陶瓷基復(fù)合材料銑削力優(yōu)化及刀具磨損研究

孔憲俊，王文武，趙明，劉娜，吳志新，王明海

1沈陽航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院；2中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司

1 引言

陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composites，CMC)是將纖維植入碳化硅陶瓷基體形成的一種復(fù)合材料[1，2]，具有耐高溫、比強度高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)良材料性能。由于材料具有不易磨損和對微裂紋敏感性低的優(yōu)點，已經(jīng)開始應(yīng)用于航空航天和國防等領(lǐng)域[3-5]。

鐘翔福[6]進行了碳纖維增強碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(C/SiC)的銑削試驗，研究結(jié)果表明，銑削力和切削熱的降低有利于減輕刀具磨損，提高加工質(zhì)量。畢銘智[7]進行碳纖維增強碳化硅復(fù)合材料(C/SiC)的鉆銑加工試驗，探究了制孔和銑削的加工缺陷成因。王昌贏等[8]采用涂層刀具對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料進行了高速銑削加工試驗，研究了刀具磨損形態(tài)和磨損機理研究。林華等[9]利用硬質(zhì)合金刀具銑削碳纖維增強復(fù)合材料，探究了銑削力的變化規(guī)律。段春爭等[10]采用不同刀具進行碳纖維增強復(fù)合材料銑削試驗，對金屬陶瓷刀具、硬質(zhì)合金和PCD刀具的磨損機理進行分析。

綜上所述，目前學(xué)者對碳纖維增強復(fù)合材料的研究較多，但是對SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料這類加工難度和硬度更高材料的切削加工研究較少。而陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的切削加工成形過程中，二次加工非常重要，其中二次加工質(zhì)量和尺寸精度對復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能和使用壽命等有重要影響[11]。

復(fù)合材料的加工主要分為常規(guī)加工和特種加工。常規(guī)加工技術(shù)比較成熟，但是對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件加工困難，而且刀具磨損較快；特種加工復(fù)合材料具有不同種類特性，加工通用性差，導(dǎo)致特種加工成本較高，所以目前采用最多的是常規(guī)加工方法[7]。本文采用常規(guī)銑削機械加工方法，以減小銑削力和減少刀具磨損為目標，設(shè)計正交試驗銑削SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料，使用極差法分析銑削參數(shù)對銑削力的影響規(guī)律，并研究不同銑削深度對刀具磨損的影響，為SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料銑削加工優(yōu)選加工工藝參數(shù)和提高加工質(zhì)量提供了良好的數(shù)據(jù)和分析方法。

2 試驗條件

2.1 試驗設(shè)備

圖1為試驗采用的裝置系統(tǒng)，主要包括刀具磨損測量系統(tǒng)、銑削力測量系統(tǒng)和裝夾系統(tǒng)。試驗采用SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料，選用VMC850B立式加工中心，最高轉(zhuǎn)速8000r/min，功率11kW。采用順銑加工，具體加工參數(shù)見表2，加工完成后采用刀具磨損測量系統(tǒng)觀察刀具磨損情況。

圖1 試驗裝置系統(tǒng)

2.2 試驗方案

正交試驗是采用正交表分析多因素試驗的方法，它能夠從試驗中選取具有正交性的點，用最少的試驗找出因素水平間的最佳搭配[12]。根據(jù)實際條件并結(jié)合試驗參數(shù)，選擇主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和銑削深度三個因素，分別用A、B、C表示，銑削寬度固定為0.2mm，以銑削力和刀具磨損為響應(yīng)變量。通過對銑削力的測量，分析主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和銑削深度對銑削力的影響規(guī)律，并觀察各參數(shù)對刀具磨損的影響。試驗的因素水平見表1，正交試驗方案見表2，多余因素空置。

3 銑削試驗的切削力極差分析

由于進給方向的切削力與加工表面粗糙度、加工崩邊及刀具磨損都有直接關(guān)系，因此切削力是一個重要參考指標。對采集的銑削力做數(shù)據(jù)處理，得到各參數(shù)下切削力的平均值(見表3)，其中，Z軸方向的力是進給力Fz，Y軸方向的力是橫向進給力Fy，X軸方向的力是軸向力Fx。

表1 正交因素與水平

表2 正交試驗表

表3 銑削力試驗結(jié)果

采用極差分析法對Fx，F(xiàn)y和Fz的平均銑削力進行極差分析[13]。結(jié)果表明，3個因素對銑削力的影響程度由大到小依次為銑削深度>主軸轉(zhuǎn)速>進給速度。徑向力Fx最優(yōu)的工藝參數(shù)組合是主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進給速度120mm/min，銑削深度0.02mm(見表4)；軸向力Fy最優(yōu)的工藝參數(shù)組合是主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進給速度90mm/min，銑削深度0.06mm(見表5)；切向力Fz最優(yōu)的工藝參數(shù)組合是主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進給速度90mm/min，銑削深度0.06mm(見表6)。

