222 农业机械学报 2010 年能的研究还处于起步阶段, 国内外多数研究者只是在粗加工半精加工的切削工况下, 发现切削该类铝基复合材料时, 在极短的时间内高速钢硬质合金及硬质合金涂层刀具等常规刀具便超过磨钝标准而不能继续使用本文采用特殊结构形式的刀具硬质合金圆形自转位刀具切削碳化硅晶须增

Size: px

Start display at page:

Download "222 农业机械学报 2010 年能的研究还处于起步阶段, 国内外多数研究者只是在粗加工半精加工的切削工况下, 发现切削该类铝基复合材料时, 在极短的时间内高速钢硬质合金及硬质合金涂层刀具等常规刀具便超过磨钝标准而不能继续使用本文采用特殊结构形式的刀具硬质合金圆形自转位刀具切削碳化硅晶须增"

夸贵集
5 years ago
Views:

1 2010 年 1 月农业机械学报第 41 卷第 1 期 DOI: /j.issn 碳化硅晶须增强铝基复合材料自转位刀具车削试验 1 王大镇 1 冯培锋李 1 波 2 刘华明 (1 集美大学机械工程学院, 厦门 ;2 哈尔滨工业大学机电工程学院, 哈尔滨 ) 摘要采用 3 种类型的刀具车削航天用碳化硅晶须增强铝基复合材料 (SiC w ), 用 Kistler 三向测力仪测量三向切削分力 F c F p F f, 用原子力显微镜 AFM 检测刀具刃口及已加工表面的微观形貌和轮廓结果表明, 与圆形固定式刀具相比, 硬质合金自转位刀具表现出类似金刚石刀具的优异耐磨性, 其使用寿命延长 60 多倍, 刀具的切入与切出平稳, 切削过程颤振小 ; 已加工表面质量较好, 呈现铝基体的灰白铝色, 破碎的碳化硅晶须及孔洞较少, 表面粗糙度值较小 ; 其三向切削力 F c F p F f 都有不同程度的降低, 尤其是平均背吃刀抗力 F p 减少了 30% ~60% 硬质合金自转位刀具是切削加工中低体积分数航天用碳化硅晶须增强铝基复合材料低成本高性能的一类刀具关键词 : 铝基复合材料自转位刀具刀具寿命切削力中图分类号 :TH 文献标识码 :A 文章编号 : (2010) ExperimentsonCutingofSiC WhiskerReinforcedAluminum Composite withself propeledrotarytools WangDazhen 1 FengPeifeng 1 LiBo 1 LiuHuaming 2 (1.ColegeofMechanicalEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361021,China 2.ColegeofMechanicalandElectronicEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China) Abstract DiferenttypesofcutingtoolswereusedtocutSiC whiskerreinforcedaluminum composite.and thenthe 3 D components ofcuting forces F c, F p, and F f were measured with a Kistler3 D dynamometer,andthemicroscopicpaternandprofilesofthecutingedgesandthemachinedsurfaces wereexaminedwithanatomicforcemicroscope(afm).theresultsshowedthat,comparedwithfixed circularcuterstheself propeledrotarycarbidetoolshadsuperiorwear resistancepropertysimilartothat ofdiamondtools.thetoollifehadincreasedmorethan60timeswithstablecut inandcut outandless oscilationinthecutingprocess.themachinedsurfacesshowedhighquality,graymetalshineofthe aluminum matrix,smalersurfaceroughness,andlesbrokensic whiskersandpits.the3 D cuting forcecomponentsf c,f p,andf f werereducedtosomedegree.theaverageradialthrustcutingforcef p hadasignificantreductionof30% ~60%.Theself propeledrotarycarbidetoolswerethoughttobeone kindoftoolswithlowcostandhighcutingperformanceandasuitabletoolinmachiningthecomposites reinforcedwithsicwhiskersofmoderateorlowervolumefractions. Keywords Aluminum matrixcomposite,self propeledrotarytool,toollife,cutingforce 引言碳化硅晶须 (siliconwhiskerofcarbide,sic w ) 增强铝基复合材料具有优良的性能, 但由于材料中 SiC w 陶瓷增强相的高硬度, 给该类铝基复合材料的切削加工带来了严峻的挑战 [1~6] 对其切削加工性收稿日期 : 修回日期 : 福建省自然科学基金资助项目 (E ) 作者简介 : 王大镇, 副教授, 博士, 主要从事难加工材料的高速高效加工技术研究,E mail:dazhenwang@163.com 通讯作者 : 冯培峰, 教授, 博士, 主要从事数控机床及切削加工技术研究,E mail:pfeng@163.com

