SiCp/ZL201复合材料切削加工性能研究

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1 前言

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颗粒增强铝合金复合材料，其价格低廉，性能优良，生产工艺简单，成为新材料研究的一个重要领域和发展方向。特别是颗粒增强铸造铝合金复合材料，其性能可用选择不同的基体合金，改变加入物的数量、大小和分布来进行调整。由于硬的碳化硅等颗粒分布在较软的铝合金基体中，使复合材料的切削加工性能同基体合金差别较大。目前用刀具切削仍然是金属基复合材料的重要加工方法，研究复合材料的切削加工性能对保证零件的加工质量，降低生产成本，提高生产效率等有着非常重要的意义。但颗粒增强铸造铝合金复合材料切削加工性能的研究报导很少。影响材料切削加工性能的因素较多，而材料对刀具的磨损速度及工件表面的粗造度是表征其切削加工性能的重要方面。本文用硬质合金YG6和高速钢W18Cr4V为切削刀具，研究了碳化硅颗粒增强ZL201合金复合材料的切削加工性能，探讨了切削加工机理，以便为正确制定颗粒增强铸造铝合金复合材料的切削加工工艺提供依据。 ! o6 c; F/ E) i% @4 M, A8 i% _. N

2 试验方法

复合材料用熔体搅拌法制取，基体合金及复合材料用金属模浇铸成?40mm坯料，基体合金为ZL201，试样经淬火+完全人工时效处理。碳化硅颗粒平均直径为14µm和80µm，选用四种复合材料进行试验：5%SiC-wt(14µm)、10%SiC-wt(14µm)、5%SiC-wt(80µm)、10%SiC-wt(80µm)。 9 \, \! W2 ~* r4 ?* @ I$ Z

切削刀具选用硬质合金YG6和高速钢W18Cr4V车刀。刀具几何参数为g=6°，a=8°，K_r=90°，K^′_r=15°，l_s=0°。

在C6132普通车床上进行干切削试验。选用两组参数： ① v_c＝28m/min，a_p=0.4mm，f=0.2mm/r。② v_c=72m/min，a_p=0.2mm，f=0.1mm/r。用读数显微镜测量车刀后刀面的磨损值VB，用JSG—1型光切法显微镜测量复合材料己加工表面的粗糙度。

3 试验结果及讨论

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1. 碳化硅颗粒尺寸对切削性能的影响
   在不同的切削参数条件下，用硬质合金和高速钢刀具切削复合材料和基体合金。试验材料对刀具后刀面的磨损曲线如图1、图2所示。可见无论是高速钢还是硬质合金刀具，在相同切削参数下，复合材料对其后刀面的磨损量均比基体合金大。为了比较不同复合材料对刀具后刀面的磨损速度，把图中曲线进行一元线性回归处理，其回归方程的斜率即为该曲线对应复合材料对刀具的磨损速度(mm/min)。 , v% @ O, X* j W1 J; q

   曲线的回归方程为： 曲线1：VB=0.012+0.061t 曲线2：VB=0.017+0.034t % I7 U# }* P) {6 q; B* ^0 V* u; p 曲线3：VB=0.018+0.018t # `) {9 H6 b* y. T3 @ 曲线4：VB=-0.0145+0.013t (a)	曲线的回归方程为： 曲线1：VB=0.028+0.082t " p) `+ k1 Z* b1 Y9 X b- q5 B 曲线2：VB=0.007+0.042t 6 t; l4 q) w6 O* } 曲线3：VB=0.0216t 曲线4：VB=-0.0038+0.0148t (b)
   1-10%SiC(80µm)， 2-5%SiC(80µm)， 3-10%SiC(14µm)， 4-5%SiC(14µm)， 5-ZL201 图1 高速钢刀具后刀面磨损曲线

   % H* J W, L! V' [# B8 [" B4 W3 l, o, {) V

   曲线回归方程为： 曲线1：VB=0.015+0.045t 曲线2：VB=0.0015+0.0285t 6 E( _, ]* W! Z; O6 T 曲线3：VB=-0.022+0.0152t / Y! c( a9 n9 l( K- Y; o* s 曲线4：VB=-0.027+0.0096t (a)	曲线回归方程为： 曲线1：VB=0.0012+0.058t 曲线2：VB=0.030+0.030t 5 }6 g9 o9 _5 t6 ~ 曲线3：VB=0.015+0.0169t 曲线4：VB=-0.015+0.0116t (b)
   1-10%SiC(80µm)， 2-5%SiC(80µm)， 3-10%SiC(14µm)， 4-5%SiC(14µm)， 5-ZL201 图2 硬质合金刀具后刀面磨损曲线

