納米顆粒SiCp/Al復(fù)合材料車(chē)削特性試驗(yàn)研究

盆洪民,杜延杰,馬建斌,劉 飛,岳彩旭,張海軍,何華東

(1.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300458；2.哈爾濱理工大學(xué)先進(jìn)制造智能化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080；3.北京特思迪半導(dǎo)體設(shè)備有限公司，北京 101300)

0 引言

SiCp/Al復(fù)合材料作為重要結(jié)構(gòu)部件和電子封裝材料，因其良好的比剛度、比強(qiáng)度且熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好，在航空航天領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用[1-3]。

因增強(qiáng)相的引入，SiCp/Al復(fù)合材料的切削加工成為影響該材料普遍應(yīng)用的一大難點(diǎn)。過(guò)去20多年來(lái)，對(duì)微米SiCp/Al復(fù)合材料的切削加工已經(jīng)取得一系列研究成果[4-6]。近年，在納米及納微米混雜SiCp/Al基復(fù)合材料的加工特性研究方面，引起研究者的廣泛關(guān)注。Ahamed等[7]通過(guò)高速鋼鉆削SiCp-B4Cp/Al基復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明磨粒磨損和粘結(jié)磨損是高速鋼鉆刀的主要磨損形式，并得到了影響刀具磨損的主要因素為切削速度。Basavarajappa等[8]研究SiCp—石墨混雜Al基復(fù)合材料鉆削加工，結(jié)果表明表面粗糙度隨切削速度和進(jìn)給量的增加而增加。Altunpak等[9]利用涂層刀具鉆削SiCp、不同含量的石墨混雜Al基復(fù)合材料，結(jié)果表明石墨的添加能夠明顯降低切削抗力。Osada等[10]對(duì)加工后的納米SiCp/Al基復(fù)合材料(體積分?jǐn)?shù)15%)進(jìn)行熱處理，結(jié)果表明裂紋自愈合是降低加工成本和提高加工表面完整性的有效方法。Gopalakannan等[11]利用電加工方法加工納米SiCp/Al基復(fù)合材料，結(jié)果表明脈沖電流是影響材料去除率、電極磨損率和表面粗糙度的最重要因素。Rajmohan等[12]利用不同材質(zhì)的鉆頭加工混雜金屬基復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果揭示進(jìn)給量對(duì)軸向力、表面粗糙度、刀具磨損和毛刺高度的影響最大。從提高工件表面精度，降低軸向力、刀具磨損和毛刺高度考慮，PCD刀具比其他兩種刀具性能更好。

從以上納米SiCp/Al復(fù)合材料的加工分析可以看出，研究主要集中在鉆削加工和電加工，對(duì)其車(chē)削加工特性，特別是加工后表面粗糙度和切屑形態(tài)的研究尚少。本文通過(guò)PCD金剛石刀、硬質(zhì)合金刀切削SiCp/Al復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)，得到了PCD刀具切削時(shí)，已加工表面的粗糙度明顯低于硬質(zhì)合金刀具切削；同時(shí)，當(dāng)改變刀具參數(shù)時(shí)，刀具前角和后角的增大可以獲得較低的已加工表面粗糙度。本文的研究成果可為加工特種復(fù)合材料時(shí)刀具設(shè)計(jì)與切削性能方面提供指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)條件與方案

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)主要采用不同刀具幾何參數(shù)的PCD金剛石刀、硬質(zhì)合金刀對(duì)顆粒含量為5%納米級(jí)SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行車(chē)削試驗(yàn)。切削條件為干式切削，SiCp/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能如表1所列，刀具力學(xué)性能如表2和表3所列。

表1 5%納米級(jí)SiCp/7075Al復(fù)合材料的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of nanometer-level 5% SiCp/7075Al composites

表2 PCD刀具的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of PCD materials

表3 硬質(zhì)合金刀具的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of carbide materials

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用刀具：PCD金剛石三角形刀片前角為0°和5°(1和2號(hào)刀具)；PCD金剛石菱形刀片前角為0°和5°(3和4號(hào)刀具)；整體式三角形可轉(zhuǎn)位刀片(5號(hào)刀具)；整體式菱形可轉(zhuǎn)位刀片(6號(hào)刀具)；整體式PCD金剛石車(chē)刀主偏角60°、75°和90°(7、8和9號(hào)刀具)，如圖1所示，具體刀具參數(shù)如表4所列。納米顆粒SiCp鋁基復(fù)合材料棒料如圖 2所示。