2 222 农业机械学报 2010 年能的研究还处于起步阶段, 国内外多数研究者只是在粗加工半精加工的切削工况下, 发现切削该类铝基复合材料时, 在极短的时间内高速钢硬质合金及硬质合金涂层刀具等常规刀具便超过磨钝标准而不能继续使用本文采用特殊结构形式的刀具硬质合金圆形自转位刀具切削碳化硅晶须增强的铝基复合材料 (SiC w ), 探索切削过程中刀具的切削加工性能工件加工质量切削力的变化规律, 试图找到该种复合材料的低成本加工方法 1 试验及检测 1 1 试验材料试验材料采用 SiC w 棒材, 增强相为碳化硅晶须 SiC w, 直径 0 1~1μm, 长度 10~100μm, 试验材料的其他参数, 如表 1 所示表 1 材料的物理及力学性能 Tab.1 Physicalandmechanicalpropertiesof thematerials 体积密度试验分数 ρ/ 材料 V f /% g cm -3 抗拉强度 σ b /MPa 弹性延伸模量率 E/GPa δ/% 增强相平均尺寸 D/μm SiC w ~ ~1 SiC w ~ ~1 SiC w ~ ~1 1 2 试验条件及检测仪器试验选用 CA6140 型车床, 所用刀具的种类及参数, 如表 2 所示用 Kistler 三向测力仪测量三向切削分力 F c F p F f 原子力显微镜为美国 Digitial Instruments 公司生产, 检测时采用轻敲模式 Si 3 N 4 探针, 针尖锥角 35 表 2 试验用刀具参数及切削条件 Tab.2 Parametersandcutingconditionsoftheusedtools 图 1 自转位刀具切削原理图 Fig.1 Cutingprincipleofself propeledrotarytool 自转位刀具在切削过程中不附加外力驱动源, 靠工件和刀具之间的相对运动驱动旋转, 刀具的旋转方向和速度主要取决于切削速度和倾斜角, 根据图 1 有以下几何关系 { v c =v n +v t v t =v c sinλ s (1) v n =v c cosλ s 式中 v n 工件的线速度,m/min v t 自转位刀具的线速度,m/min v c 切削速度,m/min λ s 切削刃倾斜角度,( ) 2 2 刀具磨损及耐用度刀具磨损刀具磨损后将影响切削力切削温度和已加工表面质量为此, 根据加工情况需规定一个刀具许用磨损值 ( 即刀具磨钝标准 ), 本文设定刀具后刀面的磨损值 V Bmax =0 3mm 为磨钝标准采用硬质合金自转位涂层刀具 K10TiN 圆形固定式刀具和聚晶金刚石 PCD 刀具, 在切削速度 v c = 57m/min, 进给量 f=0 14mm/r, 切削深度 a p = 0 2mm 的切削工况下, 切削体积分数为 V f =17% 的 SiC w 铝基复合材料时得到的刀具磨损曲线, 如图 2 所示刀具结构几何角度 /( ) 刀具切削材料形式 γ 0 α 0 K r K r λ s 直径液 K10TiN 涂层圆形自转位式 Φ20 干切 K10TiN 涂层圆形固定式 Φ20 干切 PCD 焊接式干切 2 结果与讨论 2 1 自转位刀具切削原理自转位刀具切削过程中, 圆形刀具一边随着刀体作直线走刀运动, 一边绕其自身轴线作转位运动, 如图 1 所示图 2 3 种刀具的磨损曲线 Fig.2 Wearhistoriesofthreetypesofcuters 从图中可以发现, 硬质合金圆形固定式刀具切削 1min 左右就达到了磨钝标准而圆形自转位刀具切削该类铝基复合材料却表现出优异的耐磨性, 其刀具的耐用度较固定式刀具提高 65 倍, 其耐磨性

