高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料切削力研究*

段春爭，車明帆，孫 偉，印文典

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

隨著先進(jìn)武器系統(tǒng)、航空航天、汽車、體育和電子封裝等領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊笤絹碓礁?，碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(SiC/Al-MMCs)以其高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐磨耐腐蝕以及重量輕等優(yōu)異的綜合性能，獲得非常廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。在SiC/Al-MMCs切削過程中，SiC顆粒會對刀具造成強(qiáng)烈的高頻沖擊，并導(dǎo)致切削力劇烈波動，破壞刀具[3]，嚴(yán)重制約該材料的廣泛應(yīng)用。韓榮第等[4]研究發(fā)現(xiàn)，SiC/Al-MMCs切削三向力都隨切削速度的增大而增大，并認(rèn)為積屑瘤可以增大刀具工作前角，減小切削力，但并沒有對切削力的影響因素作明確解釋。周家林[5]對56vol.% SiC/Al-MMCs進(jìn)行了高速銑削實驗，發(fā)現(xiàn)隨著銑削速度的增加，銑削力有先下降后上升趨勢，認(rèn)為隨著切削路程增加，刀具磨損加劇，導(dǎo)致切削力增大，Kannan S[6]也得到了類似結(jié)論。由于SiC顆粒的存在，影響SiC/Al-MMCs切削力的因素比較復(fù)雜，切削力波動比均質(zhì)材料更嚴(yán)重，特別是高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al-MMCs。但是以往研究并沒有充分結(jié)合SiC/Al-MMCs的材料特點(diǎn)分析切削力變化的原因。并且現(xiàn)有針對SiC/Al-MMCs切削力特性的研究比較缺乏，各切削條件對切削力的影響機(jī)制并不明確。

由于切削力是切削過程振動和刀具磨損的反應(yīng)，因此需要對影響切削力的因素進(jìn)行更深入地研究。本文對50vol.% SiC/Al-MMCs進(jìn)行了不同切削用量下的單因素實驗，充分考慮SiC/Al-MMCs的材料特點(diǎn)，分析切削用量對切削力大小和波動的影響，并探討了積屑瘤與切削力的關(guān)系，明確了SiC/Al-MMC切削力的影響機(jī)制，對后續(xù)研究和實際生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

1 切削實驗

實驗材料為50vol.% SiC/2024Al-MMCs，SiC顆粒平均尺寸為15μm。材料外形為圓筒狀，外徑120mm，內(nèi)徑100mm，高150mm，采用CA6140車床進(jìn)行外圓車削。實驗使用PCD刀具，前角5°，后角7°，刀尖圓弧半徑0.4mm，切削刃半徑5.4μm。切削參數(shù)如表1所示。

表1 切削參數(shù)

切削力測量使用YDCB-III05型三向壓電石英測力儀，刀具表面微觀形貌觀察采用FEI(Q45)掃描電子顯微鏡(SEM)。為清楚觀察刀具表面磨損微觀形貌，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液腐蝕去除積屑瘤。

2 切削力分析

圖1為SiC/Al-MMCs主切削力(Fz)原始信號。

圖1 SiCp/Al復(fù)合材料主切削力(v4，ap2，f1)

2.1 切削參數(shù)對主切削力的影響

在切削低體積分?jǐn)?shù)SiC/Al-MMCs時，隨著切削速度增加，切削區(qū)溫度升高，基體材料熱軟化效應(yīng)增強(qiáng)，材料更容易去除，導(dǎo)致主切削力減小。然而由圖2中主切削力與切削速度的關(guān)系曲線可知，隨著切削速度增加，主切削力并沒有呈現(xiàn)出明顯的上升或下降規(guī)律，總體變化幅度非常小，最大不超過3N。由圖2a可以看出，進(jìn)給量的增加或減小并沒有改變主切削力隨切削速度變化的整體趨勢，并且增加或減小切削深度后也是如此(圖2b)。所以，不同切削速度下主切削力的變化趨勢不受進(jìn)給量和切削深度的影響。

(a) ap2

(b) f2 圖2 切削速度對主切削力的影響

Pramanik A等[7]認(rèn)為切削SiC/Al-MMCs時切削力主要來源于三個方面：①切屑的形成力；②增強(qiáng)顆粒對基體材料的耕犁作用力；③增強(qiáng)顆粒的破裂和移位。以往研究中使用的低體積分?jǐn)?shù)SiC/Al-MMCs塑性更高，并且實驗中使用的切削速度普遍較高(>200m/min)。當(dāng)切削速度增加時，切削區(qū)溫度高，容易造成基體材料熱軟化，降低了切屑形成的阻力和增強(qiáng)顆粒對基體材料的耕犁作用力，同時也降低了增強(qiáng)顆粒的移位阻力，材料更容易去除，從而減小切削力。本文使用的50vol.% SiC/Al-MMCs塑性較差，切削時形成類似于鑄鐵加工的崩碎切屑(圖3)，塑性變形小，所以切屑對前刀面的摩擦力小[8]。此外，由于切削速度相對偏低(≤120m/min)，切削區(qū)溫度不高，增加的溫度不足以使基體材料產(chǎn)生明顯的熱軟化。所以在較低切削速度范圍內(nèi)增加切削速度并不能降低高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al-MMCs材料的去除難度，造成主切削力對切削速度的變化不敏感。

