wear when cutting 5% SiCp/Al composites

圖5 不同顆粒含量SiCp/Al復(fù)合材料加工表面形貌圖Fig.5 Surface topography of SiCp/Al composites with different particle contents

2 切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度及刀具 前刀面磨損的影響

車削不同顆粒含量SiCp/Al 時(shí)，切削參數(shù)的選取對(duì)工件的表面質(zhì)量和刀具的磨損程度有著重要影響。本研究從切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量3 個(gè)方面對(duì)刀具前刀面磨損和工件表面粗糙度進(jìn)行了單因素分析。當(dāng)進(jìn)給量0.05mm/r、背吃刀量0.5mm，切削速度從60m/min 增大到100m/min 時(shí)，表面粗糙度和刀具磨損量隨切削速度的變化如圖6 所示。相比于顆粒體積分?jǐn)?shù)為25%微米級(jí)SiCp/Al 復(fù)合材料，顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%納米級(jí)SiCp/Al 復(fù)合材料得到的表面粗糙度值更小，刀具磨損更小。當(dāng)切削速度增大，表面粗糙度值減小，且刀具磨損速度也加快，當(dāng)切削速度大于80m/min 時(shí)，刀具磨損劇烈，刀具的使用壽命也急劇下降。

當(dāng)切削速度和背吃刀量保持不變，表面粗糙度和刀具前刀面磨損量隨著進(jìn)給量的變化如圖7 所示。當(dāng)切削速度40m/min、背吃刀量0.5mm，進(jìn)給量從0.06mm/r 增大到0.1mm/r 時(shí)，表面粗糙度值呈明顯增大趨勢(shì)。另外，進(jìn)給量增大，刀具磨損速度也加快，當(dāng)進(jìn)給量大于0.08mm/r 時(shí)，刀具磨損劇烈，導(dǎo)致刀具使用壽命急劇下降。相比于顆粒體積分?jǐn)?shù)為25%微米級(jí)SiCp/Al，顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%納米級(jí)SiCp/Al在切削加工時(shí)的表面質(zhì)量更好，刀具磨損也更小。

圖6 切削速度對(duì)表面粗糙度和刀具磨損的影響Fig.6 Effect of cutting speeds on surface roughness and tool rake wear

圖7 進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度和刀具磨損的影響Fig.7 Effect of cutting feed rate on surface roughness and tool rake wear

圖8 背吃刀量對(duì)表面粗糙度和刀具磨損的影響Fig.8 Effect of cutting depth on surface roughness and tool rake wear

圖9 積屑瘤的產(chǎn)生和刀具后刀面磨損情況Fig.9 Built-up edge and tool flank wear in cutting process

當(dāng)切削速度為40m/min，進(jìn)給量為0.05mm/r，被吃刀量從0.6mm 增大到1mm 時(shí)，表面粗糙度和刀具磨損量隨著背吃刀量的變化關(guān)系如圖8 所示。此時(shí)，表面粗糙度Ra值呈增大趨勢(shì)，背吃刀量增大，刀具磨損速度加快，刀具磨損劇烈，刀具的使用壽命急劇下降。相比于顆粒體積分?jǐn)?shù)為25%微米級(jí)SiCp/Al 復(fù)合材料，顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%納米級(jí)SiCp/Al復(fù)合材料在切削加工時(shí)，刀具磨損量較小。

3 PCD 刀具磨損特性研究

刀具磨損是影響已加工表面質(zhì)量的重要因素。為了揭示切削過程PCD 刀具的磨損特性，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)SiCp/Al 復(fù)合材料車削產(chǎn)生的刀具磨損區(qū)域的形貌進(jìn)行了研究。由于復(fù)合材料的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于PCD 刀具，鋁基體在切削過程中易被加熱軟化而發(fā)生塑性流動(dòng)，而鋁基體對(duì)切削溫度敏感，在切削過程中軟化使得“冷焊”現(xiàn)象更容易發(fā)生，切屑在流出過程中滯留在前刀面上，并黏附在前刀面刃口部位的溝槽中形成積屑瘤，如圖9（a）所示。積屑瘤對(duì)刀具前刀面具有一定的保護(hù)作用，可以避免前刀面發(fā)生進(jìn)一步的磨粒磨損。

切削過程劇烈的機(jī)械應(yīng)力和熱沖擊的作用，使得切削刃局部產(chǎn)生細(xì)小缺口和微裂紋，這些缺口周圍的裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致刀具的微崩刃，如圖9（b）所示。同時(shí)，切削過程中雖然PCD 刀具的硬度遠(yuǎn)高于SiCp/Al 復(fù)合材料的鋁合金基體，但是工件材料中存在大量SiCp硬質(zhì)顆粒，而且加工過程中也有部分松動(dòng)脫落的金剛石顆?；烊肭啊⒑蟮睹?，這些硬質(zhì)點(diǎn)不斷地與PCD 刀具發(fā)生高頻刻劃和劇烈摩擦作用，進(jìn)而使得刀具發(fā)生磨粒磨損，進(jìn)而導(dǎo)致了在PCD 刀具后刀面承受劇烈熱力耦合作用的部位出現(xiàn)了微細(xì)溝。

結(jié)論

本文對(duì)不同粒度SiCp/Al 復(fù)合材料的PCD 刀具切削過程展開了研究，得到了顆粒含量和切削參數(shù)對(duì)已加工表面質(zhì)量和刀具磨損的影響規(guī)律，研究結(jié)果為選擇合適的切削參數(shù)提供了理論依據(jù)。選取本文切削參數(shù)進(jìn)行研究時(shí)，可以得出如下結(jié)論：

（1）與顆粒體積分?jǐn)?shù)5%納米級(jí)SiCp/Al 復(fù)合材料相比，體積分?jǐn)?shù)為25%微米級(jí)SiCp/Al 復(fù)合材料在相同的切削參數(shù)時(shí)PCD 刀具磨損更為嚴(yán)重，且工件已加工表面質(zhì)量相對(duì)較差。

（2）切削試驗(yàn)結(jié)果表明隨著切削速度的增大，已加工表面粗糙度值減小，刀具磨損加劇。隨著進(jìn)給量和背吃刀量的增加，工件表面粗糙度值增大，刀片前刀面磨損量加劇。

（3）積屑瘤能夠一定程度上抑制磨粒磨損對(duì)PCD 刀具前刀面的摩擦作用，劇烈的熱、力載荷和SiCp硬質(zhì)顆粒劃擦作用是PCD 刀具磨粒磨損和刃口微崩刃的主要成因。