3 第 1 期王大镇等 : 碳化硅晶须增强铝基复合材料自转位刀具车削试验 223 接近金刚石刀具观察自转位刀具切削加工后的后刀面, 发现沿刀具整个圆周磨损均匀且轻微, 磨损痕迹方向一致, 前刀面上没有生成积屑瘤, 这与文献 [3] 得出的结论相同刀具耐用度估算自转位刀具具有较高的耐磨性的主要原因在于刀具的自转位使得整个切削刃都参加切削, 切削刃工作点间歇交替, 使磨损能分布在比固定式刀具长得多的切削刃上, 从而减轻了切削负荷在忽略切削刃散热的情况下, 同时认为刀具不产生急剧破损, 则自转位刀具较圆形固定式刀具耐 [7] 用度提高的倍数估算为式中 K= f +cosλ 2R s t 2π 2a p + R t ( a p tanλ R s t ) 槡 R t 刀具半径,mm 2 (2) 切削过程中, 自转位刀具与固定式刀具相比, 实际切削路程长度短, 切削刃瞬时工作时间短, 冷却时间长, 散热条件好同时参与切削的刀刃始终有氧化膜等保护层, 当保护层被铝基复合材料中的高硬度增强相擦伤后, 该部分切削刃已离开切削区, 并很快产生了新的氧化膜保护层自转位刀具耐用度提高的另外两个原因是 : 1 切削区中部分滑动摩擦被滚动摩擦所代替, 使得刀具与工件加工表面, 刀具与切屑间的摩擦因数降低 2 自转位刀具的切削速度 v c 随着刀刃倾斜角的增大而减小刀具耐磨度影响因素分析 (1) 切削速度切削速度对刀具寿命和材料切除量的影响曲线, 如图 3 所示从图 3a 中发现, 固定式刀具的切削速度对刀具寿命的影响曲线倾斜约为 45, 而硬质合金自转位刀具的寿命曲线倾斜大于 45 即随着切削速度的增加, 自转位刀具的寿命较固定式刀具下降得更慢一些从图中还可以发现, 自转位刀具与固定式刀具相比寿命显著提高, 如切削速度为 100m/min 时, 固定式刀具的寿命不足 1min, 而自转位刀具的寿命已经超过 1h, 两者相比寿命提高超过 65 倍比较图 3a 和图 3b 可以发现, 尽管随着切削速度的增加, 自转位刀具的寿命有所下降, 但其生命周期内切除的材料却有较大幅度的增加综合考虑, 采用自转位刀具加工时, 宜采用较大的切削速度 (2) 进给量进给量对刀具寿命和材料切除量的影响曲线, 如图 4 所示图 3 切削速度对刀具寿命和材料切除量的影响 Fig.3 Influenceofcutingspeedontoollifeand amountofmaterialremoval (a) 刀具寿命 (b) 材料切除量图 4 进给量对刀具寿命和材料切除量的影响 Fig.4 Influenceoffeedrateontoollifeand amountofmaterialremoval (a) 刀具寿命 (b) 材料切除量比较图 4a 和图 4b 会发现, 进给量对自转位刀具的寿命影响并不严重尽管自转位刀具的寿命随着进给量的增加而有所减小, 但刀具在其生命周期内切除的材料反而增加如将进给量从 0 4mm/r 增加到 0 8mm/r, 刀具寿命减小 15%, 而材料的切除率却提高了约 40% 因此, 采用自转位刀具切削铝基复合材料时宜采用较高的进给量 (3) 倾斜角在切削速度为 v c =57 m/min, 进给量 f= 0 14mm/r, 切削深度 a p =0 2mm 的切削工况下, 切削体积分数为 V f =25% 的复合材料时, 刀具倾斜角度对刀具寿命的影响曲线, 如图 5 所示图 5 倾斜角度对刀具寿命的影响 Fig.5 Influenceoftheinclinationangleontoollife 从图 5 中可以发现, 倾斜角对固定式刀具的寿命影响较小, 但对自转位刀具的寿命却有重大的影响例如, 在 57m/min 的切削速度下, 当倾斜角度

