復(fù)合材料加工表面粗糙度及刀具設(shè)計(jì)

1.引言��
    復(fù)合材料是由兩種或多種不同材料組成的非均質(zhì)體，其基體與加入體的物理性能和力學(xué)性能往往相差很大。如復(fù)合材料的基體一般都是普通材料，但其增強(qiáng)體通常都是高強(qiáng)度或高硬度的材料。在復(fù)合材料中，加入其它物相的目的通常是為了增強(qiáng)或增韌。例如，含碳纖維的磨料，其耐磨性能是普通中碳鋼的1000倍，由于加入了比硬質(zhì)合金還要硬的碳化硅顆粒，碳化硅顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的耐磨性能得到了極大的提高。��
    由于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al），具有優(yōu)良的物理、機(jī)械性能，即重量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好，且具有良好的導(dǎo)熱性能和耐磨、抗腐蝕特性。這類材料各向同性，克服了纖維增強(qiáng)型材料常存在的各種缺陷，而且制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，因而成為復(fù)合材料研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。目前，在美、日、英、德等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，其SiCp/Al在航空、航天和汽車制造等工業(yè)部門(mén)得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)在這方面的研究開(kāi)發(fā)也做了不少工作。如華南理工大學(xué)研制的鋁、銅基耐磨復(fù)合材料，性能良好，目前已用于軍工和汽車等行業(yè)。��
    在SiCp/Al復(fù)合材料中，由于以SiC陶瓷顆粒作為增強(qiáng)相而使其硬度、強(qiáng)度和耐磨性大幅度地提高，然而卻使加工時(shí)刀具磨損嚴(yán)重，難以保證零件加工精度和表面質(zhì)量，這在很大程度上阻礙了這種材料的推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外的研究表明，切削SiCp/Al復(fù)合材料所得到的表面往往不是由刀刃直接切出，而是常有凹坑、非切削曲面、鱗刺和積屑瘤存在。相對(duì)硬質(zhì)合金來(lái)說(shuō)，采用聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼等超硬刀具加工可取得較好的加工效果，但其成本高，而且刀具對(duì)加工表面熨壓作用弱，加工過(guò)程中脫落的顆粒會(huì)損壞加工表面，大的硬質(zhì)顆粒將顯著影響復(fù)合材料的切削性能和加工表面質(zhì)量。��
    為了解決切削顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)加工表面粗糙、質(zhì)量差，刀具磨損快的問(wèn)題，對(duì)影響加工表面粗糙度的因素和切削表面成形機(jī)理及刀具磨損現(xiàn)象進(jìn)行了分析和多次試驗(yàn)后，設(shè)計(jì)出具有光整熨壓作用的硬質(zhì)合金切削刀具。��
2.顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的加工表面形貌及成形機(jī)理
2.1 加工表面形貌特點(diǎn)��
    用YG3刀具刨削SiC顆粒增強(qiáng)鑄鋁材料。對(duì)SiCp/Al的切削表面觀察可知，在已加工表面上存在各種加工導(dǎo)致的缺陷。如：顆粒破碎和脫落而留下的不規(guī)則凹坑，碎顆粒被刀刃和后刀面推擠而使表面產(chǎn)生的犁溝，切削時(shí)被壓下后又彈起的顆粒，切削時(shí)因刀具擠壓、摩擦工件導(dǎo)致基體材料受熱軟化涂抹或熔融的加工表面，切削刃前受擠壓區(qū)顆粒與顆粒之間裂紋貫穿而產(chǎn)生的不規(guī)則自由表面以及因磨損的切削刃復(fù)制出的不平整表面等。試驗(yàn)結(jié)果表明，增強(qiáng)顆粒的份量、形狀，尤其是顆粒度大小對(duì)復(fù)合材料的已加工表面形貌影響很大，加工粗大顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料時(shí)，其加工表面粗糙。
2.2 加工表面成形機(jī)理��
    研究結(jié)果表明，在切削顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的過(guò)程中，切削力與變形之間的關(guān)系比切削傳統(tǒng)材料復(fù)雜得多，基體與增強(qiáng)體之間的協(xié)同效應(yīng)對(duì)復(fù)合材料受力后的行為影響很大。復(fù)合材料中的增強(qiáng)體是基體塑性變形的障礙，這使得復(fù)合材料的切削變形機(jī)理不同于普通金屬材料。切削時(shí)，材料在切削力作用下，由于材料的不均勻性，在強(qiáng)度薄弱處和有缺陷處形成微觀裂紋核，然后裂紋極快地向前方擴(kuò)展，使材料在切削刃前方開(kāi)裂，形成分離面（原始切削表面）。切削刃分流點(diǎn)以上的材料，經(jīng)剪切區(qū)形成切屑流出，分流點(diǎn)以下的材料經(jīng)切削刃鈍圓的推擠、熨壓形成已加工表面。顯然，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的切削表面并非全部由切削刃直接切出，在很大程度上與原始潛在裂紋的形狀和刀具熨壓增強(qiáng)顆粒的情況有關(guān)。而原始裂紋的情況具有很大的隨機(jī)性，往往與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。在縱向車削外圓表面時(shí)，情況與上述稍有不同，已加工表面是由切削刃鈍圓、刀尖過(guò)渡圓弧部分以及刀具副切削刃的切削和熨壓作用共同形成的。
