高速铣削高体积分数SiCp/Al复合材料表面形貌及切屑机制的研究

于晓琳 黄树涛 赵文珍 周 丽 周家林

1.沈阳工业大学,沈阳,110178 2.沈阳理工大学,沈阳,110168

0 引言

碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料以SiC颗粒为增强相,以Al合金为基体材料,具有高比强度、高比刚度、耐磨损、热膨胀系数小、尺寸稳定等一系列优点[1]。SiC颗粒体积含量在50%以上的铝基复合材料不仅具有超高比模量、低膨胀及高导热等优异性能,而且在密度、热导率、热变形系数等关键指标上优于SiC,已成为替代微晶玻璃、石英玻璃、SiC材料等的重要空间反射镜材料[1-4]。随着SiCp/Al复合材料在各种领域的应用,对其精密、超精密加工技术,特别是提高表面完整性的加工方法及机理研究提出了迫切要求。SiCp/Al复合材料中增强相(SiC颗粒)与基体相(Al合金)截然不同的特性使其加工较单纯的金属或非金属难加工材料的加工更为困难,造成已加工表面缺陷极为严重,加工机理也更为复杂。为此,SiCp/Al复合材料的加工技术及机理已成为国内外机械制造领域的重要研究课题,实现其高完整性表面的加工方法和机理研究具有重要意义。

国内对SiCp/Al复合材料切削的研究集中于干式切削,研究切削液对其切削加工影响的较少。国外对切削方式的研究有不同结论,Hung等[5]认为切削液没有使加工性能恶化,也没有使其改善。Tomac等[6]认为切削液的作用很显著,湿式切削得到的表面精度比磨削更高。吴震宇等[7]对SiC颗粒体积分数为15%、粒度为14μm的SiCp/Al复合材料进行了干式高速铣削研究,认为适当的切削参数可以提高工件表面质量。张登友等[8]在研究CVD金刚石薄膜涂层刀具干式切削加工SiC不同颗粒大小(14～40μm)和体积分数(10%、20%)的SiCp/Al复合材料时发现,工件材料中的SiC含量越高,颗粒粒度越大,工件材料的切削性能就越差,刀具的磨损就越大。Davim[9]研究了切削用量与表面粗糙度Ra之间的关系并建立了经验公式。

切削过程是在高温、高压、高速下进行的,切屑的形成机理相当复杂。为在切削加工中有效控制屑形,提高加工效率,防止切屑拉伤工件的己加工表面,使表面粗糙度恶化,破坏已加工表面的完整性,学者们针对切屑已进行了较多研究。陈平[10]在对SiC颗粒的粒度为14μm、体积分数为18%的SiCp/Al复合材料进行切屑研究时发现,普通干式切削SiCp/Al复合材料的挤压变形和切屑变形较大,切屑短且卷曲变形小。Joshi等[11]研究了切削参数、颗粒尺寸、体积分数对切屑形成过程及形态的影响。切削粗颗粒的复合材料时,切屑有连续和崩碎两种形式,切削细颗粒的复合材料时得到连续切屑,随着颗粒尺寸的增大,切屑渐趋于崩碎。采用较大切深时,切屑呈螺旋状,切深小时得到C形切屑。

大多数研究集中在SiC颗粒体积分数在10%～20%之间、颗粒尺寸较小的SiCp/Al复合材料,而对于体积分数高、颗粒尺寸大的SiCp/Al复合材料的切削加工方面的研究较少,随着SiC颗粒增强相体积分数和颗粒尺寸的增大,其难加工特性变得更加明显,严重制约其优良性能的发挥和广泛应用。因此本文对高体积分数、大颗粒的SiCp/Al复合材料进行干式切削和水溶性冷却液浇注冷却下的湿式切削(下文简称为湿式切削)的对比实验,探讨相同切削参数下干式切削和湿式切削对加工表面粗糙度、表面形貌以及切屑形貌的影响。

1 实验条件与方法

工件材料是由北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室提供的CY1110型SiCp/Al复合材料,其金相照片如图1所示,其物理力学特性如表1所示。图1中不规则形状的块状物体为SiC颗粒,其余为铝合金基体。可以看出SiC颗粒平均尺寸及其体积分数都很大。

