PCD刀具高速銑削高體積分數SiCp/Al復合材料試驗研究*

叢鵬泉，解麗靜，彭 松

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

PCD刀具高速銑削高體積分數SiCp/Al復合材料試驗研究*

叢鵬泉，解麗靜，彭 松

(北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081)

進行了PCD刀具高速銑削SiC顆粒體積分數高達65%的SiCp/Al復合材料的試驗研究。通過對比試驗，研究了刀尖圓弧半徑和PCD顆粒尺寸對刀具壽命的影響，并考察了銑削參數(銑削速度、進給量和銑削深度)對銑削力、表面粗糙度和表面殘余應力的影響。

PCD刀具；Al/SiC/65p復合材料；表面完整性；刀具磨損；銑削力

鋁基碳化硅(SiCp/Al)復合材料具有強度高、硬度高、比強度高和耐熱性好等優(yōu)異性能以及特殊的商業(yè)價值和技術價值，使其迅速取代了傳統(tǒng)材料，在汽車、航天、基礎建設和休閑產業(yè)中的應用越來越廣泛[1-3]。然而，由于SiC硬質顆粒的存在，導致加工刀具快速磨損，復合材料極難加工，從而阻礙了復合材料的廣泛應用。

在過去幾十年里，SiCp/Al復合材料的加工性能已經引起了科學界和大眾的關注。Gallab等[4-6]在研究Al/SiC/20p復合材料的切削性能時進行了不同參數下的高速干式銑削試驗，強調了表面質量和表面下的損傷程度，認為聚晶金剛石(PCD)刀具的耐用度符合要求，并發(fā)現高速銑削降低了表面質量。全燕鳴[7]對復合材料切削加工表面粗糙度與表面結構進行了分析和研究，結果表明，增強顆粒的形狀、尺寸以及分布對已加工表面的粗糙度和形貌的作用十分顯著。Li等[8]認為刀具磨損隨著銑削速度的增加而加劇，且后刀面的磨料磨損是主要的磨損形式。Pramanik等[9]發(fā)現，隨著進給量的增加，SiCp/Al復合材料和其對應的鋁合金基體材料的切削力都呈線性增加的趨勢。切削速度不斷增加時，基體鋁合金的切削力先上升后下降，而SiCp/Al復合材料的切削力則變化不大。

由于目前對于高體積分數(>30%)的金屬基復合材料的研究報告還很缺乏，所以本文著重研究了65%體積分數的SiCp/Al復合材料。進行刀具壽命對比試驗，篩選合適的刀尖圓弧半徑和刀具材料的平均粒度，并得到了相應的刀具磨損形貌。進行單因素試驗，分析了銑削參數對表面粗糙度、殘余應力和銑削力的影響。

1 試驗設計與安排

1.1 工件、刀具與試驗設備

本文研究所采用的SiCp/Al復合材料由哈爾濱工業(yè)大學提供。復合材料的基體材料為6063DL31鍛造鋁合金，基體中增強體顆粒為平均直徑5 μm的SiC顆粒，其體積含量高達65%，該復合材料的顯微結構如圖1所示，具體的物理性能見表1。

圖1 Al/SiC/65p復合材料的顯微結構

表1 Al/SiC/65p復合材料的物理力學特性

刀具材料的選擇是影響切削的重要因素。研究SiCp/Al復合材料的切削加工性及刀具性能時發(fā)現，SiC顆粒增強相的存在會導致普通刀具劇烈磨損，而PCD刀具耐用度最好，所以試驗中采用PCD刀具進行高速銑削。刀具幾何參數見表2。

表2 PCD刀具幾何參數

研究發(fā)現，使用冷卻劑會沖刷掉SiC顆粒，從而在工件表面易造成更多的空隙和凹坑[10]，故本文所有銑削加工試驗均采用干式銑削。

本文所有銑削加工試驗均在德瑪吉公司生產的DMU80 monoBLOCK五軸加工中心上完成。銑削過程中周期性地中斷，以便記錄材料表面粗糙度和刀具磨損。三向銑削分力(Fx、Fy、Fz)通過Kistler-9257B壓電式測力儀測量，表面粗糙度通過TR240表面粗糙度計測量，刀具副后刀面磨損量通過卡爾·蔡司公司生產的Stereo Discovery V12體視顯微鏡進行測量。銑削加工完成后，磨損的刀具和加工表面通過掃描電子顯微鏡和基恩士公司生產的VK-X200三維激光掃描顯微鏡進行觀測，由于副后刀面的磨損帶非常不均勻，靠近刀尖位置的磨損最厲害，總體呈現不對稱的拋物線狀，所以在測量時，對副后刀面磨損最大部位測量3次后取平均值作為該參數下的副后刀面最大磨損VB值，記為VC。表面殘余應力通過愛斯特公司生產的X-350A型X射線衍射應力測定儀進行測量，測量方向沿進給方向，取3次測量的殘余應力平均值作為該銑削條件下的試驗結果。

