復合材料加工表面粗糙度及刀具設計

1.引言��
    復合材料是由兩種或多種不同材料組成的非均質體，其基體與加入體的物理性能和力學性能往往相差很大。如復合材料的基體一般都是普通材料，但其增強體通常都是高強度或高硬度的材料。在復合材料中，加入其它物相的目的通常是為了增強或增韌。例如，含碳纖維的磨料，其耐磨性能是普通中碳鋼的1000倍，由于加入了比硬質合金還要硬的碳化硅顆粒，碳化硅顆粒增強金屬基復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鋁基復合材料（SiCp/Al），具有優(yōu)良的物理、機械性能，即重量輕、比強度和比剛度高、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，克服了纖維增強型材料常存在的各種缺陷，而且制備工藝簡單，成本低，因而成為復合材料研究領域中的一個熱點。目前，在美、日、英、德等工業(yè)發(fā)達國家，其SiCp/Al在航空、航天和汽車制造等工業(yè)部門得到了廣泛的應用。我國在這方面的研究開發(fā)也做了不少工作。如華南理工大學研制的鋁、銅基耐磨復合材料，性能良好，目前已用于軍工和汽車等行業(yè)。��
    在SiCp/Al復合材料中，由于以SiC陶瓷顆粒作為增強相而使其硬度、強度和耐磨性大幅度地提高，然而卻使加工時刀具磨損嚴重，難以保證零件加工精度和表面質量，這在很大程度上阻礙了這種材料的推廣應用。國內外的研究表明，切削SiCp/Al復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。相對硬質合金來說，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，而且刀具對加工表面熨壓作用弱，加工過程中脫落的顆粒會損壞加工表面，大的硬質顆粒將顯著影響復合材料的切削性能和加工表面質量。��
    為了解決切削顆粒增強金屬基復合材料時加工表面粗糙、質量差，刀具磨損快的問題，對影響加工表面粗糙度的因素和切削表面成形機理及刀具磨損現(xiàn)象進行了分析和多次試驗后，設計出具有光整熨壓作用的硬質合金切削刀具。��
2.顆粒增強金屬基復合材料的加工表面形貌及成形機理
2.1 加工表面形貌特點��
    用YG3刀具刨削SiC顆粒增強鑄鋁材料。對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，切削時被壓下后又彈起的顆粒，切削時因刀具擠壓、摩擦工件導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制出的不平整表面等。試驗結果表明，增強顆粒的份量、形狀，尤其是顆粒度大小對復合材料的已加工表面形貌影響很大，加工粗大顆粒增強的復合材料時，其加工表面粗糙。
2.2 加工表面成形機理��
    研究結果表明，在切削顆粒增強復合材料的過程中，切削力與變形之間的關系比切削傳統(tǒng)材料復雜得多，基體與增強體之間的協(xié)同效應對復合材料受力后的行為影響很大。復合材料中的增強體是基體塑性變形的障礙，這使得復合材料的切削變形機理不同于普通金屬材料。切削時，材料在切削力作用下，由于材料的不均勻性，在強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展，使材料在切削刃前方開裂，形成分離面（原始切削表面）。切削刃分流點以上的材料，經(jīng)剪切區(qū)形成切屑流出，分流點以下的材料經(jīng)切削刃鈍圓的推擠、熨壓形成已加工表面。顯然，顆粒增強復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顆粒的情況有關。而原始裂紋的情況具有很大的隨機性，往往與材料的組織結構有關。在縱向車削外圓表面時，情況與上述稍有不同，已加工表面是由切削刃鈍圓、刀尖過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 試驗條件��
    為了提高顆粒增強金屬基復合材料的加工表面質量和設計出合理的切削刀具，首先對切削條件和復合材料組織結構對顆粒增強金屬基復合材料加工表面粗糙度的影響進行研究，并進行了如下切削試驗。��
    選用三種不同顆粒度和體積分數(shù)的SiC顆粒增強鋁基復合材料進行試驗。其顆粒度參數(shù)分別為：1號材料：14μm，10%；2號材料：40μm，20%；3號材料：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圓柱體，并經(jīng)T6熱處理。��
    采用聚晶金剛石刀具(PCD)進行切削。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號材料中有較大的SiC顆粒，切削時有較大的沖擊，所以刀具采用0°前角。��
    試驗選用的切削參數(shù)范圍是：切削速度vc=80～250m/min，進給量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 試驗結果與分析�� 
    從試驗所得的曲線來看，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，同時溫度的上升使切削時被壓下的增強相顆粒的彈性恢復減少所致。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。��
    由試驗結果可知，隨著進給量f的增大，加工表面的粗糙度會急劇增大。在vc=80～200m/min的不同切削速度下改變進給量進行切削，其試驗結果具有相同的規(guī)律性。Ra值在3.15～11.0μm范圍內變化。 
    較試驗結果還發(fā)現(xiàn)，在改變切削速度和切削深度時，所獲得的表面粗糙度值均低于改變進給量切削時的表面粗糙度，這是因為前者采用了較小的進給量（f=0.10mm/r）。由于進給量小于刀尖圓弧半徑rε，在切削過程中，切削表面被重復擠壓，因而表面粗糙度得到改善。而當進給量f等于或大于刀尖圓弧半徑rε時，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復合材料的切削表面特征。��
    從試驗結果還可以看到材料組織結構對加工表面粗糙度的影響。由于材料1的增強顆粒尺寸（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復合材料中，基體與增強體之間的協(xié)同效應對其切削行為有很大的影響，材料中的增強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。這一結論與很多學者的研究結果是一致的。但試驗結果發(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)的結論相反。據(jù)分析，這是由于含有粗大增強顆粒的復合材料結構上的不均勻性導致加工中局部基體產(chǎn)生嚴重的塑性變形，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．改善顆粒增強金屬基復合材料切削性能的刀具設計
4．1 切削顆粒增強金屬基復合材料時刀具的磨損��
    在SiCp/Al材料中，由于碳化硅顆粒的硬度高達HV2700～3200，而常規(guī)YG類硬質合金刀具的硬度僅為HV1800左右，所以在加工過程中，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。試驗結果發(fā)現(xiàn)，在車削外圓工件時，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尤為明顯。當SiC顆粒度較大時，刀具在切削過程中，由于材料的局部不均勻和非連續(xù)性，造成對刀具的沖擊，所以在主切削刃處往往發(fā)生崩刃。隨著切削時間增加，崩刃處呈鈍圓并有溝紋，從而造成加工表面質量惡化。
4．2 切削刀具的設計��
    顆粒增強金屬基復合材料的切削加工難點在于刀具磨損很快，普通硬質合金刀具切削30s，刀具磨損VB已大于0.4mm，而且加工表面隨機性大，質量差。這主要是這種材料由于具有不連續(xù)的、硬度相差很遠的多相結構，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SiCp/Al加工表面成形機理和表面粗糙度切削試驗結果分析可知，顆粒增強復合材料中增強相SiC顆粒的尺寸、形態(tài)、體積分數(shù)和切削用量中的進給量是影響切削表面粗糙度的主要因素。所以在刀具設計中，必須針對材料切削時彈、塑性變形的特點，有效地減輕刀具—工件間的擠壓滑擦。通過合理設計刀具，改變材料受力情況，誘導材料內剪切帶網(wǎng)絡和裂紋的擴展沿理想切削線方向進行，在刃前區(qū)材料中形成潛在分離面，再由切削刃對其進行壓熨修平，從而達到主動控制切削加工過程，獲得良好的切削加工表面質量及延長刀具壽命的目的。
    經(jīng)反復試驗,設計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；前刀面具有大的負倒棱前角。倒棱的寬度和前角與材料增強相顆粒大小有關，后接圓弧過渡的熨壓帶，以利于使凸出的硬質點向加工表面下壓，減小其對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顆粒對前刀面的磨擦作用，在一定程度上可實現(xiàn)刀具的“自磨銳”。
    根據(jù)這一思路，設計了具有熨壓光整作用的硬質合金外圓車刀。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，刃磨出大圓弧過渡，并在副切削刃上磨出負倒棱。
4.3 熨壓光整刀具的試驗結果��
    試驗結果表明，刀具采用90°主偏角可有效減少切削時刀具對工件的徑向分力，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，從而可彌合表面微觀裂紋，減少應力集中現(xiàn)象。��
    從試驗可知，為了取得最佳的切削表面效果，刀具的引導光整棱面，其高度應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；其寬度應大于進給量f，以實現(xiàn)連續(xù)的熨壓。對于不同顆粒尺寸和體積分數(shù)的SiCp/Al材料，引導光整面的尺寸會稍有變化，可通過試驗進行優(yōu)化。��
    為了驗證新型刀具的效果，對1、2號材料進行了切削試驗。測試結果顯示，對材料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。在整個切削試驗中，已加工表面的粗糙度值基本穩(wěn)定，Ra最大值不超過0.8μm。經(jīng)切削光整加工后，試驗材料的加工表面粗糙度測試結果為：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結果。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。