图1 SiCp/Al复合材料的金相照片

表1 材料的物理力学特性

实验机床为欧马ME650立式加工中心,其主轴功率为18.5k W,主轴最高转速可达 8000 r/min。刀具为瑞典SANDVIK公司生产的PCD单齿立铣刀,其直径d=12mm,刀具几何参数如下 ：主偏角 κr=90°,副偏角 κ′r=0°,刀尖圆弧半径rε=0.4mm 。

实验表面为立铣工件上表面,分别采用干式切削和湿式切削方式加工。铣削加工参数如下：切削速度v=300m/min,切削深度ap=0.3mm,每齿进给量af=0.2mm。

2 实验结果与分析

2.1 加工表面的形貌及其形成机理

SiCp/Al复合材料的增强相SiC颗粒与基体相铝合金的物理性能和力学性能极不相同：两者的导热性和热膨胀系数差别很大,铝合金具有比较好的塑韧性,SiC颗粒具有高强度、高硬度、高模量。因此,在切削热和切削力的作用下,存在着基体与增强相两者的协同变形问题,由此可能产生特殊的已加工表面结构。切削时SiCp/Al复合材料的不均匀性使得工件表面强度比较小并在有缺陷处极易形成微裂纹,微裂纹快速沿切削刃前方扩展、裂开形成分离面。切削刃分离面上的材料经剪切区形成切屑,切削刃分离面以下的材料经刀刃钝圆的熨压形成已加工表面,已加工表面并非全部由刀刃直接切出。

图2为干式切削和湿式切削时SiCp/Al复合材料已加工工件表面形貌的低倍SEM照片。SiCp/Al复合材料干式切削的表面形貌好于湿式切削的表面形貌。这是由于,切削时产生的高温会使铝基体软化,使其硬度降低,起连接作用并传递力的基体材料被软化后,复合材料的硬度也会有所降低,PCD刀具在高温下对已加工表面有熨压平整的作用,从而使加工表面较为平整。此外,刀具的熨压作用可使已加工表面发生延展和拉伸,产生基体材料的塑性流动,从而可弥合加工表面微观裂纹,减少应力集中。湿式切削时,虽然切削过程中有冷却液浇注冷却,但是由于PCD刀具与工件接触紧密,冷却液难以进入切削区,切削区的表层温度比较高。当刀具切出后,冷却液浇注冷却使工件表层温度急剧下降,从而在工件表面浅表层产生较大的应力,有可能获得含有坑洞和裂纹等较多加工缺陷的表面。冷却液的浇注使切削时脱落和破碎的SiC颗粒及细小切屑不会由于高温而粘连在工件表面,这点对提高工件表面加工质量是有利的。

图2 两种切削条件下工件表面形貌低倍SEM照片

图3 为SiCp/Al材料已加工表面形貌的高倍SEM照片。从图3易看出,已加工表面上存在着各种缺陷,如刀刃切削时在已加工表面形成的几何痕迹、SiC颗粒破碎和脱落留下的不规则凹坑等。加工中,有些SiC颗粒破碎,其中的一些碎屑留在原位或旋转后留在原位,另一些碎屑拔出形成凹陷或突出表面;有些SiC颗粒被刀具推挤在加工表面耕犁形成犁沟,这些颗粒可能脱落或被刀具压入表面。本实验获得的已加工表面不同于Dabade等[12]所研究的SiC体积分数小、颗粒尺寸小的SiCp/Al复合材料的加工表面,文献[12]中工件已加工表面有明显的Al基体涂抹于加工表面的现象。本实验采用的SiCp/Al复合材料体积分数和颗粒尺寸都很大(图1),基体的体积分数相对较小,因此不易形成犁沟及熔融基体涂抹表面的现象,但是有较多由于SiC颗粒被拔出所产生的凹陷及破碎的SiC颗粒。从图3可看出,干式切削工件表面(图3a)比湿式切削工件表面(图3b)质量好。在高速铣削情况下,湿式切削获得的已加工表面(图3b)出现较多由于SiC颗粒脱落、挤压破碎留下的表面缺陷,并且缺陷尺寸比较大,加工表面形貌差。这是由于,湿式切削时切削液使切削变形区域保持了较低的温度,使材料保持了高的强度,颗粒从基体中分离出来时,基体产生了更大的变形。

