超聲振動銑削碳纖維復合材料刀具磨損分析

李　紅,　王大鎮(zhèn)

(1.集美大學誠毅學院 機械工程系， 福建 廈門　361021;2.集美大學 機械學院， 福建 廈門　361021)

0　引　言

碳纖維復合材料目前被廣泛應用到航空航天領域，并且大都是以切削加工的方式進行制造，切削加工過程中的刀具磨損是制約切削加工發(fā)展的主要瓶頸。

時至今日，切削加工過程中的刀具磨損逐漸吸引了國內外諸多專家學者對其研究。尚曉峰[1-2]等對兩種不同的刀具切削碳纖維復合材料的刀具磨損及對涂層硬質合金刀具切削碳纖維復合材料磨損機理進行了相關的研究；張巧娥[3]等研究了超聲振動高速銑削SiCp/Al復合材料的刀具磨損特性；王陽俊[4]等對SiCp/Al復合材料高速銑削表面質量及刀具磨損進行了研究；程雪利[5]等對超聲振動切削復合材料的刀具磨損形態(tài)進行了相關研究；王大鎮(zhèn)[6]等研究了切削鋁基復合材料時的刀具磨損形貌，并且研究了主要的影響因素；黃劭楠[7]等研究了PCD刀具切削顆粒增強鋁基復合材料時的刀具磨損；程雪利[8]等基于超聲振動切削對復合材料的切削加工刀具磨損進行了研究；程雪利[9]等研究了超聲振動切削SiC_P/Al復合材料的刀具磨損機理；夏靖宇[10]等研究了超聲振動切削金屬基復合材料時的刀具磨損微觀機理；韓榮第[11-12]等對多種復合材料的高速切削刀具磨損進行了對比研究，并對SiC復合材料的高速切削刀具磨損進行了試驗研究。

雖然國內外諸多專家學者對復合材料的刀具磨損進行了研究，但是大都集中在不同材料的刀具磨損，關于切削參數(shù)對C/C復合材料的切削加工刀具磨損的研究仍未成熟，文中以C/C復合材料為研究對象，通過實驗和仿真手段對刀具磨損和切削加工三維表面形貌進行研究，對C/C復合材料的高速切削加工和刀具選擇具有較強的指導意義。

1　實驗方案

探究超聲振動碳纖維復合材料的刀具磨損機理，設計單因素實驗方案見表1。

高速切削加工實驗在數(shù)控加工中心進行，切削加工完成后使用超景深電子顯微鏡測試刀具磨損形貌和已加工表面形貌，使用表面粗糙度儀測量已加工表面的表面粗糙度。

表1　切削實驗方案

2　結果及討論

2.1　實驗結果

切削參數(shù)對碳纖維復合材料表面粗糙度的影響關系如圖1所示。

由圖1可以看出，切削深度和進給量與表面粗糙度的關系都呈現(xiàn)出正相關關系，切削速度與表面粗糙度之間的關系較為復雜，隨著切削速度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

(a) 切削速度

圖1　切削參數(shù)對表面粗糙度的關系

不同切削速度下的切削加工三維表面形貌如圖2所示。

圖2　切削速度對三維表面形貌的影響

由圖2可以看出,切削速度為120 m/min時的三維表面形貌呈現(xiàn)出拱形，切削速度為200 m/min時的三維表面形貌相對較為平整。

切削深度為1.5 mm和3.0 mm時的切削加工三維表面形貌如圖3所示。

圖3切削深度對三維表面形貌的影響

由圖3可以看出，隨著切削深度的增大，三維表面形貌的不平整程度增加，并且呈現(xiàn)出較大的隆起和犁耕現(xiàn)象。

進給量為0.025 mm和0.125 mm時的切削加工三維表面形貌如圖4所示。

近年來，北京大學第三醫(yī)院（以下簡稱“北醫(yī)三院”）充分發(fā)揮管理效能、聯(lián)合智庫力量，以構建更加適應現(xiàn)代綜合性醫(yī)院發(fā)展要求的人力資源體系為目標，進行了醫(yī)院崗位分析與職能部門崗位評價。這項工作在轉變身份管理為崗位管理、提高人崗匹配度、優(yōu)化薪酬激勵等方面取得了積極成效；與績效評價、人才培養(yǎng)及學科發(fā)展緊密互動，促進醫(yī)院整體運營更加優(yōu)化。