圖3 崩碎切屑

2.2 切削參數(shù)對背向力的影響

圖4所示為背向力(Fy)隨切削參數(shù)變化曲線圖。由圖可知，隨著切削速度的增加，背向力整體呈現(xiàn)上升趨勢。由圖4可以分別看出，進(jìn)給量和切削深度的變化對背向力隨切削速度變化的整體趨勢影響不大，即背向力在不同切削速度下的變化趨勢受進(jìn)給量和切削深度的影響很小。

對于均質(zhì)材料，背向力的主要來源為已加工表面彈性回復(fù)時對刀具的反作用力。和普通均質(zhì)材料不同，考慮到SiC/Al-MMCs的特殊性，需要通過探討SiC顆粒與刀具之間的相互作用，分析SiC顆粒對背向力產(chǎn)生過程的影響。外圓車削模型如圖5所示，并建立切削過程中SiC顆粒與刀具之間相互作用的模型，如圖6所示。

(a) ap2

(b) f2 圖4 切削參數(shù)對背向力的影響

圖5 外圓車削模型

(a) SiC顆粒向切屑形成方向運(yùn)動

(b) SiC顆粒被壓入基體材料

(c) SiC顆粒破碎

(d) Fp1的分解 (e) Fp2的分解 圖6 SiC顆粒與刀具相互作用模型

切削過程中，處在切削路徑上的SiC顆粒與刀具發(fā)生自由碰撞，由于SiC顆粒具有不規(guī)則的外形，并且平均尺寸大于刀具切削刃半徑(15μm>5.4μm)，當(dāng)碰撞結(jié)束后，SiC顆粒有三種可能的存在狀態(tài)：向切屑形成方向運(yùn)動成為切屑的一部分、被壓入基體材料、破碎，分別如圖6a、圖6b、圖6c所示。對于SiC顆粒的第一種運(yùn)動狀態(tài)(圖6a)，切削刃接觸到SiC顆粒時，切削刃對SiC顆粒的擠壓使SiC顆粒向切屑形成運(yùn)動，基體材料阻礙SiC顆粒的運(yùn)動，SiC顆粒受到阻力Ff1，造成SiC顆粒對切削刃產(chǎn)生反作用力Fn1，F(xiàn)n1可以分解為平行于切削方向的分力Fc1和垂直于切削方向的分力Fp1。由于Fn1的大小取決于Ff1，所以SiC顆粒運(yùn)動時受到的阻力決定了Fp1的大小。對于SiC顆粒的第二種運(yùn)動狀態(tài)((圖6b)，SiC顆粒向刀具下方運(yùn)動時受到的阻力同樣來自基體材料，SiC受到運(yùn)動阻力Ff2，SiC顆粒對刀具產(chǎn)生反作用力Fn2，F(xiàn)n2可以分解為平行于切削方向的分力Fc2和垂直于切削方向的分力Fp2，并且Fn2的大小取決于Ff2。對于圖6c，破碎后的SiC顆粒同時向上下兩個方向運(yùn)動，兩部分SiC顆粒受到的力本質(zhì)上和圖6a、圖6b是一樣的，所以這里不必對圖6c所示破碎的SiC顆粒做單獨(dú)受力分析。

如果切削區(qū)溫度升高造成基體材料軟化，則SiC顆粒運(yùn)動時受到的阻力降低，SiC顆粒對切削刃的反作用力也會降低，從而降低反作用力在垂直于切削方向的分力。上節(jié)說到由于實驗使用的切削速度較低，切削區(qū)溫度的變化不足以造成基體材料熱軟化，所以不應(yīng)該從切削溫度對背向力的影響這個角度分析。對于圖6b，SiC顆粒受刀具擠壓運(yùn)動過程中的阻力主要來自SiC顆粒運(yùn)動方向的基體材料，該區(qū)域的基體材料受到SiC顆粒的擠壓作用后會產(chǎn)生反作用力，阻礙SiC顆粒的運(yùn)動。對于圖6a，SiC顆粒受刀具擠壓運(yùn)動過程中的阻力來自即將成為切屑的基體材料，該區(qū)域材料受到前刀面的擠壓向切屑生成方向運(yùn)動，并且運(yùn)動方向與SiC顆粒運(yùn)動方向相同，帶動SiC顆粒向遠(yuǎn)離切削刃方向運(yùn)動，所以阻礙SiC顆粒運(yùn)動的基體材料會有一定的“退讓”。通過分析，可以認(rèn)為圖6b中基體材料對SiC顆粒運(yùn)動的阻力Ff2大于圖6a中基體材料對SiC顆粒運(yùn)動的阻力Ff1，所以SiC顆粒對刀具的反作用力Fn2> Fn1。