1.2 試驗設計

在加工過程中，銑削力和工件表面質量受很多因素影響。本文就銑削速度、進給量和銑削深度對三向銑削力、表面粗糙度和殘余應力的影響進行了單因素試驗，詳細參數水平和銑削設計見表3。

表3 單因素試驗銑削參數表

2 試驗結果與討論

2.1 表面粗糙度和殘余應力

刀具磨損及刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響如圖2所示，可以看出，刀尖圓弧半徑較大的刀具對應的加工表面質量更好，SiCp/Al復合材料的表面粗糙度隨著刀具后刀面磨損量的增大在一定范圍內起伏變化，這是由于表面粗糙度變化幅度的大小與系統(tǒng)的振動有關，而振動又是由系統(tǒng)的不穩(wěn)定性造成的。在切削過程中，刀具的磨損明顯分為3個階段：初期磨損、正常磨損和劇烈磨損。由于刀具表面難免存在一些毛刺和不規(guī)則的微凸體、微裂痕等，所以在切削的初始階段，磨損比較劇烈，這就造成了系統(tǒng)的振動較大，表面粗糙度變化幅度也大；隨后進入正常磨損，磨損率減小，切削過程比較平穩(wěn)，表現為表面粗糙度變化幅度減?。浑S著磨損量的增大，刀具進入劇烈磨損階段，刀具后刀面磨損率急劇上升，系統(tǒng)又趨向于不穩(wěn)定，振動隨之增大，表面粗糙度也急劇上升。

圖2 刀具磨損以及刀尖圓弧半徑對表面粗糙度的影響

進給量對表面粗糙度和表面殘余應力的影響如圖3所示。試驗結果表明，表面粗糙度和表面殘余應力都是隨著進給量增加而增加，且殘余應力均為壓應力。從試驗結果可以看出，當進給量從0.02 mm/r增加到0.1 mm/r，表面粗糙度增加了100%，加工表面形貌如圖4所示。表面殘余應力值從-117.5 MPa到-36.5 MPa，提高了81 MPa，這是因為隨著進給量的增加，里層材料彈性變形由拉伸變形轉變?yōu)閴嚎s變形。當加工完成時，里層材料彈性形變的恢復受到表面材料的牽制，出現由表面殘余壓應力向殘余拉應力的轉變。雖然在試驗的參數范圍內，SiCp/Al復合材料已加工表面殘余應力全部為壓應力，但是表面殘余壓應力明顯有向拉應力轉變的趨勢。

圖3 進給量對表面粗糙度和表面殘余應力的影響

圖4 不同進給量下加工表面形貌(vc=300 m/min, aw=6 mm,ap=0.1 mm)

銑削深度對表面粗糙度和表面殘余應力的影響如圖5所示?？梢钥闯觯砻娲植诙群捅砻鏆堄鄳Χ际请S著銑削深度增加而增加，表面殘余應力均為壓應力。銑削深度從0.05 mm增加到0.15 mm，表面粗糙度從0.107 μm到0.172 μm，提高了0.065 μm，表面殘余應力從-179.5 MPa到-86 MPa，提高了93.5 MPa。

圖5 銑削深度對表面粗糙度和表面殘余應力的影響

銑削速度對表面粗糙度和表面殘余應力的影響如圖6所示。試驗結果表明，表面粗糙度和表面殘余應力隨著銑削速度的增加出現波動，表面殘余應力均為壓應力。當銑削速度從100 m/min增加到380 m/min時，表面粗糙度值先從0.15 μm減小到0.12 μm，然后從0.12 μm增加到0.14 μm。不同銑削速度下已加工表面形貌對比如圖7所示。從已加工表面等高線圖可以看到，當vc=240 m/min時，已加工表面因SiC顆粒的拔出而形成的凹坑最少，也就是說此時表面紋理最好。表面殘余應力值先從-113 MPa增加到-94 MPa，然后從-94 MPa減小到-113.5 MPa，這是由于銑削過程中產生熱量和切屑帶走熱量的綜合作用。當銑削速度從100 m/min增加到240 m/min時，銑削過程中產生的熱大于切屑帶走的熱量，這時溫度將增加，殘余應力中拉應力占多數。當銑削速度從240 m/min增加到380 m/min時，切屑帶走的熱量大于銑削產生的熱量，這時溫度下降，殘余應力中壓應力占多數。

