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SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料高速銑削工藝研究

關(guān)鍵詞 碳化硅 , 鋁基 , 復(fù)合材料 , 高速銑削|2011-06-25 15:09:07|應(yīng)用技術(shù)|來源 中國磨料磨具網(wǎng)
摘要 1.引言近二十年來,隨著科學(xué)研究的不斷深入,顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)展成為航空航天及汽車工業(yè)常用的一種重要新材料。這種材料具有高比強(qiáng)度和比剛度、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高微屈服強(qiáng)度...

  1.引言
  
  近二十年來,隨著科學(xué)研究的不斷深入,顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)展成為航空航天及汽車工業(yè)常用的一種重要新材料。這種材料具有高比強(qiáng)度和比剛度、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高微屈服強(qiáng)度、良好的尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性以及耐磨、耐疲勞等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能。由于此類材料具有各向同性并能適用于不同的加工方法(如擠壓、鍛造或軋制成各種型材),隨著對其制備工藝、力學(xué)性能的研究取得顯著進(jìn)展,其應(yīng)用已擴(kuò)展到電子、體育用品等日用消費(fèi)品領(lǐng)域,如制作自行車框架、微電子器件的機(jī)座等。而在各種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中,SiC因其具有較小的密度、較低的制備成本,已成為目前顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中使用最多的增強(qiáng)顆粒之一。
  SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的基體中彌散分布著的SiC顆粒具有高模量、高強(qiáng)度、高硬度(2800HV)以及良好的高溫性能。這些增強(qiáng)顆粒的強(qiáng)化使得復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度提高,但復(fù)合材料中SiC顆粒周圍和遠(yuǎn)離顆粒處應(yīng)力很不均勻,同時(shí)SiC顆粒幾乎不可塑性變形,因此在切削加工過程中基體發(fā)生塑性變形而SiC顆粒只發(fā)生彈性變形、轉(zhuǎn)動、脆性破壞或脫落,這既不同于脆性材料的切削,也不同于塑性的普通鋁合金的切削;同時(shí),作為增強(qiáng)相的SiC顆粒本身即是一種高硬度的磨料,在切削過程中會使刀具產(chǎn)生較大的磨損。上述特性使得SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的切削加工性較差,限制了這種材料的進(jìn)一步推廣和使用。目前國內(nèi)外研究多集中于用硬質(zhì)合金、PCD刀具對這種材料進(jìn)行車削或振動車削加工,而對其切削性能如切削力、表面質(zhì)量(表面粗糙度、表面形貌)的研究較少。本文主要對SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在高速銑削條件下的切削性能進(jìn)行試驗(yàn)與分析。通過銑削試驗(yàn)研究了銑削速度對切削力、表面粗糙度、表面形貌的影響以及銑削過程中刀具的磨損,揭示了該材料的高速切削機(jī)理,并獲得了可保證較高加工表面質(zhì)量的銑削參數(shù)范圍,對實(shí)現(xiàn)此類材料的高效高精度加工具有重要意義。
  
  2.試驗(yàn)條件與方法
  
  由于復(fù)合材料基體中散布著硬脆的SiC顆粒,切削過程中振動較大,因此銑削加工采用高性能的高速加工中心,刀具選用耐磨性優(yōu)良、耐熱性較好、硬度和韌性較高的超細(xì)顆粒涂層硬質(zhì)合金刀具。
  機(jī)床:DMU70V高速加工中心(2262009-GB),主軸轉(zhuǎn)速:20~12000r/min。
  工件材料:SiCp/Al Wt15%,粒度W14,抗拉強(qiáng)度σb=370MPa,彈性模量E=100GPa;試件尺寸33×5×17(mm)。
  刀具:TiAlN涂層整體硬質(zhì)合金圓柱螺旋立銑刀(兩刃),直徑d=6mm。
  銑削方式:端銑平面(干式銑削)。銑削參數(shù):銑削速度v=10~180m/min(轉(zhuǎn)速n=530~9554r/min),進(jìn)給量f=0.02mm/z,銑削深度ap=0.5mm。
  測量裝置:采用由Kistler9227型四分量動態(tài)測力傳感器、5019A型電荷放大器、C10-DAS1692/12型數(shù)據(jù)采集卡組成的測力儀系統(tǒng)測量SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料高速銑削過程的切削力,測力系統(tǒng)用JB-3C粗糙度測試儀測量工件銑削表面粗糙度;在掃描電鏡SEM下對工件表面形貌和刀具磨損情況進(jìn)行觀察研究。
  