表4 刀具幾何參數(shù)表Tab.4 Geometric parameters for tools

圖1 試驗(yàn)用車(chē)削刀具Fig.1 Cutting tools used by experiments

圖2 工件材料圖Fig.2 Workpiece material

本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方案，分別研究不同切削速度、切深、進(jìn)給量下不同刀具材料、不同刀具幾何參數(shù)對(duì)SiCp鋁基復(fù)合材料切削過(guò)程中工件表面粗糙度和切屑形貌的影響，通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)工件表面粗糙度、切屑形態(tài)等分析切削過(guò)程現(xiàn)象。具體試驗(yàn)參數(shù)如表5所列。

表5 正交車(chē)削試驗(yàn)參數(shù)表Tab.5 Parameters for orthogonal cuting experiment

其中，試驗(yàn)機(jī)床為大連機(jī)床公司生產(chǎn)的CA6150數(shù)控車(chē)床，如圖3所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。加工表面形貌采用如圖5所示的Taylor Map CCI白光干涉儀進(jìn)行測(cè)量，單點(diǎn)的采集范圍為0.86mm×0.86mm，采集像素為1024×1024。加工后SiCp/Al復(fù)合材料表面粗糙度采用如圖6所示的手持式粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量。

圖3 CA6150數(shù)控車(chē)床Fig.3 CA6150 CNC lathe圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 Experimental state

圖5 白光干涉儀Fig.5 White-light interferometer圖6 手持粗糙度儀Fig.6 Hand roughness meter

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同刀具幾何角度對(duì)工件表面質(zhì)量的影響

圖 7為加工后工件表面形貌圖，從形貌圖中能測(cè)量出已加工表面的表面粗糙度，圖7為2號(hào)刀具加工后(切深ap=0.5mm，切削速度v=40m/min，進(jìn)給量f=0.05mm/r，轉(zhuǎn)速n=220r/min)測(cè)量結(jié)果。

圖7 SiCp鋁基復(fù)合材料工件表面形貌圖Fig.7 Surface topography of SiCp aluminum matrix composites

為分析比較不同刀具參數(shù)對(duì)已加工表面粗糙度的影響，以下分別從不同的刀具材料、刀具前后角和主偏角分別進(jìn)行討論。圖 8為2號(hào)和5號(hào)刀具的對(duì)比情況，從曲線(xiàn)圖可以看出，在4種不同切削類(lèi)型下，采用PCD刀具加工獲得的表面粗糙度均優(yōu)于硬質(zhì)合金。同樣，采用4號(hào)和6號(hào)刀具也有類(lèi)似結(jié)果，如圖 9所示。分析其主要原因在于PCD刀具的抗磨損性比硬質(zhì)合金刀具高一到兩個(gè)量級(jí)，且與硬質(zhì)合金刀具相比，工件亞表層損傷要小[13]。圖10為不同號(hào)刀具加工情況下刀具的磨損情況，可以看出與PCD刀具相比，硬質(zhì)合金刀具磨損主要發(fā)生在后刀面，且存在微崩刃現(xiàn)象，微崩刃的存在是導(dǎo)致工件表面粗糙度升高的主要原因之一。因此要獲得較低的表面粗糙度值和工件表面質(zhì)量，應(yīng)優(yōu)選PCD刀具，這與文獻(xiàn)[14-15]加工微米SiCp/Al復(fù)合材料所得結(jié)論一致。

圖8 2號(hào)和5號(hào)刀具不同切削參數(shù)下表面粗糙度值Fig.8 Surface roughness under different parameters with tool 2# and tool 5#

圖9 4號(hào)和6號(hào)刀具不同切削參數(shù)下表面粗糙度值Fig.9 Surface roughness under different parameters with tool 4# and tool 6#

圖10 不同切削刀具條件下刀具磨損情況Fig.10 Tool wear under six different cutting tools

圖 11和圖 12分別為刀具后角相同，前角變化對(duì)表面粗糙度的影響。從兩幅曲線(xiàn)圖對(duì)比可以看出，兩種刀具后角下，刀具前角為5°時(shí)表面粗糙度明顯低于前角為0°時(shí)。原因在于增大刀具的前角能夠減小切削變形，刀具和切屑間的摩擦變小。這表明加工納米顆粒鋁基復(fù)合材料，增加刀具的鋒利度有助于提高工件的加工表面質(zhì)量。