3．影響SiCp/Al加工表面粗糙度的因素
3．1 試驗(yàn)條件��
    為了提高顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的加工表面質(zhì)量和設(shè)計(jì)出合理的切削刀具，首先對(duì)切削條件和復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料加工表面粗糙度的影響進(jìn)行研究，并進(jìn)行了如下切削試驗(yàn)。��
    選用三種不同顆粒度和體積分?jǐn)?shù)的SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行試驗(yàn)。其顆粒度參數(shù)分別為：1號(hào)材料：14μm，10%；2號(hào)材料：40μm，20%；3號(hào)材料：63μm，20%�；�體材料為鑄鋁合金ZL109。試件經(jīng)160MPa成型擠壓冷卻制備成中空?qǐng)A柱體，并經(jīng)T6熱處理。��
    采用聚晶金剛石刀具(PCD)進(jìn)行切削。刀具幾何參數(shù)為：前角γ0=０°，后角α0=11°，主偏角κr=75°，副偏角κr′=15°，刀尖圓弧半徑rε=0.20mm�？紤]到3號(hào)材料中有較大的SiC顆粒，切削時(shí)有較大的沖擊，所以刀具采用0°前角。��
    試驗(yàn)選用的切削參數(shù)范圍是：切削速度vc=80～250m/min，進(jìn)給量f分別為015mm/r、0.20mm/r、0.24mm/r、0.28mm/r、0.30mm/r，切削深度（背吃刀量）ap為0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析�� 
    從試驗(yàn)所得的曲線來(lái)看，隨著切削速度vc的增加，已加工表面粗糙度稍有下降。這是由于隨著切削速度的增加，切削變形減少，裂紋和鱗刺等也減少，同時(shí)溫度的上升使切削時(shí)被壓下的增強(qiáng)相顆粒的彈性恢復(fù)減少所致。由于切削變形增加的緣故，因此，隨著切削深度ap的增加，材料的已加工表面粗糙度的變化也不明顯，只是略有上升。��
    由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著進(jìn)給量f的增大，加工表面的粗糙度會(huì)急劇增大。在vc=80～200m/min的不同切削速度下改變進(jìn)給量進(jìn)行切削，其試驗(yàn)結(jié)果具有相同的規(guī)律性。Ra值在3.15～11.0μm范圍內(nèi)變化。 
    較試驗(yàn)結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在改變切削速度和切削深度時(shí)，所獲得的表面粗糙度值均低于改變進(jìn)給量切削時(shí)的表面粗糙度，這是因?yàn)榍罢卟捎昧溯^小的進(jìn)給量（f=0.10mm/r）。由于進(jìn)給量小于刀尖圓弧半徑rε，在切削過(guò)程中，切削表面被重復(fù)擠壓，因而表面粗糙度得到改善。而當(dāng)進(jìn)給量f等于或大于刀尖圓弧半徑rε時(shí)，切削表面由刀具一次性切出，不再有熨壓修整作用，因此，已加工表面具有顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的切削表面特征。��
    從試驗(yàn)結(jié)果還可以看到材料組織結(jié)構(gòu)對(duì)加工表面粗糙度的影響。由于材料1的增強(qiáng)顆粒尺寸（14μm）比材料2（40μm）要小，故切削得到的加工表面粗糙度值也小。這是由于在顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中，基體與增強(qiáng)體之間的協(xié)同效應(yīng)對(duì)其切削行為有很大的影響，材料中的增強(qiáng)體是基體塑性變形的障礙，因而切削變形增加，加工表面粗糙度增大。這一結(jié)論與很多學(xué)者的研究結(jié)果是一致的。但試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸較大的材料3的切削表面粗糙度幾乎都小于其它兩種材料，這與常規(guī)的結(jié)論相反。據(jù)分析，這是由于含有粗大增強(qiáng)顆粒的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上的不均勻性導(dǎo)致加工中局部基體產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，再加上切削粗大的硬顆粒引起刀具急劇磨損和破損，因此切削溫度很高，基體受熱軟化并被磨損了的后刀面擠壓而使加工表面較為平整。
4．改善顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料切削性能的刀具設(shè)計(jì)
4．1 切削顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)刀具的磨損��
    在SiCp/Al材料中，由于碳化硅顆粒的硬度高達(dá)HV2700～3200，而常規(guī)YG類硬質(zhì)合金刀具的硬度僅為HV1800左右，所以在加工過(guò)程中，碳化硅顆粒與前、后刀面發(fā)生劇烈的摩擦，從而加速刀具磨損。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在車削外圓工件時(shí)，刀具的主、副后刀面的磨粒磨損是刀具的主要失效形式，這在材料的顆粒度較小時(shí)尤為明顯。當(dāng)SiC顆粒度較大時(shí)，刀具在切削過(guò)程中，由于材料的局部不均勻和非連續(xù)性，造成對(duì)刀具的沖擊，所以在主切削刃處往往發(fā)生崩刃。隨著切削時(shí)間增加，崩刃處呈鈍圓并有溝紋，從而造成加工表面質(zhì)量惡化。
4．2 切削刀具的設(shè)計(jì)��
    顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的切削加工難點(diǎn)在于刀具磨損很快，普通硬質(zhì)合金刀具切削30s，刀具磨損VB已大于0.4mm，而且加工表面隨機(jī)性大，質(zhì)量差。這主要是這種材料由于具有不連續(xù)的、硬度相差很遠(yuǎn)的多相結(jié)構(gòu)，材料的切削性能表現(xiàn)出塑、脆兩性（總體硬度低、但切屑呈單元或崩碎狀），磨鈍的刀具往往靠硬擠較軟的基體而形成粗糙的表面。從上述對(duì)SiCp/Al加工表面成形機(jī)理和表面粗糙度切削試驗(yàn)結(jié)果分析可知，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中增強(qiáng)相SiC顆粒的尺寸、形態(tài)、體積分?jǐn)?shù)和切削用量中的進(jìn)給量是影響切削表面粗糙度的主要因素。所以在刀具設(shè)計(jì)中，必須針對(duì)材料切削時(shí)彈、塑性變形的特點(diǎn)，有效地減輕刀具—工件間的擠壓滑擦。通過(guò)合理設(shè)計(jì)刀具，改變材料受力情況，誘導(dǎo)材料內(nèi)剪切帶網(wǎng)絡(luò)和裂紋的擴(kuò)展沿理想切削線方向進(jìn)行，在刃前區(qū)材料中形成潛在分離面，再由切削刃對(duì)其進(jìn)行壓熨修平，從而達(dá)到主動(dòng)控制切削加工過(guò)程，獲得良好的切削加工表面質(zhì)量及延長(zhǎng)刀具壽命的目的。
    經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),設(shè)計(jì)的切削刀具的幾何參數(shù)為：刀具前角為5°～10°,具有較大的刀具后角和大的修光圓弧半徑；前刀面具有大的負(fù)倒棱前角。倒棱的寬度和前角與材料增強(qiáng)相顆粒大小有關(guān)，后接圓弧過(guò)渡的熨壓帶，以利于使凸出的硬質(zhì)點(diǎn)向加工表面下壓，減小其對(duì)切削刃和熨壓帶的劃擦磨損。較大的前角使切屑能以一定的壓力沿前刀面順利流出，由于切屑中SiC顆粒對(duì)前刀面的磨擦作用，在一定程度上可實(shí)現(xiàn)刀具的“自磨銳”。
    根據(jù)這一思路，設(shè)計(jì)了具有熨壓光整作用的硬質(zhì)合金外圓車刀。刀具材料為YG8，刀具幾何參數(shù)為：前角γ0=6°，主后角α0=10°，主偏角κr=90°，副偏角κr′=15°，刀尖圓弧半徑rε=0.20mm。此外，在副切削刃與刀尖連接處，刃磨出大圓弧過(guò)渡，并在副切削刃上磨出負(fù)倒棱。
4.3 熨壓光整刀具的試驗(yàn)結(jié)果��
    試驗(yàn)結(jié)果表明，刀具采用90°主偏角可有效減少切削時(shí)刀具對(duì)工件的徑向分力，減輕由此產(chǎn)生的材料中硬顆粒的回彈。再通過(guò)刀具修光棱面的熨壓、光整作用，使已加工表面的粗糙度明顯下降。此外，刀具的熨壓作用可使已加工表面發(fā)生延展和拉伸，產(chǎn)生基體材料塑性流動(dòng)，從而可彌合表面微觀裂紋，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。��
    從試驗(yàn)可知，為了取得最佳的切削表面效果，刀具的引導(dǎo)光整棱面，其高度應(yīng)小于輪廓微觀不平度的平均高度，以減少母體材料的受壓彈性變形；其寬度應(yīng)大于進(jìn)給量f，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的熨壓。對(duì)于不同顆粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al材料，引導(dǎo)光整面的尺寸會(huì)稍有變化，可通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。��
    為了驗(yàn)證新型刀具的效果，對(duì)1、2號(hào)材料進(jìn)行了切削試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果顯示，對(duì)材料1車削15分鐘后，刀具未產(chǎn)生明顯的磨損帶，繼續(xù)車削材料2約40分鐘后，刀具光整棱面的寬度僅增加了0.1mm。在整個(gè)切削試驗(yàn)中，已加工表面的粗糙度值基本穩(wěn)定，Ra最大值不超過(guò)0.8μm。經(jīng)切削光整加工后，試驗(yàn)材料的加工表面粗糙度測(cè)試結(jié)果為：材料1的已加工表面的粗糙度Ra的平均值為1.08μm；材料2的粗糙度Ra的平均值為0.52μm，均小于由PCD刀具切削的加工表面粗糙度試驗(yàn)結(jié)果。熨壓刀具與常規(guī)刀具相比，由于具有熨壓光整作用，已加工表面的粗糙度明顯下降。