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SiCp/ZL201復合材料切削加工性能研究

時間:2011-05-28 08:55:13 來源:未知

1 前言

顆粒增強鋁合金復合材料，其價格低廉，性能優良，生產工藝簡單，成為新材料研究的一個重要領域和發展方向。特別是顆粒增強鑄造鋁合金復合材料，其性能可用選擇不同的基體合金，改變加入物的數量、大小和分布來進行調整。由于硬的碳化硅等顆粒分布在較軟的鋁合金基體中，使復合材料的切削加工性能同基體合金差別較大。目前用刀具切削仍然是金屬基復合材料的重要加工方法，研究復合材料的切削加工性能對保證零件的加工質量，降低生產成本，提高生產效率等有著非常重要的意義。但顆粒增強鑄造鋁合金復合材料切削加工性能的研究報導很少。影響材料切削加工性能的因素較多，而材料對刀具的磨損速度及工件表面的粗造度是表征其切削加工性能的重要方面。本文用硬質合金YG6和高速鋼W18Cr4V為切削刀具，研究了碳化硅顆粒增強ZL201合金復合材料的切削加工性能，探討了切削加工機理，以便為正確制定顆粒增強鑄造鋁合金復合材料的切削加工工藝提供依據。

2 試驗方法

復合材料用熔體攪拌法制取，基體合金及復合材料用金屬模澆鑄成?40mm坯料，基體合金為ZL201，試樣經淬火+完全人工時效處理。碳化硅顆粒平均直徑為14µm和80µm，選用四種復合材料進行試驗：5%SiC-wt(14µm)、10%SiC-wt(14µm)、5%SiC-wt(80µm)、10%SiC-wt(80µm)。
切削刀具選用硬質合金YG6和高速鋼W18Cr4V車刀。刀具幾何參數為g=6°，a=8°，Kr=90°，K′r=15°，ls=0°。
在C6132普通車床上進行干切削試驗。選用兩組參數： ① vc＝28m/min，ap=0.4mm，f=0.2mm/r。② vc=72m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r。用讀數顯微鏡測量車刀后刀面的磨損值VB，用JSG—1型光切法顯微鏡測量復合材料己加工表面的粗糙度。

3 試驗結果及討論

  1. 碳化硅顆粒尺寸對切削性能的影響
    在不同的切削參數條件下，用硬質合金和高速鋼刀具切削復合材料和基體合金。試驗材料對刀具后刀面的磨損曲線如圖1、圖2所示。可見無論是高速鋼還是硬質合金刀具，在相同切削參數下，復合材料對其后刀面的磨損量均比基體合金大。為了比較不同復合材料對刀具后刀面的磨損速度，把圖中曲線進行一元線性回歸處理，其回歸方程的斜率即為該曲線對應復合材料對刀具的磨損速度(mm/min)。
    曲線的回歸方程為：
    曲線1：VB=0.012+0.061t
    曲線2：VB=0.017+0.034t
    曲線3：VB=0.018+0.018t
    曲線4：VB=-0.0145+0.013t
    (a)
    曲線的回歸方程為：
    曲線1：VB=0.028+0.082t
    曲線2：VB=0.007+0.042t
    曲線3：VB=0.0216t
    曲線4：VB=-0.0038+0.0148t
    (b)

    1-10%SiC(80µm)， 2-5%SiC(80µm)， 3-10%SiC(14µm)， 4-5%SiC(14µm)， 5-ZL201
    圖1 高速鋼刀具后刀面磨損曲線

    曲線回歸方程為：
    #p#分頁標題#e#曲線1：VB=0.015+0.045t
    曲線2：VB=0.0015+0.0285t
    曲線3：VB=-0.022+0.0152t
    曲線4：VB=-0.027+0.0096t
    (a)
    曲線回歸方程為：
    曲線1：VB=0.0012+0.058t
    曲線2：VB=0.030+0.030t
    曲線3：VB=0.015+0.0169t
    曲線4：VB=-0.015+0.0116t
    (b)

