涂層刀具低溫銑削SiCp/Al復(fù)合材料表面質(zhì)量研究

李 爽 牛秋林 李常平 余 振 Ko TaeJo，

（1 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）

（2 嶺南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，Gyeongsan-si，Gyeongsangbuk-do，韓國）

文 摘 在加工過程中，相反的兩相特性增加了SiCp/Al 復(fù)合材料加工難度，難以獲得良好的表面質(zhì)量。為了提高其切削性能，本文開展20vol%SiCp/Al 復(fù)合材料銑削加工試驗(yàn)研究，比較常溫和低溫條件下TiAlN 涂層和TiAlSiN 涂層兩種銑刀的切削性能。結(jié)果表明，在低溫條件下，兩種刀具的切削力增加，銑削后表面鋁基體的開裂及剝落等缺陷均顯著改善，加工表面損傷減小且粗糙度降低，低溫銑削能獲得更好的表面質(zhì)量。此外，在常溫與低溫條件下TiAlSiN涂層比TiAlN涂層銑刀的切削力小，低溫條件下TiAlSiN涂層銑刀表面完整性和切屑形貌優(yōu)于TiAlN涂層銑刀。

0 引言

SiCp/Al 具有優(yōu)良的力學(xué)強(qiáng)度、韌性、耐磨性等，受到了航空航天、汽車制造業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注［1-2］。在加工過程中，鋁基體發(fā)生塑性變形，硬脆SiC 顆粒則發(fā)生彈性變形、脆性破壞，相反的兩相特性增加了SiCp/Al 復(fù)合材料加工難度，難以獲得良好的表面質(zhì)量［3-4］。研究結(jié)果表明，表面質(zhì)量取決于增強(qiáng)體的形狀、尺寸、含量以及切削過程中SiC 顆粒的斷裂和去除方式［5–9］。此外，由于基體材料的塑性變形，在顆粒周圍產(chǎn)生的空隙和裂紋也會影響表面質(zhì)量。這些缺點(diǎn)將對SiCp/Al復(fù)合材料的許多關(guān)鍵部件的最終性能產(chǎn)生不利影響，阻礙其在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。

SiCp/Al 復(fù)合材料的加工一般采用干切削，切削熱成為影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。以液氮作為冷卻介質(zhì)的低溫加工是一種清潔切削技術(shù)，在提高難加工材料的表面質(zhì)量與加工效率等方面具備獨(dú)特優(yōu)勢［10-12］，已用于提高難加工材料（如鈦［13］、石英纖維復(fù)合材料［14］和芳綸纖維復(fù)合材料［15］）的加工質(zhì)量和表面完整性。部分學(xué)者選擇液氮作為冷卻材料，對SiCp/Al 復(fù)合材料低溫磨削加工進(jìn)行了研究［16-17］。目前仍缺少低溫銑削試驗(yàn)研究，有許多問題亟待解決。

涂層刀具是將刀具基體與硬質(zhì)薄膜表層接合，可有效減少刀具切削力、切削熱、表面粗糙度及加工振動［18］。本文在常溫和低溫條件下，采用兩種涂層銑刀開展20vol%的SiCp/Al復(fù)合材料銑削加工試驗(yàn)研究，比較常溫銑削和低溫銑削下兩種涂層刀具的銑削性能，為工業(yè)上加工體積分?jǐn)?shù)為20%的SiCp/Al 復(fù)合材料的刀具選擇及表面質(zhì)量優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)

在立式精密加工中心（ACE-V45，DAEWOO）上進(jìn)行銑削試驗(yàn)，使用的銑刀為TiAlN 與TiAlSiN 涂層球頭銑刀，其牌號分別是AMB2060TTT5515 和HSB2060S090170TT5505，除了涂層材料不同外，兩把刀具的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)一致。銑削過程中產(chǎn)生的銑削力由安裝在機(jī)床上的Kistler dynamometer 9256C2測力儀測量。