4 农２２４业从１５增加到３０时刀具的寿命延长了９０当增机械学报２０１０年程度较小加到３５时增加了１１６增加到了４５时增加了自转位刀具切削时对加工表面有一定的滚压１９７进一步增加到６０时则刀具的寿命增加到作用与圆形固定刀片相比即使在较大的进给量时了２９５此时刀具的寿命超过了７０ｍｎ为固定仍能获得较小的表面粗糙度两者已加工表面轮廓式刀具寿命的６３倍的对比如图８和图９所示２２４刀具的磨损形式与形貌用自转位刀具切削ＳＣｗ增强铝基复合材料时刀具的磨损形式与形貌同固定式刀具相比有如下特点 ①磨损均匀地分布在切削刃的整个圆周上而固定式刀具则仅产生在直接参与切削的那段切削刃上 ②在刀具前后刀面上都没有积屑瘤产生而在固定式刀具的刀具前刀面上产生了积屑瘤２３图８固定式刀具加工的表面轮廓Ｆ８Ｐｅｍｈｎｅｄｓｕｅｕｂｙｘｅｄｕ ③两种刀具的磨损及破损形式基本相同主要为前后刀面的磨料磨损刃口部位由增强相断头引起的刃口断裂及掉尖刀具未切削时完整刀具刃口ＡＦＭ图像如图６所示刀具切削后刃口处发生了破损时的ＡＦＭ图像如图７所示图９自转位刀具加工的表面轮廓Ｆ９Ｐｅｍｈｎｅｄｓｕｅｕｂｙｙ２４切削力２４１切削力变化规律采用硬质合金Ｋ１０ＴＮ涂层圆形固定刀具和自转位刀具切削２５体积分数的ＳＣｗＬＤ２铝基复图６完整的刀具刃口Ｆ６Ｃｕｎｅｄｅｕｎｗｎｓ合材料时切削用量与主切削力Ｆ背吃刀抗力Ｆｐ之间的关系曲线如图１０１２所示切图１０中的切削工况为进给量００８ｍｍ削深度ｐ０２ｍｍ图７产生磨损的刀具刃口Ｆ７Ｃｕｎｅｄｅｗｎｓ２３自转位刀具的加工表面质量分析自转位刀具加工件的表面质量较好切出的工件表面呈正常的灰白铝色与金刚石刀具切出的工件表面几乎完全相同其显微结构中变质层中的Ｃｗ沿切削方向重新取向的数量较少工件增强相Ｓ表面上因切削而破碎的增强相数量也较少图１０切削速度对切削力的影响Ｆ１０Ｉｎｕｅｎｅｕｎｓｐｅｅｄｎｕｎｅｓ图１１中的切削工况为切削速度ｖ７ｍｍｎ５切削深度ｐ０３ｍｍ图１２中的切削工况为切削速度ｖ７ｍｍｎ５进给量００８ｍｍ产生上述结果的原因是由于自转位刀具保持了在ｖ７ｍｍｎ００８ｍｍｐ０４ｍｍ的５较小的实际刃口钝圆半径从而在形成已加工表面切削工况下圆形固定刀具和自转位刀具的背吃刀时复合材料中的增强相多数被刃口直接切断另抗力波形如图１３所示外较小的刃口钝圆半径和较轻的后刀面磨损使切２４２切削力特性分析ＣｗＡ界面附近的铝基体弹塑性变形削区尤其是Ｓ采用硬质合金Ｋ１０ＴＮ涂层圆形自转位刀具切

