PCD刀具超声铣削SiCp/Al复合材料的试验研究

高国富，何全茂，董小磊，向道辉，赵 波

（1.河南理工大学 机械与动力工程学院，焦作 454000；2.河南工程技术学校 机电工程系，焦作454000；3.郑州科技学院 机械工程系，郑州450064 ）

0 引言

现代化科技和现代工业对材料要求的不断提高，除要求材料具有一些特殊性能外，还要具有优良的综合性能。单一的工程材料均难以同时满足这些性能要求，对具有优良性能的复合材料的持续需求，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。复合材料具有比强度和比刚度高、线膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐磨耐热耐腐蚀性高、减振、抗疲劳破坏、安全性好、价格低廉及可重熔性好等优良性能而得到了广泛应用[1,2]。

表1 刀具参数

表2 SiCp/Al的材料特性

在铝中添加硬度高的SiC颗粒，构成SiC颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al），材料性能得到极大改善，广泛用于航空航天、国防等高科技领域。15%以上的SiC含量就使其成为难加工材料，阻碍了工业化应用。本文针对SiC含量超过50%的SiCp/Al，采用超声辅助铣削加工方式，研究SiCp/Al铣削力的变化规律，分析SiC颗粒的变形破坏方式、工件表面的微观形貌。

1 试验条件和方法

SiCp/Al 硬度高、脆性大，采用普通切削工艺存在切削力大、刀具磨损快、切削温度不稳定等问题[3,4]。本文采用工件振动的超声铣削工艺，工件振动方向切削速度方向垂直，刀具选用耐磨性优良、耐热性较好、硬度和韧性较高的PCD刀具和硬质合金刀具进行对比试验。试验在数控铣床上进行，切削刀具参数和试件材料特性分别如表1和表2 所示。

2 铣削力试验分析

2.1 铣削速度对铣削力的影响

铣削参数：进给量0.02mm/z，铣削深度0.2mm，铣削宽度6mm。铣削速度对铣削力的影响如图1所示。

由图1可知，在其他铣削参数不变的情况下，随着铣削速度的提高，普通铣削和超声铣削的铣削力Fz、Fy、Fx都呈现出整体增大的趋势，并且在铣削速度提高过程中的铣削振动也明显增大。这主要是因为：

1）随铣削速度增加，材料应变速率增加，单位时间内的切削体积增大而导致铣削力增大。变形区的应变速率增大，导致基体非定向滑移过程中高强度增强颗粒解离破碎增多，而导致切削力增大[5,6]。

2）超声铣削中的Fy、Fx要比普通铣削中的Fy、Fx平均低15～30N。这说明超声铣削可以降低铣削力，提高铣削稳定性。

2.2 进给量对铣削力的影响

铣削参数：主轴转速6000rpm，铣削深度0.2mm，铣削宽度6mm。进给量对铣削力的影响如图2所示。

从图2可以看出，随着进给量增加，超声铣削和普通铣削的切削力都随之上升。这是因为进给量增大，单位时间内进入刀具的金属切削量增多，铣削过程铣削阻力就越大，切削力上升。对铣削SiCp/Al复合材料来说，当进给量增大时，SiC颗粒直接被切断的机会减少，切削抗力大大提高，切削力增大。

2.3 铣削深度对铣削力的影响

铣削参数：主轴转速6000rpm，进给量0.02mm/z，铣削宽度6mm。铣削深度对铣削力的影响如图3所示。

图3 铣削深度与铣削力的关系

从图3可以看出，当切削深度从0.5mm增加到2mm时，Fy、Fx基本上程线性增大，Fz变化不大。而其当铣削深度增大到2mm时，超声振动铣削的切削力几乎与普通铣削相同。这时应为当切削深度增大时，刀具对工件的压力增大，导致工件振动效果降低，从而削弱了超声的作用。

3 表面形貌分析

超声切削SiCP/Al复合材料时，SiCP的变形破坏方式与该复合材料的普通切削类似，主要有三种：即直接剪断型、拔出型、压入型，但每种形式存在的概率与普通切削相比，有相当大的差别。

