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高速銑削（xuē）SiC”I複合材料PCD刀具磨損（sǔn）研究（jiū）

2016-12-16 來源：北京理工大學作者：叢（cóng）鵬泉，解麗靜，王濤，彭（péng）鬆（sōng）

摘要：通過（guò）3種不同幾何結構的PcD刀具高速銑削65％體積分數的SiCp腳(Al／Sic／65p)複合材料的對比試驗，建立了（le）磨損曲線，並對PcD刀具的磨損（sǔn）形貌、磨損類型及原因進行了研究和（hé）分析。研究結果表明，刀片之間留有間隙（xì）能有效減（jiǎn）少磨損，提（tí）高刀具使用壽命，小螺旋角的存在會加速磨損；PCD刀具主要磨損形式是機械（xiè）磨損(磨粒磨損)。

關鍵詞（cí）：高速銑削；SiCp／Al複合材料；PCD刀具；刀（dāo）具磨損

近年來，sicn，Al複合材料由於具有高強度、高硬度、高比強度、耐熱（rè）性好等優異（yì）性能以及特殊的商業價值和技術價值，迅速取代了傳統材料，在汽車、航天、基礎建設（shè）和休閑產業中的應（yīng）用越來越廣泛。但是由於鋁基體中sic顆粒的存（cún）在，加工時發（fā）生的急劇刀具磨損導致加工成（chéng）本高、加工效率低下以及加工表麵（miàn）質量差，從而成為阻礙這類具有優良性（xìng）能的新材（cái）料廣泛應用（yòng）的難題之一。

目前，國內外學者對於sicp，Al複（fù）合材料的切削加工性過程進行了一係列（liè）研究。在刀具磨損（sǔn）方麵，Hung等川驗（yàn）證了幾種刀具磨損（sǔn）模型並總結出在（zài）加工sic顆粒增（zēng）強的（de）金屬基（jī）複（fù）合材料時，先用未塗層的WC刀片進行（háng）粗加工然後用PcD刀具進行精加工是最經濟的加工方式。El—Gallab等p71在研究（jiū）Al，sic／20p複合材料的切（qiē）削性能時（shí）進行不同（tóng）參數下的高速幹（gàn）式銑削試驗（yàn），強調（diào）表麵質量和表麵（miàn）下（xià）的（de）損傷程度，他們認為PCD刀（dāo）具的壽命符合要求並（bìng）發現高（gāo）速銑削降低了表麵質量。上海交通大學的吳震宇、王學（xué）根隅1等對Sic。，A1複合（hé）材料在（zài）高速銑削條件下的切（qiē）削性能進行研究，發現塗層硬質合金銑刀在銑削（xuē）過程中的主要磨損形式是塗層脫落與（yǔ）磨料磨損，且隨著銑削速度（dù）提（tí）高，單位時間內的切削體積增大，高強度增強顆粒的解離、破碎和脫（tuō）落增多，導致切削力、切削（xuē）振動和工件表麵粗糙度也都隨之增大。哈爾濱工（gōng）業大學的李丹、閆（yán）國成l9l發現硬（yìng）質合金（jīn）刀具（jù）除（chú）了典型的（de）後刀麵磨損外，還經常出現崩刃，並且隨著增（zēng）強（qiáng）顆粒尺寸增大，崩刃現象也更加嚴重。“等（děng）”01采用（yòng）塗層硬質合金刀對5％sic。，Al複合材料進行了銑削（xuē）試驗，研（yán）究了（le）銑削（xuē）速度(最高為88m／min)對刀具磨損的影響，並總結出刀具（jù）磨損隨著銑削速度的增加而加劇且後（hòu）刀麵的磨料（liào）磨損是主要的磨損（sǔn）形式。Sahin等”1。B1研（yán）究了增強相對sicn／A1複合材料（liào）切削加（jiā）工性的影響，發現（xiàn）刀（dāo）具磨損隨著（zhe）增強相平均粒度和體積分數的增加而增加。由（yóu）於現（xiàn）在對於高體積分（fèn）數(超過30％)金屬基複合材料（liào）的切削加工性研究（jiū）還很缺乏，本文（wén）針對65％SiCD，Al複合材（cái）料，采用3種不同幾何形狀的PcD刀具進行了一係列關於刀具磨損及刀具壽（shòu）命的試驗，觀測了（le）刀具磨損形貌（mào）並對PCD刀具的磨損形貌、磨損類型及原因進行了研究和分析。