5 第 1 期王大镇等 : 碳化硅晶须增强铝基复合材料自转位刀具车削试验 225 sinγ oe =sinλ 2 s+cosλ 2 ssinγ o (4) 式中 γ o 刀具前角,( ) 因此, 自转位刀具较固定式刀具变得更加锋利, 图 11 进给量对切削力的影响 Fig.11 Influenceoffeedrateoncutingforces 图 12 切削深度对切削力的影响 Fig.12 Influenceofcutingdepthoncutingforces 切削时铝基体的塑性变形大幅度减小, 增强相 SiC w 被刀具刃口直接切断的数量大幅度增加, 切削过程变得轻快省力, 使得切削力的平均值和峰值都减小 (2) 切削力变化的特殊性根据单相金属材料的切削理论 [8], 切削 45 号钢及铝合金材料时, 主切削力 F c 远大于背吃刀抗力 F p 及进给力 F f 而对 SiC w 铝基复合材料来说, 当增强相的体积分数超过某阈值时, 背吃刀抗力 F p 及进给力 F f 将超过主切削力 F c 为了表征这一现象, 引入切削力系数 K(K p =F p /F c,k f =F f /F c ) (3) 切削用量的影响随着切削速度的增加 ( 图 10), 自转位刀具和固定刀具的切削力都呈减小的趋势, 但固定式刀具切削力系数 K p >1, 而自转位刀具切削力系数 K p <1, 且减小的幅度更大随着进给量的增大 ( 图 11), 固定刀具的切削力增加剧烈, 其切削力系数 K p >1, 而自转位刀具的切削力增幅很小, 其切削力系数 K p 由大于 1 转变为小于 1, 且减小的趋势明显 3 结论图 13 背吃刀抗力波形图 Fig.13 Measurementsoftheradialthrustcutingforces 削 SiC w 复合材料, 与使用 K10TiN 涂层圆形固定刀具相比, 可以发现存在如下特殊规律 : (1) 背吃刀抗力 F p 减小 30% ~60%, 峰值减小 70% ~80% 背吃刀抗力减小的原因是自转位刀具切削时存在一个较大的刃倾斜角 λ s, 减小了实际刃口半径 r e, 相应地增大了刀具有效工作前角 γ oe, 几何关系为 r e =r n cosλ s (3) 式中 r n 法剖面内的刃口半径,mm 采用硬质合金自转位刀具切削碳化硅晶须增强铝基复合材料 (SiC w ) 有如下特点 : (1) 切削力较小, 尤其是背吃刀抗力可减小 30% ~60%, 峰值可减少 70% ~80% (2) 切入和切出都很平稳, 切削力峰谷值变化较小, 刀具磨损轻微, 切削中低体积分数的复合材料时, 刀具的寿命可与金刚石刀具相比 (3) 加工时宜采用较高的切削速度和较大的进给量进行切削加工 (4) 已加工表面粗糙度值较小 (5) 自转位刀具是切削加工中低体积分数的碳化硅晶须增强铝基复合材料比较理想的刀具之一参考文献 1 CarolineJEAndrewes.Machiningofanaluminum/SiCcompositeusingdiamondinserts[J].JournalofMaterialsProcessing Technology,2000,102(1~3):25~29. 2 王大镇, 冯培锋, 赵清亮, 等. 航天铝基复合材料零部件超精密加工技术研究 [J]. 宇航学报,2006(6):1341~1346. WangDazhen,FengPeifeng,ZhaoQingliang,etal.Studyontheultraprecisionmachiningtechnologyofaluminum matrix compositeastronauticparts[j].journalofastronautics,2006(6):1341~1346.(inchinese) 3 ChenPing.High performancemachiningofsic whisker reinforcedaluminium compositebyself propeledrotarytools[j]. AnnalsoftheCIRP,1992,41(1):59~62. 4 YuanZJ,GengL.UltraprecisionmachiningofSiC w /Alcomposites[J].AnnalsoftheCIRP,1993,42(1):107~109. ( 下转第 210 页 )