本試驗(yàn)采用攪拌鑄造工藝制備的20vol%SiCp/Al復(fù)合材料，SiC的平均粒徑約為15 μm，鋁合金基體材料為Al-Zn-Mg-Cu 系列超高強(qiáng)度鋁合金。工件尺寸8 mm×20 mm×10 mm，將工件從兩端夾緊（圖1）。試驗(yàn)在常溫和低溫下進(jìn)行，低溫輔助加工使用液氮作為冷卻劑，在液氮儲罐上安裝了外部射流管，使用內(nèi)徑為2 mm 的噴射管，將噴嘴對準(zhǔn)加工區(qū)。液氮的噴射壓力為32 kPa，液氮的儲存溫度為-196℃。本文銑削參數(shù)的選取來源于刀具供應(yīng)商的建議，主軸轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，每齒進(jìn)給量fz=0.02 mm/z，徑向切削深度ae=3 mm，軸向切削深度ap=0.5 mm。

圖1 液氮噴淋銑削裝置Fig.1 Liquid nitrogen spray milling device

2 結(jié)果與討論

2.1 銑削力

如表1所示，在TiAlN 和TiAlSiN 兩種涂層銑刀銑削過程中，可以觀察到低溫冷卻下的銑削合力比常溫下提高25.6%和23.7%。由于工件材料的強(qiáng)度隨溫度的降低而提高，使低溫加工中刀具克服材料對彈性及塑性變形的抗力增加，從而導(dǎo)致切削力增加。因?yàn)殇X合金基體的線脹系數(shù)遠(yuǎn)高于SiC 顆粒，所以低溫冷卻引起SiC 顆粒的壓應(yīng)力和鋁合金基體的拉應(yīng)力，增強(qiáng)了SiCp/Al 復(fù)合材料兩相之間的界面結(jié)合狀態(tài)［17］，從而導(dǎo)致切削力的增加。

此外，TiAlSiN 涂層的摩擦因數(shù)較低［19］，可以減少切屑與刀具之間的摩擦力，所以不論常溫和低溫下，TiAlSiN 涂層刀具的銑削力均小于TiAlN 涂層刀具。

表1 銑削力Tab.1 Milling force

2.2 銑削表面損傷及表面粗糙度

在SiCp/Al 復(fù)合材料加工過程中，不僅有基體和增強(qiáng)顆粒的彈塑性變形，還有顆粒的斷裂破壞及其對基體的擠壓及耕犁。在掃描電鏡下對SiCp/Al復(fù)合材料的典型表面形貌進(jìn)行觀察（圖2），分析其表面完整性。損傷類型可分為顆粒拔出留下的孔洞、顆粒破碎形成的粉末以及基體開裂和剝落。在加工過程中，基體材料的塑性變形使顆粒周圍產(chǎn)生空隙和裂紋。常溫與低溫條件下均可見到顆粒的拔出及破碎，但低溫下銑削后表面鋁基體的開裂及剝落等缺陷均顯著改善。因?yàn)榛w表面的裂紋產(chǎn)生，擴(kuò)展到開裂，再到基體剝落，這一損傷演化過程受溫度影響較為明顯。李礦等［20］通過試驗(yàn)測定了鋁合金材料在不同溫度下的裂紋擴(kuò)展性能，發(fā)現(xiàn)低溫條件有利于減緩裂紋擴(kuò)展速率，增強(qiáng)鋁合金基體承受載荷后抵抗發(fā)生斷裂的能力。此外，低溫條件下較好的顆粒與基體的界面結(jié)合狀態(tài)也會降低基體開裂的可能性，有助于提高SiCp/Al復(fù)合材料加工表面質(zhì)量。

常溫條件下TiAlN 涂層刀具與TiAlSiN 涂層刀具引起的表面損傷程度相似，都能觀察到深的裂紋、基體開裂及較大的基體剝落，表面質(zhì)量相差不大。但低溫下TiAlSiN 涂層刀具引起的表面損傷明顯減少，能觀察到孔洞、裂紋及基體開裂明顯改善，這對切削加工的表面質(zhì)量的控制非常有利。