圖6 銑削速度對表面粗糙度和表面殘余應力的影響

圖7 不同銑削速度下已加工表面形貌對比

2.2 刀具磨損

刀尖圓弧半徑和PCD顆粒平均粒度對刀具磨損的影響如圖8所示。試驗結果表明，PCD刀具刀尖圓弧半徑越大，耐用度越好，并且，合理的PCD粒度可以在一定程度上提高刀具壽命，當PCD顆粒度接近材料增強顆粒的尺寸時，宜采用較小顆粒度的PCD刀具來高速銑削SiCp/Al復合材料。

圖8 刀尖圓弧半徑和PCD顆粒平均粒度對刀具磨損的影響

2.3 刀具磨損形貌

刀具前、后刀面磨損示意圖如圖9所示，由于加工表面殘留切屑較多，使得在高速銑削過程中被拔出的SiC顆粒容易在刀具與切屑或者后刀面之間形成三體磨損。

圖9 刀具前、后刀面磨損示意圖

已磨損的PCD刀具前、后刀面的顯微照片如圖10所示。顯然，PCD刀具上出現了崩刃、磨粒磨損、顆粒脫落和積屑瘤。PCD刀具高速干切削SiCp/Al復合材料時，由于機械應力和熱沖擊的作用，使得切削刃局部產生細小缺口和微裂紋，如圖10a所示，這些細小缺口在銑削過程中易導致應力集中，使缺口周圍的裂紋不斷擴展，最終導致刀具崩刃。PCD刀具后刀面的微細溝是銑削SiCp/Al過程中產生磨粒磨損的顯著標志，如圖10b所示。雖然PCD刀具的硬度遠遠高于SiCp/Al復合材料的基體鋁合金，但是工件材料中存在大量SiC硬質顆粒，而且加工過程中也有部分松動脫落的金剛石顆?；烊肭啊⒑蟮睹?，這些硬質點不斷地與PCD刀具發(fā)生高頻刻劃和劇烈摩擦，就像砂輪一樣刃磨著PCD刀具的前、后刀面。隨著銑削過程的進行，PCD刀具上的“微切削”和摩擦會刮掉PCD顆粒周圍的粘結劑材料，PCD顆粒就會暴露出來。由于這些金剛石顆粒不像之前那么牢固，只要沖擊力超過顆粒和粘結劑材料之間的粘合強度，顆粒就會脫落，如圖10c所示。由于該復合材料的熱導率遠小于PCD刀具，鋁基體在切削過程中易被熱軟化發(fā)生塑性流動，通過機械鑲嵌作用，基體材料粘附在前刀面刃口部位的溝槽中形成積屑瘤，如圖10d所示，積屑瘤對刀具前刀面具有一定的保護作用，可以避免前刀面進一步的磨粒磨損。

圖10 PCD刀具磨損形貌(r=0.4 mm)

2.4 銑削力

進給量對三向銑削力的影響如圖11所示。Fx、Fy和Fz總體上隨每齒進給量的增大呈上升趨勢。其中Fx變化較Fy和Fz更加顯著，這是由于每齒進給量的增加導致銑削厚度的增加，使得前刀面的法向力增加，造成了銑削力迅速上升。同時，每齒進給量增大使得單位時間內去除的材料體積增大，這樣導致了切削所需的功率增大，所以切削力也就隨之增大。

圖11 進給量對三向銑削力的影響

銑削深度對三向銑削力的影響如圖12所示。銑削力隨切削深度的增大而增大，這是因為銑削深度的增大使銑削面積增大，切削過程中作用在刀具上的切削抗力增大，此時形成的切屑體積將增大，進而切屑與前刀面之間的摩擦力也增大，這樣就導致了切削力的增大，因此隨著銑削深度的不斷增加，三項銑削分力都呈增大趨勢，其中Fz的增速較慢，Fx和Fy的增速較快。