切削速度越大，SiC顆粒與切削刃碰撞接觸的時間越短，部分SiC顆粒不能被及時壓入基體材料，越過切削刃進(jìn)入到后刀面與已加工表面之間。由于已加工表面本身已經(jīng)含有大量SiC顆粒，所以在后刀面與已加工表面之間的SiC顆粒很難被壓入基體材料，受到的反作用力增加，造成背向力增大。圖5所示模型中的豎直方向即為實際切削過程中的背向力，故在較低切削速度范圍內(nèi)隨著切削速度增加背向力呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢。

此外，阻礙SiC顆粒在切削方向上運(yùn)動的基體材料并沒有“退讓”趨勢，所以SiC顆粒對切削刃的反作用力在切削方向上的分力不會隨著切削速度的改變發(fā)生明顯變化。即主切削力受切削速度的影響很小，這與上節(jié)討論的結(jié)論相符。

2.3 切削參數(shù)對切削力波動的影響

圖7為切削三向力信號標(biāo)準(zhǔn)差隨切削速度變化曲線圖。由圖可知，隨著切削速度增加，切削力信號標(biāo)準(zhǔn)差呈上升趨勢，說明切削力信號的波動程度對切削速度變化敏感。隨著切削速度增加，單位時間內(nèi)刀具與基體材料中的SiC顆粒碰撞的頻率增大，同時也引起刀具振動加強(qiáng)，并將振動傳遞給測力儀，導(dǎo)致記錄的切削力信號波動程度增加。其中背向力的波動幅度最大，這是因為切削速度增加引起背向力增加的同時(圖4)，刀具與位于切削刃下方的SiC顆粒接觸時間減少，導(dǎo)致部分SiC顆粒不能及時被壓入基體材料，從而被切斷破碎或者在后刀面與已加工表面之間滾動，耕犁已加工表面，使刀具受到更大的背向力，同時引起切削過程振動，切削力波動幅度增加。

圖7 切削速度對切削力波動的影響(ap2，f1)

2.4 積屑瘤對切削力的影響

圖8分別為前刀面腐蝕前后微觀形貌SEM照片。切削SiC/Al-MMCs時，SiC顆粒對前刀面的高頻刻劃和沖擊會降低PCD晶粒間的黏結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致PCD晶粒脫落，在前刀面形成大量凹坑(圖8b)，工件材料滯留在溝槽內(nèi)，逐漸累積，在前刀面靠近切削刃處產(chǎn)生工件材料黏附現(xiàn)象，形成積屑瘤[9]。圖9為積屑瘤高度(Hb)與主切削力隨切削距離(L)變化的關(guān)系，可以看到積屑瘤并不穩(wěn)定，反映了積屑瘤高度尺寸的周期性變化現(xiàn)象。

(a)腐蝕前 (b)腐蝕后 圖8 刀具表面SEM照片(v4，ap2，f1，L=550m)

圖9 積屑瘤高度與切削力的關(guān)系(v4，ap2，f1，L=550m)

一般在切削塑性材料時，前刀面積屑瘤是由冷焊作用產(chǎn)生的，其硬度通常是工件材料的2～3倍，增加了刀具實際前角，從而減小切削力。然而，切削SiC/Al-MMCs時，黏附在前刀面的積屑瘤并不是由冷焊作用產(chǎn)生的，而是工件材料機(jī)械鑲嵌作用的結(jié)果[10]，所以黏附強(qiáng)度和硬度相對較小，容易脫落。如圖9所示Hb與Fz的關(guān)系，Hb的變化導(dǎo)致切削力大幅波動，兩者變化趨勢一致，積屑瘤的存在不僅不能減小Fz，反而會使Fz顯著增加，也導(dǎo)致切削過程中刀具受到的機(jī)械沖擊增強(qiáng)，加劇刀具破壞。

3 結(jié)論

本文針對50vol.% SiC/Al-MMCs進(jìn)行了不同切削用量下的單因素實驗，分析得到如下結(jié)論：

(1)主切削力對切削速度、進(jìn)給量和切削深度的變化不敏感，這是由于材料塑性較差，產(chǎn)生崩碎狀切屑，前刀面摩擦力小，切削溫度較低，不足以使材料產(chǎn)生明顯的熱軟化，切削力大小保持穩(wěn)定。背向力隨切削速度的增加有較明顯的上升趨勢。

(2)隨著切削速度增加，單位時間內(nèi)刀具與基體材料中的SiC顆粒碰撞的頻率增大，導(dǎo)致切削三向力波動程度同時增加。其中背向力波動程度最大。

(3)建立了SiC顆粒和刀具之間的相互作用模型，指出SiC顆粒與刀具之間的相互作用不僅會導(dǎo)致背向力增加，還會加劇背向力的波動。

(4)前刀面形成的積屑瘤是機(jī)械鑲嵌作用的結(jié)果，其黏附強(qiáng)度和硬度相對較低，會導(dǎo)致切削力增大，并且切削力大小與積屑瘤高度尺寸的變化趨勢一致。