顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料車削試驗(yàn)研究*

霍福松， 宦海祥， 徐九華， 蘇宏華， 濮建飛

(1. 鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鹽城 224051) (2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 南京 210016)

鈦基復(fù)合材料是以鈦合金為基體，在其中加入了高硬度、高模量、高強(qiáng)度和高耐磨性增強(qiáng)相的一種新型金屬基復(fù)合材料。它既具備鈦合金高強(qiáng)度、高硬度的優(yōu)點(diǎn)，同時增強(qiáng)相的加入使得鈦基復(fù)合材料具備更好的耐高溫性、抗蠕變性能、高比模量等優(yōu)異的物理和力學(xué)性能。因此在航空航天、生物醫(yī)療、汽車船舶等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。

鈦合金具有導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性高、變形系數(shù)小和彈性模量小等特點(diǎn)[4-5]，切削加工困難。在鈦基復(fù)合材料基體中彌散分布著高脆硬性陶瓷顆粒增強(qiáng)相(如TiC和TiB)，在切削加工過程中伴隨著增強(qiáng)顆粒的去除過程，會產(chǎn)生加工表面缺陷[6-7]，降低其切削加工性，刀具磨損嚴(yán)重，影響加工表面質(zhì)量和加工效率。

葛英飛等[8]使用聚晶金剛石刀具，在切削速度為15～150 m/min范圍內(nèi)對增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為0～10%的顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料開展車削和銑削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：PCD刀具切削鈦基復(fù)合材料時，隨著切削速度的增加，切削溫度顯著上升；切削速度從 15 m/min增大到150 m/min時，切削溫度上升約330 ℃，同時切削溫度隨顆粒含量增加而略有降低(降幅5%)。章宇等[9]研究了刀具材料及刀具磨損量對鈦基復(fù)合材料車削溫度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)毒吣p量增加時，PCD刀具的切削溫度上升幅度大于硬質(zhì)合金刀具的，但PCD刀具的切削溫度更低且耐用度較好。硬質(zhì)合金刀具的磨損形式以黏結(jié)磨損為主，而PCD刀具以磨粒磨損為主。BEJJANI等[10]對增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為10%～12%的鈦基復(fù)合材料開展車削和激光輔助車削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：PCD刀具前后刀面分別以月牙洼磨損和磨粒磨損為主；激光輔助車削有利于基體材料熱軟化，可提高刀具壽命，但會降低已加工表面質(zhì)量。

對鈦基復(fù)合材料的切削加工性已有大量研究，但多集中在鈦基復(fù)合材料切削加工過程中切削力和切削溫度的變化、刀具磨損機(jī)理及其破損形貌等方面。針對切削參數(shù)對已加工表面粗糙度的影響規(guī)律還缺少系統(tǒng)性研究。在生產(chǎn)實(shí)際中切削參數(shù)的選擇仍以經(jīng)驗(yàn)為主，未形成理論性指導(dǎo)，存在加工效率較低、加工表面質(zhì)量差等問題。因此針對如何改善加工表面質(zhì)量、優(yōu)化加工工藝還需進(jìn)行深入研究。

選用在金屬基復(fù)合材料切削加工中表現(xiàn)優(yōu)異，兼具硬度高和耐磨性好的PCD刀具，對增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%和10%的鈦基復(fù)合材料開展車削試驗(yàn)研究，分析切削溫度和切削力的變化情況，探究切削參數(shù)對已加工表面粗糙度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料及刀具

試驗(yàn)材料選用以TC4為基體材料，增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%的TiC顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(TiCp/TC4)，工件規(guī)格為φ60 mm×200 mm。同時選用增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%的TiC顆粒和TiB晶須以原位自生法混合生成的增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料(TiCp+TiBw)/TC4為對比對象。試驗(yàn)材料的金相顯微組織如圖1所示。材料的化學(xué)成分和物理性能見表1和表2。

(a) 體積分?jǐn)?shù)5%鈦基復(fù)合材料Ti-based composites with 5 vol.%(b) 體積分?jǐn)?shù)10%鈦基復(fù)合材料Ti-based composites with 10 vol.%圖1 試驗(yàn)所用原材料金相顯微組織Fig. 1 Metallurgical structure of experimental materials

表1 試驗(yàn)材料主要化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)材料的物理和力學(xué)性能

試驗(yàn)刀具選用元素六PCD方形機(jī)夾刀片。PCD刀片是由基本顆粒尺寸(30+2) μm混合金剛石顆粒聚合而成，其切削性能優(yōu)異且硬度較高、耐熱性和耐沖擊性良好[11]。試驗(yàn)所用刀具實(shí)際工作幾何參數(shù)見表3。

