唐玲艷 牛秋林 李鵬南 劉 曉 邱新義

（1 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）（2 上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200240）

0 引言

在過去的幾十年，SiCp／Al復(fù)合材料已經(jīng)越來越多的用于航空航天工業(yè)和衛(wèi)星軸承、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、激光反射器的先進(jìn)武器系統(tǒng)。通過不同的制造技術(shù)使得高質(zhì)量的金屬基復(fù)合材料零件精準(zhǔn)化成型成為可能，但是為達(dá)到理想的表面質(zhì)量和有效的裝配尺寸公差，切削加工是不可替代的［1］。

金屬基復(fù)合材料的切削加工性能較差，所以它的切削加工難度大［2］，存在許多問題，例如刀具磨損大、切削力大以及容易形成毛刺等［3－5］。 Manna 等［6］研究了金屬基復(fù)合材料的機(jī)械加工性能；劉戰(zhàn)強(qiáng)等［7］對(duì)高速切削條件下切削力的變化規(guī)律做了深入的研究；張高峰等［8］采用硬質(zhì)合金涂層刀具開展SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金的切削加工，并分析硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)鋁合金的切削已加工表面損傷機(jī)理；Tamer Ozben等［9］研究了不同體積分?jǐn)?shù)的 SiCp／Al復(fù)合材料的力學(xué)性能和加工參數(shù)對(duì)刀具磨損和表面粗糙度的影響；葛英飛等［10］研究了切削用量、增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)和尺寸、刀具晶粒尺寸、冷卻條件及工件熱處理狀態(tài)等對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并探討了該材料高速銑削時(shí)的切屑形成機(jī)制［11］。以往的大多數(shù)文獻(xiàn)只研究了特定加工條件下已加工表面會(huì)出現(xiàn)某些損傷，而很少關(guān)注加工條件對(duì)已加工表面損傷的規(guī)律。本文采用單因素試驗(yàn)方法，研究切削速度、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量、徑向切寬和軸向切深4個(gè)因素對(duì)表面粗糙度的影響，探究加工參數(shù)對(duì)已加工表面損傷的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

硬質(zhì)合金涂層刀片（XOMX10T308TR－M09，F(xiàn)40M），刀片的主后角為15°，刀尖圓弧半徑為0.8 mm，有效刃長(zhǎng)為 9.3 mm，涂層材料為（Ti，Al）N－TiN，刀片安裝在直徑為20 mm的刀桿上。圖1是刀具幾何參數(shù)的示意圖。工件材料為SiCp／Al復(fù)合材料，SiCp體積分?jǐn)?shù)為20%。

圖1 刀具幾何參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic of tool geometry parameter

銑削試驗(yàn)在KVC800立式加工中心上進(jìn)行，該加工中心的主軸最高轉(zhuǎn)速為6 000 r／min。試驗(yàn)條件為干式銑削下的順銑。加工表面形貌采用型號(hào)為KEY?ENCE VHX－500FE的超景深三維顯微系統(tǒng)觀測(cè)。

采用單因素試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際加工中常用的工藝參數(shù)范圍，試驗(yàn)具體參數(shù)見表1。

表1 單因素銑削試驗(yàn)參數(shù)表Tab.1 Cutting parameter of single factor milling experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度

圖2為表面粗糙度的測(cè)量區(qū)域。在工件加工表面選取 R1、R2、R3、R4和 R5五個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域測(cè)量一個(gè)表面粗糙度值，最終的表面粗糙度值為這5個(gè)值的平均值。

圖3為表面粗糙度與各切削要素的關(guān)系曲線。由圖3（a）可知，當(dāng)切削速度＜120 m／min時(shí)，表面粗糙度隨切削速度的增大而增大。當(dāng)切削速度＞120 m／min時(shí)，表面粗糙度隨切削速度的增大而減小，這是由于切削速度的增大使得增強(qiáng)顆粒的主要去除形式變?yōu)榧羟腥コ?，減少了顆粒的壓入和拔出所形成的凸起和凹坑，從而使得表面粗糙度降低。

圖2 表面粗糙度的測(cè)量區(qū)域Fig.2 Measurement areas of surface roughness

圖3 表面粗糙度與各切削要素的關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship between surface roughness and the cutting factors

由圖3（b）可知，表面粗糙度值隨進(jìn)給量的增大而增大，進(jìn)給量在 0.02～0.06 mm／r時(shí)，表面粗糙度急劇增大，而＞0.06 mm／r后，增大較為平緩，由此可見，進(jìn)給量的增大對(duì)表面粗糙度的影響十分明顯。進(jìn)給量的增大，加工表面由于 SiC顆粒拔出、破碎而留下的坑洞、微裂紋、基體材料撕裂等缺陷也明顯增多［12］，同時(shí)也會(huì)增加積屑瘤和鱗刺的高度，加劇已加工表面的損傷［13］。 由圖 3（c）、（d）可知，表面粗糙度值隨徑向切深和軸向切深的增大而增大。