圖12 銑削深度對三向銑削力的影響

銑削速度對三向銑削力的影響如圖13所示。從試驗結果看，銑削速度對三向銑削力的影響并不顯著。一方面，由于銑削速度上升，使得刀-屑間摩擦系數減小，刀具剪切角增大，切削力降低，同時，由于銑削溫度隨著銑削速度的增大不斷上升造成基體材料軟化，從而導致銑削力降低;另一方面，銑削速度增加使得刀具與材料中硬質顆粒的碰撞機會以及硬質顆粒的動能增加，從而致使銑削力增大。

圖13 銑削速度對三向銑削力的影響

3 結語

本文研究了Al/SiC/65p復合材料的可加工性以及SiC增強顆粒對表面粗糙度、表面殘余應力、刀具磨損和銑削力的影響?；谏鲜龇治?，可以得到如下結論。

1)隨著進給量的增加，拔出顆粒的數量也增加，從而影響加工表面質量，銑削速度或銑削深度對表面粗糙度的影響較小。推薦使用240 m/min左右的銑削速度來加工Al/SiC/65p，這樣拔出的顆粒相對較少，表面質量好。

2)Al/SiC/65p加工表面測得的殘余應力都是壓應力，與銑削深度和進給量相比，殘余應力對銑削速度不敏感。

3)刀尖圓弧半徑大的PCD刀具壽命長，合理的PCD顆粒尺寸有利于提高刀具耐用度。

4)高頻沖擊和SiC顆粒的摩擦是刀具磨粒磨損、顆粒斷裂脫落和微崩刃的主要機制；切削過程中產生的積屑瘤在某種程度上保護了刀具前刀面。

5)與銑削深度和進給量相比，銑削力對銑削速度不敏感。

[1] Tosun G. Statistical analysis of process parameters in drilling of AL/SiCp metal matrix composite[J]. Int. J. Adv. Manuf. Technol.，2011，55(5-8):477-485.

[2] Miracle D B. Metal matrix composites-from science to technological significance[J]. Composites Science and Technology,2005,65(15):2526-2540.

[3] Sahin Y.Preparation and some properties of SiC particle reinforced aluminium alloy composites[J]. Mater Des,2003,24(8):671-679.

[4] El-Gallab M, Sklad M. Machining of Al/SiC particulate metal matrix composites: Part I: Tool performance[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1998, 83(1): 151-158.

[5] El-Gallab M, Sklad M. Machining of Al/SiC particulate metal matrix composites: Part II: Workpiece surface integrity[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1998, 83(1): 277-285.

[6] El-Gallab M, Sklad M. Machining of Al/SiC particulate metal matrix composites:Part III: Comprehensive tool wear models[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 101(1): 10-20.

[7] 全燕鳴,葉邦彥.復合材料的切削加工表面結構與表面粗糙度[J].復合材料學報,2001(4):128-132.

[8] Li X, Seah W K H.Tool wear acceleration in relation to work piece reinforcement percentage in cutting ofmetal matrix composites[J]. Wear,2001,247(2):161-171.

[9] Pramanik A, Zhang L C, Arsecularatne J A. Prediction of cutting forces in machining of metal matrix composites [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(14):795-803.

[10] Kannan S, Kishawy H A. Tribological aspects of machining aluminum metal matrix composites[J]. Journalof Materials Processing Technology,2008,198(1):399-406.

*國家科技重大專項(2012ZX04003051-3)

責任編輯彭光宇

ExperimentalStudyonHigh-speedMillingofHighVolumeFractionofSiCp/AlCompositesbyPCDTools

CONG Pengquan, XIE Lijing, PENG Song

(School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

This paper introduced the result of an experimental investigation on high-speed milling of SiC particlereinforced aluminum matrix composites with 65% volume fraction (Al/SiC/65p) carried out using polycrystallinediamond (PCD) tools. A series of comparative tests were performed to study the influence of tool nose radius and toolmaterial average grain size on PCD tool life. The influence of machining parameters, such as milling speed,feed rate and depth of cut, on the milling force, surface roughness and surface residual stress was showed at the end of paper.

PCD tool,Al/SiC/65pcomposites, surface integrity,tool wear, milling force

TG 54

：A

叢鵬泉(1989-)，男，碩士研究生，主要從事SiCp/Al復合材料高速銑削等方面的研究。

2015-01-07