1.試（shì）驗設計及過程

1．1材料簡介

本研（yán）究所采用的sic。／Al複（fù）合材料由哈爾（ěr）濱工業大學提供。複合材（cái）料（liào）的基體（tǐ）材料為6063DL3 1鍛造鋁合金，基體中增強體顆粒為平均直徑10鬥m的sic顆粒，其（qí）體積分（fèn）數高達（dá）65％，如圖1(a)所示，具體的物理性能和xRD圖譜分析分（fèn）別如（rú）表1和圖1(b)所示。

1．2 PCD刀具

研究siC。／Al複合材料的切（qiē）削（xuē）加工性及刀具性能時發（fā）現SiC顆粒增強相的存在會導致普（pǔ）通刀具劇烈磨損，而PcD刀具的壽命最好（hǎo），所以試驗中采用PcD刀具進行高速銑（xǐ）削。鑒於PcD刀具的價格較高，為（wéi）了改善siCI，／Al複合材料的經濟（jì）加工性，研究不（bú）同幾何結構的刀具磨損和刀具壽命十分必要。

本文中使用的（de）3把刀具（jù）均為台灣製造的PcD雙刃立銑刀，刀具直徑（jìng）均為6mm，PCD刀片的金剛石顆粒度平（píng）均尺寸均為7．5鬥m。PcD刀具的其他幾何參數以及3種刀具的端（duān）麵（miàn）分別如表2和圖2所示。

圖1 65％SiC。／AI複合材料的顯微結構和×RD圖譜分析

表1 65％SiC。，AI複合材料的物理力學特性

表2 PCD刀具幾何參數

PCD刀具耐（nài）用度試驗的磨鈍標準定為0．6mm。

2.試驗結果

2．1磨損曲線

3種刀具的磨損（sǔn）曲線如圖（tú）4所示。

圖4 PCD刀（dāo）具磨損曲線

從圖4中可以看出，在銑削參數相同的情況下，1”刀具耐用度最好，刀具的耐壽命約為60min；其次是34刀具（jù），壽命約為35min；2。刀具壽命最短，約為17min。3者在初期磨損階段的磨損速度相差不大，大約磨損1min之後，14刀具進入正常磨損階段（duàn），而2。和3。刀具則從開始便處於劇烈磨損階段。

結合圖3可知，由於14刀具的兩片刀刃之間（jiān）留有間隙，這種結構十分方便排（pái）屑，從（cóng）而使大量切削（xuē）熱由（yóu）刀具迅速（sù）帶離，大大（dà）降低了PCD刀（dāo）具刃部的溫度，因此降低了PcD刀（dāo）具中金剛石的（de）石墨化程度，進而提（tí）高刀具的使用壽命。雖然這種結構的刀（dāo）具剛度不如24和34刀具，但是由於高速銑削中（zhōng）的切削力較小，所以因刀（dāo）造成的影響基本上可以忽略不計。對於24刀（dāo）具，雖然剛度較高，但是由於其不合理的設計造成了排屑不便，導致在銑削過程（chéng）中切削熱不斷累積，加速了該刀具（jù）中金（jīn）剛石顆粒的石墨化速率和氧化磨損速率。而對於38刀具，由於小螺旋角的存在，同一切（qiē）削刃上同時切人工件刃長長，切削（xuē）阻力大，刀具承受切削衝擊力大，因而刀具磨損大。因此，在PCD刀具高速銑削SiCp/Al複合材料時，合理的刀具幾何結構（gòu）設計能夠極大地提高刀具的耐用度和經濟加工性。