    1-10%SiC(80µm)， 2-5%SiC(80µm)， 3-10%SiC(14µm)， 4-5%SiC(14µm)， 5-ZL201
    圖2 硬質合金刀具后刀面磨損曲線
    ,dd>比較各圖曲線1、3和2、4的回歸方程斜率可知，碳化硅顆粒尺寸越大，復合材料對刀具后刀面的磨損速度也越快。特別是高速鋼切削10%SiC(80µm)復合材料時，刀具磨損很快，切削不到3分鐘，磨損量就超過0.2mm(圖1)。說明高速鋼切削粗顆粒碳化硅增強鋁合金復合材料是不合適的。切削細碳化硅顆粒復合材料時，其對刀具的磨損速度遠小于切削粗顆粒復合材料。特別是對5%SiC(14µm)復合材料，高速鋼和硬質合金刀具均可對其連續切削較長時間，而且允許比較高的切削速度。比較圖1和圖2相同切削參數下的同號曲線可知，復合材料對高速鋼刀具的磨損速度大于硬質合金刀具。說明切削碳化硅顆粒增強ZL201合金復合材料時，硬質合金刀具的耐磨性要比高速鋼優良。這是因為碳化硅顆粒具有很高的硬度(HV2800)，顆粒在基體合金中的分布是無方向性、呈不連續分布。因此顆粒增強鑄造鋁合金復合材料具有各向同性。當碳化硅顆粒粗大時，切削過程中易受刀刃的擠壓、撞擊而轉動、破碎、甚至脫落。這就加強了硬的碳化硅顆粒對刀具的磨損及刮劃作用，增大了刀具后刀面的磨損速度。而碳化硅顆粒越細小，其在基體ZL201中的分布越彌散，切削時顆粒容易在切削變形區隨基體變形，也可以在切削力作用下將細的碳化硅顆粒壓進切屑中或已加工的工件表面，使刀具切削時，直接接觸碳化硅的幾率減小，從而減小對刀具的磨損速度，使常用的高速鋼W18Cr4V和硬質合金YG6刀具也能較長時間切削細碳化硅顆粒增強ZL201基復合材料。硬質合金比高速鋼有更高的硬度和耐磨性，在相同切削條件下，硬質合金比高速鋼磨損速度小。
  2. 碳化硅顆粒含量對切削性能的影響
    比較圖1、圖2中各曲線1、2和3、4可知，無論是14µm的碳化硅還是80µm的碳化硅，其復合材料中顆粒量越大，高速鋼和硬質合金刀具的磨損速度就越快。根據圖1a和圖2b，10%SiC(80µm)復合材料對高速鋼的磨損速度是5%SiC(80µm)復合材料的1.8倍；10%SiC(14µm)復合材料對硬質合金刀具的磨損速度是5%SiC(14µm)復合材料的1.4倍。試驗中切削80µm碳化硅顆粒復合材料時，硬質合金刀具前刀面上有細粉生成，碳化硅含量越大，形成的細粉狀物越多。這說明在切削復合材料時，部分碳化硅粗顆粒被刀具擠壓、破碎而飛濺到刀具前刀面上，形成細粉塵粒。部分細粉也可能是硬質合金中的硬粒被復合材料中的碳化硅擠脫而生成的，碳化硅顆粒含量越大，對刀具的磨損就越嚴重。而切削細顆粒碳化硅復合材料時，很少見到細粉出現。根據顆粒增強金屬基復合材料的強化機制，對細顆粒增強復合材料，碳化硅顆粒含量越大，復合材料的硬度及耐磨性越好，對刀具的磨損速度也就越快。
  3. 復合材料已加工表面的粗糙度
    比較圖1和圖2中同號曲線可知，同一種復合材料，切削加工參數②條件下對刀具的磨損速度比參數①條件下快，碳化硅顆粒尺寸越大，這種差別越大。這是由于切削速度不同所致，切削參數②的切削速度大，碳化硅硬顆粒對刀具的撞擊、磨損機會越多，刀具的磨損速度也就越快。 #p#分頁標題#e#
    觀察復合材料切屑表明，碳化硅顆粒尺寸對復合材料的切屑形狀也有影響。顆粒尺寸越大，切屑越短，底面越不連續，橫裂紋越多，橫向變形越明顯，切屑外觀越粗糙。碳化硅顆粒越細小，切削連續性越好，切屑底面越平整，橫裂紋越少。兩種參數條件下復合材料已加工表面的粗糙度Ra值如圖3所示。由圖可知，碳化硅顆粒尺寸越大，復合材料的表面粗糙度越大。對碳化硅粒徑為80µm的復合材料，粗糙度隨碳化硅顆粒含量的增大而增大；而碳化硅粒徑為14µm復合材料，粗糙度隨碳化硅顆粒含量增大而減小。這是因為在切削過程中，復合材料中的粗碳化硅顆粒受刀具的擠壓容易破碎和脫落，增大了切削過程中的機械摩擦，使已加工復合材料表面粗糙度增大。而復合材料中細碳化硅顆粒易被壓入切屑和已加工工件表面，且復合材料的硬度隨碳化硅含量增加而增大，使細碳化硅顆粒的復合材料粗糙度隨顆粒含量的增加而減小。

(a)高速鋼刀具切削
(b)硬質合金刀具切削圖3 復合材料加工表面粗糙度

4 結論

  1. 高速鋼或硬質合金刀具可對細碳化硅顆粒的ZL201合金復合材料進行連續較長時間切削，而不宜切削加工粗碳化硅顆粒的ZL201合金復合材料。
  2. 碳化硅顆粒含量越大，復合材料對高速鋼和硬質合金刀具的磨損越快。在相同條件下，復合材料對高速鋼刀具的磨損速度大于硬質合金刀具的磨損速度。
  3. 碳化硅顆粒尺寸越大，復合材料加工表面的粗糙度越大，且隨顆粒含量的增加而增大；碳化硅顆粒細小，復合材料加工表面粗糙度小，且隨顆粒含量增加而減小。
  4. 碳化硅顆粒增強ZL201合金復合材料對高速鋼和硬質合金刀具的主要磨損為磨粒磨損。