表3 PCD刀片實(shí)際工作幾何參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

車削試驗(yàn)在SKP50P臥式數(shù)控機(jī)床上開展。采用自然熱電偶法測量切削溫度，溫度信號通過NI USB-4431數(shù)據(jù)采集卡采集，用Labview軟件分析處理。采用壓電法對切削力進(jìn)行測量，試驗(yàn)儀器為Kister9272型三向壓電測力儀，測力信號經(jīng)過Kister5019電荷放大器后，用DynoWare軟件分析處理。測力儀可測量3方向切削力，即x向(進(jìn)給方向)，y向(切深方向)及z向(切削速度方向)，對應(yīng)的切削力分別為軸向力(進(jìn)給抗力)Fx，徑向力(切深抗力)Fy和切向力(主切削力)Fz，其合力為F。采用基恩士激光顯微鏡對鈦基復(fù)合材料已加工表面粗糙度進(jìn)行測量。切削加工參數(shù)選擇見表4。

表4 切削參數(shù)選擇

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削力

采用PCD刀具車削鈦基復(fù)合材料時，切削參數(shù)對切削力的影響如圖2所示。由圖2a可見：隨切削速度升高，切削力總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中Fy明顯大于Fx和Fz且Fz始終最小。在切削速度v=30～60 m/min做低速切削時，切削溫度升高較慢，材料變形抗力大，因此切削力增大較顯著；在v=90～120 m/min范圍內(nèi)，隨切削速度升高，PCD刀具在單位時間內(nèi)切除的金屬材料體積增大，克服材料變形所耗功增多，切削時產(chǎn)生的熱量增多，導(dǎo)致切削溫度快速升高，切削層金屬材料發(fā)生熱軟化效應(yīng)，變形程度降低，故切削力減小。由圖2b可以看出：切削力隨背吃刀量增大而增大，在切削速度為120 m/min時的切削力始終較小。

由圖2c可見：在不同的切削速度下，進(jìn)給量對切削力的影響不同。在切削速度為30～60 m/min時，隨進(jìn)給量增大，切削力相應(yīng)增大；而在切削速度90～120 m/min時，切削力先減小后增大，當(dāng)進(jìn)給量為0.08 mm時切削力最小。這是因?yàn)殡S進(jìn)給量增大，材料在單位時間內(nèi)去除的體積增大，切屑變形系數(shù)減小，切削熱不易排出，導(dǎo)致切削溫度升高，材料熱軟化效應(yīng)明顯，使得切削力減小。結(jié)合圖3a發(fā)現(xiàn)：隨切削速度升高，切削溫度的升高趨勢變緩，切削層金屬材料熱軟化效應(yīng)相應(yīng)減弱，因此切削力呈現(xiàn)再次增大趨勢。

(a) 切削速度的影響Effect of cutting speed(b) 背吃刀量的影響Effect of back-infeed(c) 進(jìn)給量的影響 Effect of infeed圖2 切削參數(shù)對切削力的影響Fig. 2 Effect of cutting parameters on cutting force

2.2 切削溫度

切削參數(shù)對切削溫度的影響規(guī)律如圖3所示。由圖3a可見：采用PCD刀具車削鈦基復(fù)合材料時，隨切削速度升高，切削溫度升高。其中切削速度在30～60 m/min的低速切削范圍內(nèi)升高時，切削溫度從556.5 ℃上升到976.7 ℃，升高幅度75.5%；切削速度在90～120 m/min范圍內(nèi)升高時，切削溫度從1 111.7 ℃上升到1 239.2 ℃，升高幅度11.5%。說明相比于低速切削，在較高的切削速度范圍內(nèi)，切削溫度的升高趨勢放緩。這是因?yàn)榍邢魉俣壬?，在單位時間內(nèi)刀具后刀面與已加工表面及前刀面與切屑之間產(chǎn)生的摩擦熱增多，切削熱增多，但與此同時切削速度的升高會導(dǎo)致切削層金屬來不及發(fā)生變形，切削時金屬材料的彈塑性變形功減小，此外切屑向材料和工件傳熱的時間縮短，切屑帶走較多熱量，因此切削溫度在較高切削速度范圍內(nèi)變化時總體升高趨勢變緩。

由圖3b、圖3c可知：隨進(jìn)給量和背吃刀量的增大，切削溫度略微升高，其中進(jìn)給量在0.04～0.12 mm/min時，切削溫度升高225 ℃；背吃刀量在0.25～0.75 mm時，切削溫度升高270 ℃，且進(jìn)給量對切削溫度的影響性較小。這主要是由于進(jìn)給量的增大雖然會使得切削層金屬材料去除率增大，但也使得切屑的變形系數(shù)減小，從而導(dǎo)致切除單位體積金屬材料所做功減少。同時，隨進(jìn)給量增大，刀具和切屑之間的接觸長度增大，因此切屑帶走的切削熱增多，散熱條件得到改善。進(jìn)給量和背吃刀量應(yīng)選取合適范圍，若取值過大會增大切削力，導(dǎo)致沖擊載荷增大，使工件產(chǎn)生振動和變形。

