SiCp/Al多相材料的切削加工

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1 引言

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    SiC_p/Al是一种新型的陶瓷/金属系多相材料，由于它的比刚度和比强度高，膨胀系数小，耐热性和尺寸稳定性好，因此在航空航天、汽车制造等行业得到日益广泛的应用。在汽车制造业中，SiC_pAl材料最具潜力的应用前景之一是用于制造发动机活塞。采用SiC_p/Al制造发动机活塞可减小活塞销孔的磨损，避免因热膨胀引起的“咬死”现象，提高装配精度，减少能耗，提高发动机功率。SiC_p/Al材料在德、日、英、美等工业发达国家汽车制造业中的应用已取得了良好效果。我国在这方面的研究开发工作也取得了一定成果。

    在SiC_p/Al材料中，引入了无机非金属颗粒作为补强第二相，从而大幅度提高了材料的强度、硬度和耐磨性能，但同时也使材料的机械加工性能变差。加工SiC_p/Al材料时，刀具磨损严重，耐用度降低，工件尺寸精度和表面质量难以保证，这在一定程度上阻碍了这种新型材料的推广应用。为此，本文通过试验研究，利用常规硬质合金刀具材料设计出一种可采用常规工艺和设备加工SiC_p/Al材料的新型刀具。使用证明，采用该刀具加工SiC_p/Al材料，可提高刀具耐用度和工件表面质量，降低加工成本。

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2 SiC_p/Al切削表面成形机理

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    作为补强第二相引入母体第一相铝合金中的SiC 颗粒是非连续、均匀、无方向性(各向同性)地分布于母体材料中，从而使SiC_p/Al材料具有如下切削表面形成机理：在切削力作用下材料产生变形，首先在强度薄弱处和已有缺陷处形成微观裂纹核，然后裂纹根据最小能量原则以极快速度扩展，直至材料断裂，形成原始裂纹表面。切削刃分流点以上的材料经剪切区域成屑流出，分流点和待加工与已加工表面之间的(过渡)原始裂纹表面材料再经钝圆切削刃的推挤、修整和已磨损的副后刀面的熨压形成已加工表面。切削表面并非全部由切削刃直接切出，而是在很大程度上受到原始裂纹表面形成机理的影响。原始裂纹表面的形成具有很大随机性，由材料组织结构决定。因此，SiC_p/Al材料的已加工表面分布有颗粒被拔出后留下的凹坑、切削时被压下复又弹起的凸粒、颗粒自然解理表面、挤压及摩擦导致的局部材料侧流扩展(或熔融)表面、晶粒细化和沿切削方向纤维化表面、磨(破)损不平的切削刃复制出的表面等多种结构。

3 刀具磨损与破损机理

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    由于SiC_p/Al材料中SiC颗粒(显微硬度值HV=27GPa)的存在，切削时，常规硬质合金刀具(YG类刀具材料显微硬度值HV=16～18GPa)会很快磨损或破损。切削刃分流点以下的剩切现象使第一相母体材料的弹性恢复顶起裹携着带有微刃的第二相补强颗粒与副后刀面发生剧烈摩擦，造成刀具的磨粒磨损，这是刀具的主要失效形式。这种现象在第二相的粒度及体积分数均较小(如粒度小于15µm，体积分数小于15%)的SiC_p/Al材料中，由于弹性恢复趋势强烈而显得尤为明显。

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    SiC_p/Al材料结构中的局部不均匀性和非连续性造成对刀具的冲击，致使主切削刃处发生崩刃现象，崩刃处发现有沿切屑流出方向分布的沟纹，随着切削路径的延长，崩刃处呈钝圆槽形。接近材料外缘处的刀具崩刃程度较低。虽然也存在边界磨损，但发生概率较小。 |||