图3 高体积分数SiCp/Al复合材料已加工表面形貌高倍SEM照片

增强颗粒的体积分数和形状,尤其是颗粒大小对复合材料的已加工表面形貌影响非常大,增强颗粒大的复合材料已加工表面粗糙。SiC颗粒的去除方式主要有拔出、破碎和切断等,SiC颗粒的含量和平均尺寸越大,其拔出和破碎现象就越多,复合材料获得的加工表面粗糙度也越大,当SiC颗粒主要以切断方式被去除时,有望获得含有较少坑洞和裂纹等加工缺陷的表面。另外,在SiCp/Al复合材料中,基体与增强相之间的协同效应对其切削行为有很大影响,由于材料中的增强相是基体塑性变形的障碍,因而随着增强相SiC颗粒的增大,切削变形相应增大,加工表面粗糙度增大。

2.2 已加工表面的表面粗糙度

对已加工表面采用时代TR100袖珍式表面粗糙度测量仪进行表面粗糙度的测量。高体积分数SiCp/Al复合材料在两种切削方式下,表面粗糙度随切削距离的变化规律如图4所示。通过对比干式切削和湿式切削表面粗糙度曲线可以发现：不论是干式切削,还是湿式切削,都可以获得较小的表面粗糙度,且表面粗糙度在一个很小的范围内波动。干式切削和湿式切削表面粗糙度的变化趋势相似。无论是干式切削,还是湿式切削,工件已加工表面粗糙度在切削初期有一些波动,在切削后期较为稳定。干式切削已加工表面粗糙度Ra的平均值为1.766μm,Ra测量值范围为1.59～2.00μm;湿式切削已加工表面粗糙度Ra的平均值为1.727μm,Ra测量值范围为1.21～2.24μm 。

图4 切削过程中已加工表面粗糙度的变化

在相同的切削参数下,复合材料中增强相的颗粒尺寸及体积分数是影响其加工表面粗糙度的主要因素,文献[7,13]对SiC不同颗粒尺寸、不同体积分数的SiCp/Al复合材料进行了高速铣削研究,研究结果表明其表面粗糙度随颗粒尺寸和体积分数的增大明显增大。铣削速度也是影响SiCp/Al复合材料加工表面粗糙度的主要因素。文献[13]研究了高速铣削时不同切削速度对表面粗糙度的影响,结果表明随着切削速度的增大,表面粗糙度明显减小。这是由于切削速度增大时基体材料应变率增大,Al基体还来不及变形,SiC颗粒就被切断而不是拔出,因此产生的凹坑和裂纹较少,表面粗糙度较小。文献[13]实验中的铣削速度为132～195m/min,加工SiCp/Al复合材料的SiC颗粒尺寸和体积分数分别为32μm和20%,测得Ra的范围为 0.96～1.53μm。本文中的SiCp/Al复合材料SiC颗粒尺寸和体积分数都比文献[13]中的对应参数大,铣削速度也远高于其铣削速度,获得的表面粗糙度仅略大一些。可见对高体积分数、大颗粒的SiCp/Al复合材料进行高速铣削,能获得较理想的已加工工件表面。

整个切削实验过程中,干式切削和湿式切削的切削工件已加工表面粗糙度在切削初期都有波动,这与切削初期产生的刀刃微小崩刃有关。切削过程中的刀具磨损规律为：切削初期磨损速率较高,随后进入正常磨损阶段。PCD刀具在切削初期的主要磨损形态为微小崩刃和后刀面表层的微小剥落。不论是干式切削,还是湿式切削,切削初期的磨损形式相同。这是由于PCD刀具强度较低,在切削初期,锋利的PCD刀具切削刃在切削力和SiC颗粒机械冲击作用下产生了微小崩刃。工件已加工表面粗糙度在这一阶段产生波动,随后趋于稳定。由于高体积分数SiCp/Al复合材料中增强相SiC颗粒尺寸大,因此切削初期已加工表面粗糙度波动较明显。