6 210 农业机械学报 2010 年 5 邓建新, 曹同坤, 艾兴.Al 2 O 3 /TiC/CaF 2 自润滑陶瓷刀具切削过程中的减摩机理 [J]. 机械工程学报,2006,42(7): 109~113. DengJianxin,CaoTongkun,AiXing.FrictionreducingmechanismsofAl 2 O 3 /TiC/CaF 2 self lubricatingceramictoolin machiningprocesses[j].chinesejournalofmechanicalengineering,2006,42(7):109~113.(inchinese) 6 石淼森. 固体润滑技术 [M]. 北京 : 化学工业出版社, 阎逢元, 林新华, 周惠梯, 等. 铝基镶嵌材料的磨损特性及耐磨机理 [J]. 摩擦学学报,1999,19(3):271~274. YanFengyuan,LinXinhua,ZhouHuiti,etal.Thewearbehaviorsandanti wearmechanism ofaluminum basedembedded composites[j].tribology,1999,19(3):271~274.(inchinese) 8 刘如铁, 李溪滨, 熊拥军, 等. 镶嵌 PTFE 镍基固体自润滑材料的研究 [J]. 润滑与密封,2005(6):55~57. LiuRutie,LiXibin,XiongYongjun,etal.Studyonnickelbasesolidself lubricatingmaterialsstuddedwithptfe[j]. LubricationEngineering,2005(6):55~57.(inChinese) 9 JaydeepK,IoanN,EfstathiosIM.SlidingwearbehaviorofPTFEcomposites[J].Wear,2002,252(5~6):361~ BroshchevaPN,OkhlopkovaA A,YuchyugyaveaTS.Theefectofnaturalzeolitrockonthetribologicalbehaviorof polytetrafluorethylene[j].frictionandwear,2001,22(1):58~ DengJX,SongW L,ZhangH.Design,fabricationandpropertiesofaself lubricatedtoolindrycuting[j].international JournalofMachineTools& Manufacture,2009,49(1):66~ 陈日曜. 金属切削原理 [M]. 北京 : 机械工业出版社, [ 日 ] 中山一雄. 金属切削加工理论 [M]. 李云芳, 译. 北京 : 机械工业出版社, [ 日 ] 臼井英治. 金属加工力学 [M]. 廉云国, 徐东安, 陈振孟, 译. 北京 : 机械工业出版社, ( 上接第 225 页 ) 5 QuanYanmin,YuQixun,XieLijing.Studyontheadaptabilityofthickfilm diamondtooltocutingcomposites[j]. InternationalJournalofMachineToolsandManufacture,2002,42(4):501~ ChanKC,CheungCF.AtheoreticalandexperimentalinvestigationofsurfacegenerationindiamondturningofanAl6061/ SiC p metalmatrixcomposite[j].internationaljournalofmechanicalsciences,2001,43(9):2047~ 常兴, 庞学慧, 陈五一. 自滚切端铣刀 [J]. 工具技术,1995,29(11):2~8. ChangXing,PangXuehui,ChenWuyi.Self propeledrotaryfacemilingtool[j].tooltechnology,1995,29(11):2~8. (inchinese) 8 中山一雄. 金属切削加工理论 [M]. 李云芳, 译. 北京 : 机械工业出版社,1985:10~130.

一帽及芯杆是工汉武可伐合金材料业大学学报年封接焊料是银铜焊料银月铜二研制工艺流程绝缘瓷管的制作工艺温度下保温硫酸铝按在一月时转化为值等于用一月配料料在刚玉球磨罐中湿磨瓷管坯体

一帽及芯杆是工汉武可伐合金材料业大学学报年封接焊料是银铜焊料银月铜二研制工艺流程绝缘瓷管的制作工艺温度下保温硫酸铝按在一月时转化为值等于用一月配料料在刚玉球磨罐中湿磨瓷管坯体 !!! # % & 一帽及芯杆是工汉武可伐合金材料业大学学报年封接焊料是银铜焊料银月铜二研制工艺流程绝缘瓷管的制作工艺温度下保温硫酸铝按在一月时转化为值等于用一月配料料在刚玉球磨罐中湿磨瓷管坯体在球加入适量盐酸使料浆的小时磨好的料浆进行抽