  3.試驗(yàn)結(jié)果及分析
  
  3.1 銑削力
  按上述銑削試驗(yàn)方法使用Kistler測力儀系統(tǒng)分別對不同轉(zhuǎn)速條件下的三向動態(tài)銑削力進(jìn)行測量。根據(jù)在轉(zhuǎn)速v=20m/min時(shí)的銑削力實(shí)測圖,取銑削過程中銑削力的峰值按從大至小排序的前50個(gè)值的平均值,得到在主軸轉(zhuǎn)速v=10~180m/min變化過程中的三向銑削力與銑削速度的關(guān)系曲線,由該曲線可知:在其他銑削參數(shù)不變的情況下,隨著銑削速度的提高,銑削力Fz、Fy、Fx均隨之逐漸增大;同時(shí),在銑削速度提高過程中,銑削振動也明顯增大。這主要是由以下原因所造成:一是隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,切削速度增加,材料應(yīng)變速率增加,單位時(shí)間內(nèi)的切削體積增大,從而導(dǎo)致銑削力增大;二是根據(jù)位錯(cuò)—顆粒交互作用理論,對于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在一個(gè)臨界應(yīng)變速率。當(dāng)應(yīng)變速率在該臨界值以下時(shí),位錯(cuò)從顆粒上攀移過的速度大于位錯(cuò)到達(dá)顆粒周圍的速度,則顆粒周圍沒有位錯(cuò)堆積;當(dāng)應(yīng)變速率大于該臨界值時(shí),位錯(cuò)到達(dá)顆粒周圍的速度大于位錯(cuò)從顆粒上攀移過去的速度,從而導(dǎo)致位錯(cuò)在顆粒周圍堆積,顆粒中的應(yīng)力逐漸增加并導(dǎo)致高強(qiáng)度增強(qiáng)顆粒斷裂、破損。因此,在較低的銑削速度、低應(yīng)變速率條件下,切削過程中裂紋可能沿較長的路徑在強(qiáng)度較低的基體中擴(kuò)展;但在較高的銑削速度、高應(yīng)變速率條件下,裂紋易穿過高強(qiáng)度SiC增強(qiáng)顆粒擴(kuò)展。這就導(dǎo)致隨銑削速度提高,材料應(yīng)變速率增加,破損、斷裂的增強(qiáng)顆粒數(shù)增多,從而使銑削力和銑削振動增大。
  3.2 表面形貌及粗糙度
  由在不同銑削速度下被銑工件的表面形貌SEM照片可見,由于在用涂層硬質(zhì)合金立銑刀銑削該復(fù)合材料的過程中,軟的鋁合金基體發(fā)生流動,加工面被鋁基體薄膜覆蓋,因此銑削后的工件表面比較光亮。
  在銑削速度v=10~40m/min的范圍內(nèi),試件被加工表面非常光亮平整,表面形貌很好。隨著轉(zhuǎn)速升高,在銑削速度v=70~180m/min(n=3715~9554r/min)的范圍內(nèi)試件被加工表面則出現(xiàn)了沿銑削進(jìn)給方向的比較嚴(yán)重的振紋。這主要是因?yàn)榍邢魉俣鹊奶岣呤骨邢鲿r(shí)應(yīng)變速率變大,破損、斷裂的增強(qiáng)顆粒數(shù)增多,銑削力和切削振動都隨之增大,從而導(dǎo)致了振紋的產(chǎn)生和加劇。
  隨著切削用量的增大,在高速銑削情況下,銑削加工表面出現(xiàn)較多硬粒脫落凹坑、裂紋等缺陷,加工表面形貌變差。這是因?yàn)榍邢黝w粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)一般得到塑性或半塑性單元切屑,本試驗(yàn)所加工的復(fù)合材料的增強(qiáng)顆粒含量不高,其一個(gè)塑性單元體的形成過程仍然經(jīng)歷“滑—停—滑”三個(gè)階段,這三個(gè)階段完成的同時(shí)也就形成了加工表面。但是由于不可塑性變形的SiC增強(qiáng)顆粒的存在,基體的塑性變形一直受到增強(qiáng)顆粒的干擾。在此過程中刀尖處復(fù)合材料裂紋的生成和擴(kuò)展對加工表面的形成將產(chǎn)生重要影響。由于在較大的應(yīng)變與較高的應(yīng)變速率條件下,裂紋易沿短路徑穿過增強(qiáng)顆粒擴(kuò)展,使得顆粒的解離、破碎和脫落增多,由此造成上述加工表面硬粒脫落凹坑、裂紋等缺陷增多的現(xiàn)象。
  試驗(yàn)中用粗糙度儀對銑削加工表面的實(shí)測結(jié)果表明,在本試驗(yàn)銑削參數(shù)范圍內(nèi)得到的加工表面的粗糙度值較小,其Ra值都在0.2μm以下。隨著切削速度的提高,切削過程中增強(qiáng)顆粒的解離、破碎和脫落增多、振動變大,從而導(dǎo)致表面粗糙度逐漸增大。
  
  3.3 刀具的磨損
  在高速銑削過程中,被銑復(fù)合材料與螺旋立銑刀的主、副切削刃的頻繁接觸與相對滑動導(dǎo)致了切削刃的磨損。從SEM下觀察到的刀具磨損圖中可清楚地看到切削刃后刀面上涂層的剝落,同時(shí)在主切削刃后刀面涂層剝落處可清楚看到沿主切削刃切削方向產(chǎn)生的溝槽。這是復(fù)合材料中硬度很高的SiC顆粒在切削過程中所造成的磨料磨損。
  
  4.結(jié)論
  
  (1)在用涂層超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金立銑刀對SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行高速銑削加工的過程中,隨著銑削速度提高,單位時(shí)間內(nèi)的切削體積增大,高強(qiáng)度增強(qiáng)顆粒的解離、破碎和脫落增多,導(dǎo)致切削力、切削振動、工件表面粗糙度也都隨之增大。
  (2)當(dāng)銑削深度ap=0.5mm、進(jìn)給量f=0.02mm/z時(shí),在銑削速度v=10~40m/min(主軸轉(zhuǎn)速n=530~2123r/min)范圍內(nèi),銑削加工表面光亮平整,表面形貌很好。
  (3)當(dāng)采用較大的切削用量(ap=1.5mm、f=0.05mm/z、v=130m/min)進(jìn)行高速銑削時(shí),切削振動較大,加工表面上會產(chǎn)生許多硬顆粒脫落凹坑、裂紋等缺陷,表面形貌變差。
  (4)涂層硬質(zhì)合金銑刀在銑削過程中的主要磨損形式是涂層脫落與磨料磨損。
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