圖4切削進給量對三維表面形貌的影響

由圖4可以看出，隨著進給量的逐漸增大，加工表面形貌呈現(xiàn)出區(qū)域化隆起現(xiàn)象。

切削速度和切削深度對刀具磨損的影響分別如圖5和圖6所示。

圖5切削速度對刀具磨損的影響

圖6　切削深度對刀具磨損的影響

由圖5可以看出,當切削速度為120 m/min時，刀具的磨損程度較輕，呈現(xiàn)出粘著磨損形式；當切削速度為200 m/min時，刀具磨損極為嚴重，呈現(xiàn)出了較大的崩刃，主要磨損形式為崩刃磨損。

由圖6可以看出，隨著切削深度的不斷增大，刀具的磨損程度有著較大的增大，當切削深度較低時，磨損形式主要以磨粒磨損為主；當切削深度較大時，磨損形式主要以剝落磨損為主。

2.2　刀具磨損有限元分析

不同切削速度時的鈦合金切削刀具磨損的有限元分析結果如圖7所示。

圖7刀具磨損有限元云圖

結果表明,隨著刀具切削速度的增大，刀具的磨損深度不斷增大，切削速度超過200 m/min時，增大的趨勢越明顯。

3　結　語

1)當切削速度較低時，刀具的磨損程度較輕，呈現(xiàn)出粘著磨損形式；當切削速度較高時，主要磨損形式為崩刃磨損。隨著切削深度的不斷增大，刀具的磨損程度有著較大的增大，當切削深度較低時，磨損形式主要以磨粒磨損為主；當切削深度較大時，磨損形式主要以剝落磨損為主。

參考文獻：

[1]尚曉峰,高石鑫,王志堅.YT15和YG8硬質合金刀具切削碳纖維復合材料磨損對比研究[J].制造技術與機床,2016(12):105-108.

[2]尚曉峰,高石鑫.涂層硬質合金刀具切削碳纖維復合材料磨損機理[J].組合機床與自動化加工技術,2016(10):32-34;39.

[3]張巧娥,向道輝.超聲振動高速銑削SiCp/Al復合材料的切削力及刀具磨損特性[J].河南理工大學學報:自然科學版,2013,32(2):209-212;224.

[4]王陽俊.SiCp/Al復合材料高速銑削表面質量及刀具磨損研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2012.

[5]程雪利,刁修慧.超聲振動切削SiC_P/Al復合材料的刀具磨損形態(tài)研究[J].河南機電高等專科學校學報,2009,17(6):75-76.

[6]王大鎮(zhèn).切削鋁基復合材料時的刀具磨損及影響因素[J].機械工程師,2009(7):21-23.

[7]黃劭楠,周明.PCD刀具切削顆粒增強鋁基復合材料時刀具磨損研究[J].工具技術,2008(6):6-9.

[8]程雪利,趙波,劉傳紹,等.超聲振動切削SiCp/Al復合材料的刀具磨損試驗[J].工具技術,2007(4):18-20.

[9]程雪利,趙波,劉傳紹,等.超聲振動切削SiC_P/Al復合材料的刀具磨損機理分析[J].煤礦機械,2007(1):104-105.

[10]夏靖宇,朱訓生,徐可偉,等.超聲振動切削金屬基復合材料的刀具磨損[J].航空精密制造技術,2002(2):1-4.

[11]韓榮第,李漢國.SiC_p/Al、SiC_w/Al復合材料加工的切削溫度與刀具磨損的試驗研究[J].宇航材料工藝,1997(3):36-39.

[12]韓榮第,姚洪權,嚴春華,等.SiC_P/2024復合材料切削力與刀具磨損的試驗研究[J].復合材料學報,1997(2):73-77.