2.2 表面形貌

圖 4（a）～（e）對(duì)應(yīng)為圖 4（f）上標(biāo)記的（a）～（e）點(diǎn)的表面形貌，可以看到，從側(cè)棱邊到內(nèi)棱邊，小坑洞的數(shù)量由少變多，在靠近內(nèi)棱邊5 mm左右的地方［圖4（c）］數(shù)量最多，然后由多變少，靠近內(nèi)棱邊的表面小坑洞最少；同時(shí)，已加工表面損傷先變差然后變好，靠近內(nèi)棱邊的已加工表面損傷最小，靠近內(nèi)棱邊5 mm左右的地方［圖4（c）］損傷達(dá)到最大。由此可見，已加工表面的損傷跟刀尖在切過表面的路徑相關(guān)，小坑洞和表面損傷主要集中在離內(nèi)棱邊4～6 mm的范圍內(nèi)。因此在選擇徑向切深時(shí)，應(yīng)該盡量避免這個(gè)區(qū)域，選擇小于或等于4 mm的徑向切深。

圖 4 v＝120 m／min， f＝0.06 mm／r， ae＝10 mm， ap＝1.5 mm 時(shí)的表面形貌Fig.4 Surface morphology when v＝ 120m／min， f＝0.06mm／r， ae＝10mm， ap＝ 1.5mm

圖5 ～圖7所列出的形貌圖片均為已加工表面上破壞最為嚴(yán)重的區(qū)域。圖5為不同切削速度時(shí)的局部的表面形貌。由圖5可以看出，各加工表面均存在不同程度的損傷。在切削速度為40 m／min時(shí)，損傷面積最大，但整體深度不深（深度為33 μm）；而在切削速度120 m／min時(shí)，損傷深度最深（為67 μm）。

圖 5 不同切削速度時(shí)的表面形貌 ae＝6 mm， ap＝1.5 mm， f＝0.06 mm／rFig.5 Surface morphology in different cutting speeds ae＝6mm， ap＝1.5mm， f＝0.06mm／r

這是由于在切削速度40 m／min時(shí)，切削溫度較低，切削區(qū)保持較高硬度，前刀面上積屑瘤的生長(zhǎng)、脫落對(duì)加工表面造成的劃傷面積較大，但損傷深度較淺；而切削速度達(dá)到120 m／min時(shí)，切削區(qū)溫度較高，同時(shí)切削力較大，易使加工表面的材料撕裂，形成較深的表面損傷。隨著切削速度的進(jìn)一步增大，切削溫度升高，使得切屑變軟，積屑瘤的附著減小，同時(shí)切削力也減小，使得加工表面的損傷不論是面積還是深度均大大降低，故圖5（d）（e）的表面損傷相較于低速（＜120 m／min）時(shí)更小。

圖6是表面形貌隨進(jìn)給量的變化。從圖上可以看到，表面損傷隨著進(jìn)給量的增大而增大。進(jìn)給量增加，切削力增大，導(dǎo)致已加工表面損傷增大。

圖6 不同進(jìn)給量時(shí)的表面形貌 v＝120 m／min， ae＝6 mm， ap＝1.5 mmFig.6 Surface morphology in different feed v＝120m／min， ae＝6mm， ap＝1.5mm

圖7 為不同軸向切深和徑向切深的已加工表面形貌。從圖上看，不同軸向切深的表面損傷都比較嚴(yán)重，且表面損傷區(qū)別不是很大。徑向切深較大的表面損傷較大，徑向切深對(duì)表面質(zhì)量的影響較大。前面已經(jīng)分析了已加工表面的損傷跟刀尖在切過表面的路徑相關(guān)，刀尖在切過表面的路徑是造成徑向切深對(duì)表面質(zhì)量影響的重要因素。

圖 7 銑削加工表面形貌 v＝120 m／min， f＝0.06 mm／rFig.7 Cutting surface morphology with v＝ 120m／min， f＝0.06mm／r

綜上所述，切削速度、進(jìn)給量和徑向切深對(duì)已加工表面形貌的影響較大，而軸向切深對(duì)已加工表面形貌的影響較小。為了獲得較好的已加工表面，應(yīng)該選擇較大的切削速度（＞120 m／min），較小的進(jìn)給量和≤4 mm的徑向切深，對(duì)于影響較小的軸向切深根據(jù)加工余量進(jìn)行選擇。

3 結(jié)論

（1）隨著切削速度的增大表面粗糙度先增大后減少，在切削速度為120 m／min時(shí)達(dá)到峰值，且進(jìn)給量、徑向切深和軸向切深的增大使表面粗糙度增大。

（2）在SiCp／Al復(fù)合材料的銑削加工過程中，使用大的切削速度、較小的進(jìn)給量和≤4 mm的徑向切深能獲得較好的加工表面質(zhì)量，而軸向切深可以根據(jù)實(shí)際加工余量進(jìn)行選擇，這為選擇合適的實(shí)際加工參數(shù)提供參考。

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