图 4 超声铣削SiCp/Al时的颗粒破坏模型

图4（a）、（b）、（c）分别为PCD刀具超声铣削SiCP/Al复合材料时的三种SiC颗粒变形破坏方式的SEM照片。图（4a）为SiC颗粒直接剪断型的SEM照片，图（4b）为SiC颗粒拔出型的SEM照片，这是由于基体材料强度较低，剪切力大于颗粒与基体之间的粘结力而造成的。这种破坏方式在铣削铝基复合材料时极易出现，图（4c）为SiC颗粒压入型的SEM照片，从图中可见，SiC颗粒被压切断裂之后留在工件已加工表面上。这种破坏方式多出现在切削刃磨损时出现，特别在用硬质合金刀具铣削时极易出现[7,8]。

PCD刀具和硬质合金刀具铣削SiCp/Al试件表面微观结构的SEM照片如图5、图6所示。

图 5 PCD刀具超声铣削SiCp/Al的表面微观结构

图 6 硬质合金刀具超声铣削SiCp/Al的表面微观结构

从图5、6中可以看出，超声切削时SiC颗粒主要以直接剪断型为主，而普通切削时SiC颗粒主要以拔出型和压入型为主。这是因为在超声振动切削过程中，由于附加了超声振动，在刀尖部位聚集了极大的能量，再加瞬时作用，对强度高的颗粒也能容易地切断，因而有效地避免了拔出或挑起[9]；另一方面切削力很小，对加工表面的挤压力很小，使刀具能平稳地切削软的铝合金和硬的SiC颗粒。也正是这个原因，超声切削的表面质量明显好于普通切削的表面质量。

另外，从图5和6还可以看出，用PCD铣削加工的已加工表面的刀具划痕非常清晰，而用YG6的已加工表面有明显的积压痕迹，由于刀具与工具的挤压，大部分工件表面出现烧伤。这是因为PCD硬度较高，有比较锋利的切削刃，且不易磨损；而YG6在切削SiCp时极易磨损，在刀具的磨损过程中，SiCp的破坏方式多为压入型方式。

4 结论

1）通过铣削力实验发现，超声铣削的铣削力低于普通铣削；而铣削参数中，铣削速度和进给量对铣削力的影响较大，切削深度相对较小。

2）通过对不同两种加工条件下SiCp/Al复合材料的表面微观形貌分析，普通铣削时SiCp主要以拔出型和压入型为主，而超声铣削时SiCp主要以直接剪断型为主；采用PCD超声铣削时颗粒直接剪断型为其主要的破坏变形方式，而采用YG6超声铣削时颗粒的直接剪断型明显减少，被压入的破坏方式增多。

[1] 袁广江,章文锋,等.SiC颗粒增强铝基复合材料制备及机加工性能研究[J].复合材料学报,2000.17(2):38-41.

[2] F.H.Force.Aerospace Materials for the Twenty-First Centure.Mater& Dedign,1989.10(3):110-119.

[3] 韩荣第,李汉国.SiCp/Al、SiCw/Al复合材料加工的切削温度与刀具磨损的试验研究[J].宇航材料工艺,1997,3.

[4] 徐鸿钧,徐西鹏,张幼桢,等.断续磨削时工件表面温度场解析[J].机械工程学报,1994,30(1):30-36.

[5] 颜竟成,石世宏,王剑彬.超声振动车削试验与理论分析[J].衡阳工学院学报,1990,4(1):61-66.

[6] YAltinas,et al.Predietion of Cutting Force and Tool Breakage in Milling from Feed Drive CurrentMeasurements.Trans.ASME.J.of Engineering for lndustry,1992,114(8):386.

[7] T.S Babin,J W Lee,J W Sutherland,et al.A Model for milled Surface TopograPhy.Proc.Of NAMRC13.SEM.1985:362-368.

[8] 陈建满.高速铣削表面形貌的仿真与实验研究[D].南京:南京航空航天大学,2002.

[9] 阮世勋,等.超声波振动切削加工表面面和刀具磨损面的SEM分析[J].电加工与模具,1996,(6):19-22.