(a) 切削速度的影響Effect of cutting speed(b) 進(jìn)給量的影響Effect of infeed(c) 背吃刀量的影響 Effect of back-infeed圖3 切削參數(shù)對切削溫度的影響Fig. 3 Effect of cutting parameters on cutting temperature

2.3 顆粒含量對切削力和切削溫度影響

為研究增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)對鈦基復(fù)合材料切削力和切削溫度的影響，采用增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為5%和10%的顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料進(jìn)行對比試驗(yàn)，不同增強(qiáng)相含量鈦基復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)如表5，參數(shù)選擇ap=0.75 mm，f=0.08 mm/r。

圖4a表示PCD刀具車削鈦基復(fù)合材料時，切削力隨增強(qiáng)相含量變化情況。從圖4a中可以看出：增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%的切削力明顯大于體積分?jǐn)?shù)為5%時的切削力，即切削力隨增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。這是由于鈦基復(fù)合材料中存在的高強(qiáng)度、高硬度增強(qiáng)相含量越高，復(fù)合材料的強(qiáng)度越高、硬度越大，切削時需要克服材料彈塑性變形消耗所用功增多，同時在單位時間內(nèi)增強(qiáng)顆粒對刀具工作面沖擊次數(shù)增多，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，使得切削力增大。

圖4b表示PCD刀具車削鈦基復(fù)合材料時切削溫度隨不同增強(qiáng)相含量變化情況。從圖4b中可見：當(dāng)鈦基復(fù)合材料的增強(qiáng)顆粒含量增加時，切削溫度反而降低。這是由于鈦基復(fù)合材料中加入導(dǎo)熱系數(shù)為31.8 W/(m·K)的增強(qiáng)相TiC顆粒，材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大。結(jié)合表5可知：鈦基復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒含量較高時，導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，且隨溫度升高，增強(qiáng)顆粒含量對復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響越大，這有助于鈦基復(fù)合材料及時傳導(dǎo)熱量。因此切削溫度隨鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)相含量的升高而降低。

表5 不同增強(qiáng)相含量鈦基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)

(a) 對切削力的影響Effect on cutting force(b) 對切削溫度的影響Effect on cutting temperature圖4 增強(qiáng)相含量的影響Fig. 4 Effect of enhancing phase content

2.4 表面粗糙度

圖5表示PCD刀具車削鈦基復(fù)合材料時切削參數(shù)對表面粗糙度的影響曲線。由圖5a可見：已加工表面粗糙度隨切削速度升高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，此外在所選用的切削速度范圍內(nèi)，已加工表面粗糙度值Ra在0.25～0.40 μm范圍內(nèi)波動。這是由于隨著切削速度升高，切削溫度不斷升高，材料的熱軟化程度增強(qiáng)，工件發(fā)生塑性變形所受的變形抗力減小，因此已加工表面粗糙度減?。划?dāng)切削速度繼續(xù)上升，增強(qiáng)顆粒對刀具工作面的沖擊頻率增多，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，且增強(qiáng)顆粒被拔出或壓入的情況增多，因此加工表面粗糙度增大。

(a) 切削速度的影響Effect of cutting speed(b) 進(jìn)給量的影響Effect of infeed(c) 背吃刀量的影響 Effect of back-infeed圖5 切削參數(shù)對表面粗糙度的影響Fig. 5 Effect of cutting parameters on surface roughness

從圖5b、圖5c可以看出：隨著進(jìn)給量和背吃刀量的增大，表面粗糙度總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。且在進(jìn)給量為0.08 mm/r，背吃刀量為0.50 mm時已加工表面粗糙度值相對較小。

綜合前述分析，在v=80～100 m/min，ap=0.30～0.60 mm，f=0.06～0.10 mm/r時加工表面質(zhì)量較好，表面粗糙度Ra不超過0.5 μm。

3 結(jié)論

(1)采用PCD刀具車削鈦基復(fù)合材料時，隨切削速度升高，切削力先增大后減??；切削力隨背吃刀量增大而增大。當(dāng)切削速度在90～120 m/min范圍內(nèi)，進(jìn)給量為0.08 mm時，切削力明顯較小。

(2)隨切削速度升高、背吃刀量和進(jìn)給量增大，切削溫度相應(yīng)升高。其中切削速度對切削溫度影響顯著。切削速度在90～120 m/min時的上升幅度相比于30～60 m/min時的明顯放緩。

(3)鈦基復(fù)合材料在進(jìn)行車削加工時，各向切削力隨增強(qiáng)顆粒含量的升高均有所增大；但切削溫度在增強(qiáng)顆粒含量較低時反而較高。

(4)車削鈦基復(fù)合材料時切削參數(shù)范圍在v=80～100 m/min，ap=0.30～0.60 mm，f=0.06～0.10 mm/r時可獲得較好加工表面質(zhì)量，且已加工表面粗糙度Ra均在0.5 μm以下。