2．2 PCD刀具前（qián）後刀麵磨損形（xíng）態（tài）分析

與切（qiē）削普通塑性金屬材（cái）料相比，PCD刀具在切削SiCp/Al複合材料時，前刀麵（miàn）並沒（méi）有出現月牙窪磨損。這（zhè）是由（yóu）於高體積分數sic顆粒的SiCp/Al複（fù）合材料塑（sù）性較差，PcD刀具切削時與（yǔ）材（cái）料的接觸長度較小，並且金剛石材料的導熱性能（néng）好，切削熱不（bú）易於在前刀麵聚集。除此之外，高（gāo）速切削形成的切屑能夠帶走切削過程中產生的大部分熱量。因此PCD刀具前刀麵的磨損主（zhǔ）要集中（zhōng）在刀尖部位，在磨損初期以刃口邊緣的微崩和小片（piàn）材料剝落為主要形式，如圖5(a)所示。

圖5(b)展示了磨損後期PcD刀具前刀麵（miàn）刀尖處的磨損形態（tài）。從（cóng）照片可以看出，PCD刀具（jù）的刀尖（jiān）部（bù）位磨損非（fēi）常劇烈，刀尖的圓角形狀已經幾乎被磨禿，裸露出金剛石層內部的形貌。這是（shì）因為刀尖圓弧半徑太小導致強度降低，刀尖不斷（duàn）受到銑削力的（de）周期（qī）性衝擊，加之受到sic。／A1複合（hé）材料中增強體（tǐ）SiC顆粒的刻劃和劇烈摩擦，因此刀尖部位最先開始磨損和破損。

圖5磨損初期和後期PCD刀具（jù）前刀麵

PCD刀具在切削SiCp/Al複合材（cái）料（liào）發生磨損之後，刃口不再鋒（fēng）利，刀具後刀麵與材料接觸麵積逐漸變大，SiCp/Al複（fù）合（hé）材料中的SiC顆粒在主、副後刀麵上刻劃出一條條（tiáo）的溝紋，如圖6所示。

2．3 PCD刀具磨損機理分（fèn）析

通常來說，刀具正常（cháng）磨損主要是由機械磨損、熱和化學磨損3種磨損造成的。機械磨損主要是由工件材料中硬（yìng）質點的（de）刻劃作用引起的，熱和（hé）化學磨（mó）損則是由於

圖6屠（tú）損後期PCD刀具（jù）主後刀麵和副後刀麵

粘結、擴散、氧（yǎng）化、腐蝕等引起。由於試驗所采用的（de）銑削參數較小（xiǎo），屬於精加工範疇，因而產生的切削熱也較少，而PCD刀具中的金剛石發生石墨（mò）轉化的溫度高達700℃以上，因（yīn）此，PCD刀具發生擴散磨損和化學磨損的概率較低。

2．3．1磨粒磨（mó）損

在高速銑削sic。，Al複合材料時，Pc D刀具磨損的主要原（yuán）因是機械磨損，也就是硬質點磨損，如圖7所示。PcD刀具（jù）的硬度遠遠高於（yú）SiCp/Al複合材料的基體，但是工（gōng）件材料（liào）中存在（zài）大（dà）量sic硬質顆粒（lì），而（ér）且加（jiā）工過程中

圖7 PCD刀具主、副後（hòu）刀麵的磨粒磨損

也有部分鬆（sōng）動脫落的金剛石顆（kē）粒混入前後刀麵，這些硬（yìng）質點不（bú）斷與PcD刀具發生（shēng）高頻刻劃和劇烈摩擦，就像砂輪一樣“刃磨”著PcD刀具（jù）的前、後（hòu）刀麵。一旦PcD刀具金剛石層下方的新鮮部分（fèn）在“刃磨”中裸露出來，PcD刀具將進入劇烈磨損階段。