圖11 1號(hào)和2號(hào)刀具不同切削參數(shù)下表面粗糙度值Fig.11 Surface roughness under different parameters with tool 1# and tool 2#

圖12 3號(hào)和4號(hào)刀具不同切削參數(shù)下表面粗糙度值Fig.12 Surface roughness under different parameters with tool 3# and tool 4#

圖 13為三種不同刀具主偏角情況下，工件已加工表面粗糙度的變化。從圖中可以看出，表面粗糙度隨主偏角變化并沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。與主偏角為60°和75°相比，在主偏角為90°時(shí)，表面粗糙度變化較為劇烈。

圖13 7號(hào)、8號(hào)和9號(hào)刀具不同切削參數(shù)下表面粗糙度值Fig.13 Surface roughness under different parameters with tool 7#, tool 8# and tool 9#

2.2 刀具幾何角度對(duì)切屑形態(tài)的影響

不同幾何角度的刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，形成的切屑形貌如附錄1所示。由此可以看出，1、2、3、4、5號(hào)刀具在切削時(shí)，由于SiCp分布不均勻性和微觀(guān)缺陷，鋁基的高變形以及較小的前角，形成具有一定長(zhǎng)度的斷屑。研究結(jié)果表明切削SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)，切屑呈厚度準(zhǔn)周期變化的鋸齒狀，微裂紋的動(dòng)態(tài)形成與擴(kuò)展行為和切削時(shí)的剪切角周期變化是形成這種切屑的兩種主要機(jī)制。但由于納米顆粒鋁基復(fù)合材料本身的不均勻性和各種微觀(guān)缺陷(在材料制備過(guò)程中，由于納米顆粒易于團(tuán)聚，在基體會(huì)形成孔洞等缺陷)，材料各部分的力學(xué)性能相差較大。經(jīng)顯微觀(guān)察，本文所用材料內(nèi)部也存在不同程度的微觀(guān)缺陷。研究表明，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，復(fù)合材料斷裂機(jī)制為基體的韌性斷裂和SiCp顆粒團(tuán)聚體的脆性斷裂。所以微裂紋和微空洞在切屑材料不同區(qū)域產(chǎn)生的數(shù)量不一，其形核地點(diǎn)和擴(kuò)展路徑也具有很大的隨機(jī)性，從而造成在切屑自由表面突發(fā)剪切的時(shí)間間隔不一致。6號(hào)刀具在切削時(shí)，刀具具有較大的前角及相對(duì)鋒利的切削刃，故切削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑為螺旋帶狀屑。7、8號(hào)刀具在切削時(shí)，切屑形狀為長(zhǎng)度較小的斷屑。9號(hào)刀具在切削時(shí)，由于主偏角較大，切屑形狀為螺旋狀帶屑。

3 結(jié)論

本文主要針對(duì)含量為5%納米SiCp顆粒鋁基復(fù)合材料進(jìn)行車(chē)削試驗(yàn)。對(duì)9種不同型號(hào)刀具車(chē)削納米SiCp鋁基復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)分析。對(duì)不同參數(shù)下的切屑形態(tài)、表面粗糙度等進(jìn)行試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)結(jié)果表明PCD刀具能夠比硬質(zhì)合金刀具獲得較低的表面粗糙度，更適合用于材料的精加工。工件表面粗糙度是刀具幾何角度、切削參數(shù)等綜合作用的結(jié)果，增大刀具前角和后角有利于獲得較好的表面質(zhì)量。由于納米SiCp顆粒復(fù)合材料的固有缺陷，造成切削過(guò)程微孔洞和微裂紋的產(chǎn)生，在切削時(shí)容易形成不規(guī)則或準(zhǔn)周期性的鋸齒狀切屑。為研究納米SiCp/Al復(fù)合材料的切削加工特性，需要進(jìn)一步開(kāi)展超精密切削或微納切削試驗(yàn)，結(jié)合切削仿真技術(shù)對(duì)切削的微觀(guān)變形機(jī)理開(kāi)展研究，探尋宏-微切削加工之間變形的本質(zhì)規(guī)律。