   ,dd>比较各图曲线1、3和2、4的回归方程斜率可知，碳化硅颗粒尺寸越大，复合材料对刀具后刀面的磨损速度也越快。特别是高速钢切削10%SiC(80µm)复合材料时，刀具磨损很快，切削不到3分钟，磨损量就超过0.2mm(图1)。说明高速钢切削粗颗粒碳化硅增强铝合金复合材料是不合适的。切削细碳化硅颗粒复合材料时，其对刀具的磨损速度远小于切削粗颗粒复合材料。特别是对5%SiC(14µm)复合材料，高速钢和硬质合金刀具均可对其连续切削较长时间，而且允许比较高的切削速度。比较图1和图2相同切削参数下的同号曲线可知，复合材料对高速钢刀具的磨损速度大于硬质合金刀具。说明切削碳化硅颗粒增强ZL201合金复合材料时，硬质合金刀具的耐磨性要比高速钢优良。这是因为碳化硅颗粒具有很高的硬度(HV2800)，颗粒在基体合金中的分布是无方向性、呈不连续分布。因此颗粒增强铸造铝合金复合材料具有各向同性。当碳化硅颗粒粗大时，切削过程中易受刀刃的挤压、撞击而转动、破碎、甚至脱落。这就加强了硬的碳化硅颗粒对刀具的磨损及刮划作用，增大了刀具后刀面的磨损速度。而碳化硅颗粒越细小，其在基体ZL201中的分布越弥散，切削时颗粒容易在切削变形区随基体变形，也可以在切削力作用下将细的碳化硅颗粒压进切屑中或已加工的工件表面，使刀具切削时，直接接触碳化硅的几率减小，从而减小对刀具的磨损速度，使常用的高速钢W18Cr4V和硬质合金YG6刀具也能较长时间切削细碳化硅颗粒增强ZL201基复合材料。硬质合金比高速钢有更高的硬度和耐磨性，在相同切削条件下，硬质合金比高速钢磨损速度小。
2. 碳化硅颗粒含量对切削性能的影响 8 {9 T2 o6 s! A: ]% B8 O' }5 A2 F) M
   比较图1、图2中各曲线1、2和3、4可知，无论是14µm的碳化硅还是80µm的碳化硅，其复合材料中颗粒量越大，高速钢和硬质合金刀具的磨损速度就越快。根据图1a和图2b，10%SiC(80µm)复合材料对高速钢的磨损速度是5%SiC(80µm)复合材料的1.8倍；10%SiC(14µm)复合材料对硬质合金刀具的磨损速度是5%SiC(14µm)复合材料的1.4倍。试验中切削80µm碳化硅颗粒复合材料时，硬质合金刀具前刀面上有细粉生成，碳化硅含量越大，形成的细粉状物越多。这说明在切削复合材料时，部分碳化硅粗颗粒被刀具挤压、破碎而飞溅到刀具前刀面上，形成细粉尘粒。部分细粉也可能是硬质合金中的硬粒被复合材料中的碳化硅挤脱而生成的，碳化硅颗粒含量越大，对刀具的磨损就越严重。而切削细颗粒碳化硅复合材料时，很少见到细粉出现。根据颗粒增强金属基复合材料的强化机制，对细颗粒增强复合材料，碳化硅颗粒含量越大，复合材料的硬度及耐磨性越好，对刀具的磨损速度也就越快。
3. 复合材料已加工表面的粗糙度 7 N# k3 ^& u% P7 Y1 I% e n/ M
   比较图1和图2中同号曲线可知，同一种复合材料，切削加工参数②条件下对刀具的磨损速度比参数①条件下快，碳化硅颗粒尺寸越大，这种差别越大。这是由于切削速度不同所致，切削参数②的切削速度大，碳化硅硬颗粒对刀具的撞击、磨损机会越多，刀具的磨损速度也就越快。
   观察复合材料切屑表明，碳化硅颗粒尺寸对复合材料的切屑形状也有影响。颗粒尺寸越大，切屑越短，底面越不连续，横裂纹越多，横向变形越明显，切屑外观越粗糙。碳化硅颗粒越细小，切削连续性越好，切屑底面越平整，横裂纹越少。两种参数条件下复合材料已加工表面的粗糙度Ra值如图3所示。由图可知，碳化硅颗粒尺寸越大，复合材料的表面粗糙度越大。对碳化硅粒径为80µm的复合材料，粗糙度随碳化硅颗粒含量的增大而增大；而碳化硅粒径为14µm复合材料，粗糙度随碳化硅颗粒含量增大而减小。这是因为在切削过程中，复合材料中的粗碳化硅颗粒受刀具的挤压容易破碎和脱落，增大了切削过程中的机械摩擦，使已加工复合材料表面粗糙度增大。而复合材料中细碳化硅颗粒易被压入切屑和已加工工件表面，且复合材料的硬度随碳化硅含量增加而增大，使细碳化硅颗粒的复合材料粗糙度随颗粒含量的增加而减小。

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(a)高速钢刀具切削	(b)硬质合金刀具切削
图3 复合材料加工表面粗糙度

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4 结论

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1. 高速钢或硬质合金刀具可对细碳化硅颗粒的ZL201合金复合材料进行连续较长时间切削，而不宜切削加工粗碳化硅颗粒的ZL201合金复合材料。
2. 碳化硅颗粒含量越大，复合材料对高速钢和硬质合金刀具的磨损越快。在相同条件下，复合材料对高速钢刀具的磨损速度大于硬质合金刀具的磨损速度。 4 z( I( {3 Q( ^$ f0 M, f
3. 碳化硅颗粒尺寸越大，复合材料加工表面的粗糙度越大，且随颗粒含量的增加而增大；碳化硅颗粒细小，复合材料加工表面粗糙度小，且随颗粒含量增加而减小。
4. 碳化硅颗粒增强ZL201合金复合材料对高速钢和硬质合金刀具的主要磨损为磨粒磨损。

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