2．3．2積屑瘤

由於該複合材料的熱導率遠（yuǎn）小於PcD刀具，鋁基體在切削（xuē）過程中（zhōng）易被（bèi）熱軟化發生塑性流動，通過機械鑲嵌作用，基體材料粘附在前刀麵刃口（kǒu）部位的溝槽中形成（chéng）積屑瘤。積屑瘤對刀具前刀麵具有一定（dìng）的保護作用，可（kě）以避免前刀麵上進一步的磨粒磨損（sǔn），如圖8所示，在刀具前刀麵上除切削刃之外基（jī）本上沒有磨損。由此可見，在高速銑削（xuē）工況下（xià），采用PcD刀具加工sic。，Al複合材料時（shí），在前刀麵上仍然會出現積屑瘤現象（xiàng）。

2．3．3崩刃與刀具晶粒脫落

PcD刀具高速幹切削SiCp/Al複合材料時，由（yóu）於（yú）機械應力和熱衝擊的作用，使得切削刃局部產生（shēng）細小缺（quē）口微裂紋（wén），這些細小缺口在銑削過程中易導致應力集中，使缺口周圍的裂紋不斷擴展，最終導致刀（dāo）具崩刃，圖9(a)為（wéi）刀具崩刃實物圖，圖9(b)為相應的3D高度圖，可見在刀尖附近的標誌處出現了崩刃現象（xiàng）。如果崩刃的尺寸在磨損限度以內，則（zé）刀具還能繼續使用。PCD刀具高（gāo）速幹切（qiē）削（xuē）SiCp/Al複合材料時，刀具初期磨損並不明顯，僅有較小的金剛石顆粒在sic顆粒的衝擊下發生脫落。隨著切削的不斷進行，金剛石顆（kē）粒周圍的Co粘結劑不斷被（bèi）刮除，一些尺寸較大的金剛石顆粒被暴露出來，當遇到較大衝擊力時，這種較大顆粒的金剛石顆粒發生脫落，形（xíng）成凹坑狀表麵形貌，如圖10所（suǒ）示。

2．3．4粘結磨損

PCD刀具高速幹切削SiCp/Al複合材料時，鋁基體容易粘結在刀具前刀（dāo）麵上形成積屑瘤（liú），而積屑瘤脫落（luò）時往往將部分刀具基體材料撕裂，造成刀具材（cái）料（liào）的流失，從而使刀具在（zài）切削一（yī）定時間（jiān）後發生明顯的粘結磨損。事實上，PcD刀具的抗剪、抗拉強度（dù）以及（jí）硬（yìng）度都高於SiCp/Al複合材料，粘結點的破損（sǔn）大多發生在工件材料上。因此在切削時，隻有極（jí）少的碎片從（cóng）刀具表麵撕裂下來，粘結磨損的速度遠遠低於磨粒磨損（sǔn）的速度，當發生可以觀測（cè）到的粘結磨損時，PCD刀具早已達到磨鈍標準，如圖11所示。

綜上所述，銑削SiCp/Al複合材料時PcD刀具磨損的最（zuì）主要原因是材料中（zhōng）SiC顆（kē）粒造成的（de）硬質點磨損，而粘結磨損發生的非常緩（huǎn）慢，所以粘結磨損並不（bú）是造（zào）成PCD刀具達到（dào）磨鈍標準的主要原因。

3.結論

通過對高速銑削SiCp/Al複（fù）合材料的PCD刀具磨損的試驗（yàn）研究不難總結出，采用雙刃銑（xǐ）刀進（jìn）行加工時，合

圖9刀具崩刃

理設計（jì）刀（dāo）刃之間的間隙，不采用螺旋角可以延長刀具的使用壽命，提高SiCp/Al複合材料的經濟加工性。通過對PcD刀具磨（mó）損形態的觀測和分（fèn）析（xī）可知，PcD刀具的磨損形式主要是前刀（dāo）麵刀（dāo）尖處的破損和主、副後刀麵的不（bú）均勻磨損，對於小切深的高速銑削（xuē）加工而言，刀具副後刀麵（miàn）的磨損最為嚴重。

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