表4 X軸極差分析結(jié)果

表5 Y軸極差分析結(jié)果

表6 Z軸極差分析結(jié)果

3.1 主軸轉(zhuǎn)速對銑削力的影響

通常認為，在主軸轉(zhuǎn)速較高的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，會引起銑削溫度升高和材料的熱軟化，導(dǎo)致切削力呈下降趨勢[14]。由圖2可見，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，銑削力呈先下降后上升的趨勢，主要是因為主軸轉(zhuǎn)速在2000r/min～4000r/min時，由于材料的脆性，切屑多為粉末狀并堆積在工件表面，增大轉(zhuǎn)速會降低刀具去除材料的體積，最終引起切削力的降低。但隨著主軸轉(zhuǎn)速增大到4000r/min時，切削過程產(chǎn)生的切削熱逐漸上升，引起刀尖溫度升高，引發(fā)刀具磨損，從而增大切削力。

圖2 主軸轉(zhuǎn)速對銑削力的影響規(guī)律

3.2 進給速度對銑削力的影響

進給速度對銑削力的影響見圖3。可見，隨著進給速度的增加，X向的銑削分力Fx先增大后減小，Y向的銑削分力Fy先減小后增大，Z向的銑削分力Fz先減小后增大。由于銑削過程中進給速度的增加導(dǎo)致刀具每分鐘進給量增加和銑削區(qū)域溫度升高，加劇刀具磨損，從而引起X向、Y向和Z向銑削分力的波動。

圖3 進給速度對銑削力的影響規(guī)律

3.3 銑削深度對銑削力的影響

圖4為銑削深度對銑削力的影響?？梢?，徑向力Fx的波動不明顯，這是因為隨著銑削深度的增加，進給速度下降，徑向力Fx變化不大。但是軸向力Fy和切向力Fz呈先增后減的趨勢，原因是銑削深度的增加導(dǎo)致刀具磨損加快，所以在銑削深度0.04mm之前銑削力逐漸增大，但是隨著銑削深度的繼續(xù)增加，銑削區(qū)域溫度也會逐漸升高，由于材料的熱塑性，刀具銑削時銑削力也隨之下降。

圖4 銑削深度對銑削力的影響規(guī)律

4 刀具磨損形貌分析

刀具磨損是加工過程中最基本的問題之一。為了保證加工質(zhì)量和尺寸精度，刀具磨損量應(yīng)有一定的標準。當?shù)毒叩哪p寬度VBmax達到0.1～0.3mm時，即達到刀具使用壽命，刀具便不能繼續(xù)用于加工。但是針對SiCf/SiC復(fù)合材料銑削刀具，不僅需要用刀具磨鈍標準來判斷刀具壽命是否達到極限，還需要以加工表面質(zhì)量和銑削力的變化趨勢作為刀具磨損程度的判斷依據(jù)[15，16]。

試驗采用3把刀具對刀具磨損進行分析。圖5為加工前后的刀具磨損對比，在SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料銑削加工過程中，由于材料的高硬度、耐磨損特點，可以發(fā)現(xiàn)刀具磨損主要發(fā)生在后刀面。

圖5 刀具顯微形貌

圖6為在三種銑削深度條件下的刀具磨損情況。由于SiCf/SiC陶瓷基高脆性和塑性的特性，切屑多為粉末狀，符合金屬切削原理中刀具在后刀面磨損原因。

圖6a為銑削深度0.02mm的磨損情況，刀刃磨損的最大寬度為684μm；圖6b為銑削深度0.04mm的磨損情況，磨損的最大寬度為1230μm，這是由于銑削深度增加，銑削區(qū)域溫度升高，引起刀具磨損加快，導(dǎo)致切削力增大；圖6c為銑削深度為0.06mm的磨損情況，磨損的最大寬度為845μm。

圖6刀具磨損觀測顯微形貌

圖7銑削深度對刀具磨損的影響

對比三種銑削深度的磨損結(jié)果可看出，在銑削深度0.04mm時刀具磨損情況最嚴重(見圖7)。隨著銑削深度的增加刀具銑削面積增大，切削區(qū)域溫度迅速上升，由于SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料的高導(dǎo)熱性和高硬度，刀尖溫度升高，引起刀具材料軟化，此時刀具磨損加快，導(dǎo)致銑削力增大，刀具迅速進入磨損階段。

5 結(jié)語

(1)采用極差分析切削參數(shù)對于切削力的影響趨勢為：銑削深度對銑削力的影響較大，隨銑削深度的增加，徑向力Fx和軸向力Fy逐漸增加；主軸轉(zhuǎn)速對銑削力的影響次之，當主軸轉(zhuǎn)速大于4000r/min時，銑削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而緩慢增大；進給速度對于銑削力的影響最小。

(2)通過切削深度對刀具磨損分析可知，隨著銑削深度的增加，銑削力增大，導(dǎo)致刀具磨損加快。當銑削深度為0.04mm時，刀具磨損最為嚴重。

本文研究內(nèi)容只是針對切削力和刀具磨損，而SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料作為高硬度和高耐磨性材料，加工過程中，在切削力和硬度特性等因素的綜合作用下，極易造成刀具磨損。因此在滿足最小銑削力和刀具磨損最小的研究背景下，分析得出最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為主軸轉(zhuǎn)速4000r/min，進給速度90mm/min，銑削深度0.02mm。