圖3為加工表面的三維形貌輪廓儀結(jié)果，顯示了TiAlN 涂層銑刀加工表面輪廓與TiAlSiN 涂層銑刀加工表面輪廓。在銑削表面上，沿刀具進(jìn)給方向均勻選取5個(gè)固定位置測量表面粗糙度，取平均值作為最終表面粗糙度值。在常溫和低溫條件下TiAlN 涂層、TiAlSiN 涂層銑刀加工表面粗糙度分別為Ra=0.91 μm和Ra=0.69 μm、Ra=0.76 μm和Ra=0.46 μm。

經(jīng)過對兩種刀具加工表面輪廓的對比后，發(fā)現(xiàn)低溫條件下表面損傷明顯減少，獲得的平均表面粗糙度明顯優(yōu)于常溫條件下獲得的平均表面粗糙度。低溫條件下使用TiAlSiN 涂層銑刀加工的表面粗糙度值最低，質(zhì)量最優(yōu)。加工表面的掃描電鏡特征（圖2）也證實(shí)了這一現(xiàn)象。

圖3 銑削表面三維輪廓Fig.3 Three-dimensional profile of milling surface

2.3 切屑形貌

為了研究低溫對切屑形貌的影響，使用掃描電子顯微鏡對常溫及低溫條件下的切屑進(jìn)行了觀察。如圖4所示，常溫條件相對低溫條件下的切屑更為卷曲，因?yàn)榈蜏亟档弯X基體的韌性，韌性降低會使切屑更易折斷。

圖4 切屑形態(tài)及其內(nèi)表面微觀形貌Fig.4 Macro morphology of chip and the micro morphology of its non-free surface

通過觀察圖4中切屑內(nèi)表面的微觀形貌，可發(fā)現(xiàn)液氮條件下的切屑內(nèi)表面質(zhì)量更優(yōu)。常溫條件下的切屑內(nèi)表面較為粗糙，存在孔洞、微裂紋、基體粘結(jié)及顆粒破碎。液氮條件下的切屑內(nèi)表面較為光滑，孔洞、微裂紋及基體粘結(jié)現(xiàn)象較少。其中，粘結(jié)的基體一部分來自于切屑分離時(shí)從已加工表面剝落的基體。由于低溫增強(qiáng)了基體的強(qiáng)度，使其不易剝落（圖2低溫條件下基體剝落損傷減?。?，基體粘結(jié)減少。此外，切屑形成過程中伴隨著切屑與刀具之間的擠壓與摩擦產(chǎn)生的基體材料粘結(jié)。液氮迅速汽化帶走大量熱量，有效降低了切削區(qū)的溫度，同時(shí)形成的氮?dú)饩彌_層降低了切屑和刀具之間的摩擦因數(shù)［21］。從切屑內(nèi)表面的SEM 照片可以推測出，溫度及摩擦的降低使得切屑內(nèi)表面的基體粘結(jié)減少。特別是TiAlSiN涂層刀具加工后的切屑內(nèi)表面干凈光潔。

3 結(jié)論

（1）在低溫條件下TiAlN 和TiAlSiN 兩種涂層銑刀獲得的銑削力要高于常溫條件下的銑削力，分別提高了25.6%和23.7%。無論常溫還是低溫條件下，TiAlSiN 涂層刀具的銑削力均小于TiAlN 涂層刀具的銑削力。

（2）與常溫條件相比，低溫條件銑削后表面鋁基體的開裂及剝落等缺陷均顯著改善，表面損傷較小。常溫條件下，TiAlN 涂層刀具與TiAlSiN 涂層刀具引起的表面損傷程度相似，但在低溫條件下TiAlSiN 涂層刀具引起的表面損傷明顯減小。低溫條件下的銑削表面粗糙度降低，使粗糙度達(dá)到0.69 和0.46 μm，特別是TiAlSiN 涂層刀具加工表面粗糙度最小。液氮低溫銑削有助于提高SiCp/Al復(fù)合材料加工表面質(zhì)量，且低溫條件下使用TiAlSiN 涂層刀具可大幅改善加工表面質(zhì)量。

（3）低溫條件下相對常溫條件下較易斷屑。此外，低溫條件下的切屑內(nèi)表面明顯優(yōu)于常溫條件下的切屑內(nèi)表面。TiAlSiN涂層刀具加工后的切屑內(nèi)表面干凈光潔。