4 SiC_p/Al材料的切削试验

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1. 试验材料
   1^#材料：SiC_pAl(粒度：14µm，体积分数10%)；2^#材料：SiC_pAl( 粒度40µm，体积分数20%)。两种材料的第一相母体合金均为ZL109。试件经160MPa挤压铸造，制备为中空圆柱体，经T6 热处理。
2. 试验条 5 v; s0 y; @* I0 e! ~1 H( O% D, ]
   切削机床：CM6140 型精密卧式普通车床；进给量f=0.10mm/r，切削深度ap=0.10mm，切削1^#材料切削速度vc1=19.3m/min，切削2^#材料切削速度vc2=18.5m/min；采用干式纵向切削。
3. 试验刀具
   加工SiC_p/Al多相材料时，磨粒磨损是刀具的主要失效形式，也是造成已加工表面质量恶化的主要原因。根据材料组织结构和加工表面微观形貌特征，笔者认为，只有针对SiC_p/Al材料在加工中的弹、塑性变形特点，有效减轻刀具—工件的挤压滑擦，才能减轻刀具磨损，提高刀具耐用度和加工表面质量。
   试验结果表明，采用主偏角小于90°(如45°和75°)的外圆车刀切削SiC_p/Al材料时，由于切削径向分力和母体材料高弹性变形的作用，刀具—工件接触面发生剧烈挤压和滑擦，很快在副后刀面上磨出磨损带，磨损带挤压在已加工表面上，严重时可引起不规则的中频振颤，振颤“锤击”作用可使已加工表面质量进一步恶化，同时进一步加剧了刀具损坏。如刀具采用90°(或稍大于90°)的主偏角，切削时就能够有效卸去切削径向分力，减轻刀具对材料的挤压以及由此引起的材料弹性恢复。此外，针对材料弹性恢复的不利影响，在副后刀面与刀尖连接处刃磨出一定形状，不仅能够减轻刀具—工件的挤压、滑擦，提高刀具耐用度，还可对已加工表面起到熨平修整作用，提高加工表面质量。
   根据上述思路设计了一种新型引导光整刀具。刀具几何形状为：前角g₀=6°，主后角a₀=10°，主偏角k_r=90°，刃倾角l_s=0°，副后角a₀’=5°，副偏角k_r’=15°，刀尖圆弧半径r_e≤0.20mm；在与r_e圆弧相接的副切削刃上刃磨出长度b≤1mm 的大半径( R≈150mm)圆弧，平滑过渡到副切削刃；在副切削刃上刃磨出a₀1≤-2°、宽度b_r’≤0.20mm 的负倒棱；在与r_e相连的大圆弧的负倒棱下刃磨出R’≈200mm、高度b’≤0.50mm 的外切圆柱面，向下与副后刀面平面圆滑过渡(如图1所示)。
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   图1 刀具引导光整面几何形状示意图

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   这种新型引导光整刀具的关键是刀尖圆弧半径与相连的由R 和R’组成的椭球面(即引导光整面)的形状和高度，该椭球面可引导修整已加工表面的弹性变形恢复和轮廓微观不平度。其它几何参数的设计主要应满足刀具强度和耐冲击性的要求。
   试验刀具的材料选用YG8 硬质合金。 |||
4. 试验结果
   试验刀具进入正常磨损阶段后，副后刀面上光滑的引导光整面对已加工表面的微观不平轮廓进行修整。经切削光整后，1^#材料已加工表面粗糙度平均值Ra=1.08µm，裸视观察呈无光泽银白色，在显微镜下观察，轮廓顶峰被部分修整，呈钝圆状，加工纹路清晰可见；2^#材料已加工表面粗糙度平均值Ra=0.52µm。由于2^#材料的粒度和体积分数均大于1^#材料，因此硬度和刚度有所提高，弹塑性变形减弱，表面呈有金属光泽的镜面。图2为用Taylor-Hobson轮廓仪描绘出的使用普通刀具(未在副后刀面上刃磨出引导光整面)(图2a)和新型引导光整刀具(图2b)切削2^#材料的表面微观轮廓形貌(两种刀具材料均为YG8硬质合金，且几何参数基本相同)。
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   图2 两种刀具切削2#材料的表面微观轮廓形貌

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   由图2b可见，与普通刀具相比，新型引导光整刀具切削出的表面微观轮廓顶峰和峰谷变化平缓，微观不平度减小。
   对新型引导光整刀具的检测显示，切削1^#材料15分钟后，刀具上未发现明显的磨损带；继续切削2^#材料，在开始的12.5 分钟里，引导光整面的长度b由原来的0.9mm扩展到1.0mm，高度b’由原来的0.4mm扩展到0.5mm，在随后37.5 分钟的切削过程中，未发现磨损带进一步扩大。切削试验中，工件表面粗糙度值基本保持稳定，Ra最大值未超过0.76µm。

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5 结论

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1. 引导光整刀具是一种适用于切削SiC_p/Al多相材料的新型刀具，能有效提高常规材料刀具的耐用度，降低工件表面粗糙度。
2. 新型刀具的光整作用可使已加工表面延展和拉伸，产生塑性流动；挤压作用可弥合表面微观裂纹，减轻应力集中现象，使表面呈残余压应力状态，从而提高零件抗疲劳强度。 ' D7 K. I; g" \2 e! g x2 F9 I I
3. SiC_p/Al材料的表面加工质量在很大程度上由引导光整面的高度和切削用量决定。其高度应小于轮廓微观不平度的平均高度，以减小母体材料的受压弹形变形；其宽度应大于进给量f，以实现重叠连续光整，使已加工表面获得良好的尺寸精度和表面质量。 ) Z* a0 p; X$ m1 e( M$ E
4. 对于不同粒度和体积分数的SiC_p/Al材料，存在一个引导光整面优化值。可根据材料粒度和体积分数的不同适当修整引导光整面的几何尺寸。本文推荐的引导光整刀具几何尺寸较适合于切削中等粒度和体积分数的SiC_p/Al材料，对于粒度和体积分数过大或过小的材料加工效果稍差。 ' t! _+ t4 j4 l: {
5. 新型引导光整刀具的几何形状较适合直线加工，对于复杂曲面的加工则有其局限性。