2.3 切屑形成机理及切屑形貌分析

SiCp/Al复合材料内部组织具有不均匀性,其切削过程的本质与一般金属切削过程的本质有很大不同,切削变形有其自身的特点。切削变形区内,应力和应变的分布很不均匀,SiC增强颗粒承受较大应力,而基体则承受较大的应变,基体处于塑性状态时,增强颗粒则可能发生支解破裂。当刀具刚切入工件时,被切材料表层首先发生弹性变形,随即切屑在切削刃部开始产生裂口,刃前裂口迅速发生失稳扩展,使被切削材料产生不同方向的裂纹。裂纹贯穿整个切削厚度,形成不同规则的崩碎切屑。SiCp/Al复合材料裂纹的生成和扩展途径对切屑的生成起重要作用。Al合金基体的滑移受到SiC增强颗粒的阻碍形成微裂纹,这是裂纹形成的主要原因。基体与增强颗粒结合界面上的工艺缺陷也是裂纹的主要来源。当复合材料中大颗粒SiC含量增加到某个临界值时,颗粒的破坏就会成为复合材料断裂的控制因素。

切削SiCp/Al复合材料一般得到节状切屑。SiC颗粒的尺寸和体积分数对切屑形成过程及形态有很大影响。随着颗粒尺寸或体积分数的增大,切屑由连续渐趋于崩碎,这是由于随着增强颗粒含量的增加,切屑中的微孔洞和微裂纹的数量也增大,SiCp/Al复合材料切屑形态的不连续性显著。通过实验铣削高体积分数、大颗粒SiCp/Al复合材料得到的是卷曲半径很小的节状切屑,切屑的两侧有锯齿状的边缘。在剪切面上,当基体滑移到颗粒的界面时,由于增强相SiC颗粒和界面的阻挡,基体不能继续滑移,在界面附近产生位错塞积。当塞积达到某一程度、剪切力足够大且能够克服位错阻力时,滑移沿剪切力方向进行。在剪切区内,基体总是与破碎的增强相SiC颗粒一起滑移,滑移方向经常发生变化。实验材料增强相颗粒大、体积分数高、滑移方向不确定,导致切屑细碎、不规整呈节状。如图5所示,切屑的表面呈现不规则的层状破碎及褶皱,这表明SiCp/Al复合材料的切削过程不是完全的塑性材料的切削过程,具有类似硬脆性材料的破坏形式。这主要是由于SiCp/Al复合材料中夹杂的大量硬脆增强相SiC颗粒降低了基体材料的塑性,增强相SiC颗粒和基体的结合界面可能存在微观缺陷和微观裂纹,这些都使得复合材料的切削变形机理与基体金属的切削变形机理有所不同。实验得到的切屑不连续,中间含有大量显微裂纹,呈塑性或半塑性的节状。

图5 两种切削条件下切屑形貌SEM照片

从图5可以看出,湿式切削SiCp/Al复合材料时获得的切屑(图5b)比干式切削时获得的切屑(图5a)更细小,切屑表面存在较多裂纹。这是由于在SiCp/Al复合材料的切屑形成过程中,切屑的主要成因是裂纹的形成和扩展。湿式切削时,在水溶性冷却液的浇注下,刀具切削时产生的高温和刀具切出后的快速冷却使工件表面材料产生了较大的热应力,因此湿式切削已加工表面产生的微裂纹较干式切削要多。细小的切屑及破碎的SiC颗粒容易在刀具推挤下恶化加工表面,比连续的切屑更容易获得理想的加工表面。因此,从切屑形貌对加工表面质量的影响上考虑,干式切削好于湿式切削。

3 结论

(1)与普通铣削相比,干式或湿式高速铣削都可以获得表面完整性较好的工件已加工表面,SiCp/Al复合材料的干式切削的表面形貌好于湿式切削的表面形貌。干式切削时,在高的切削温度下,刀具的切削和熨压导致基体材料受热软化涂抹或熔融在加工表面,减小了表面粗糙度。湿式切削时,在切削液的作用下,工件表面温差较大,从而使工件表面浅表层底产生较大的应力,可能形成更多的微裂纹等加工缺陷。

(2)相对于体积分数小、颗粒尺寸小且铣削速度较低的SiCp/Al复合材料切削研究,本实验研究的干式切削和湿式切削都获得了较理想的表面粗糙度,工件已加工表面粗糙度在切削初期有一些波动,而在切削后期趋于稳定,这是由切削初期PCD刀具产生的微小崩刃造成的。

(3)在对颗粒尺寸大、体积分数高的SiCp/Al复合材料进行高速铣削时,切屑是卷曲半径很小的节状,比较细小。干式切削和湿式切削两种切削条件下,切屑形貌相差不大,均呈节状,只是湿式切削的切屑更细小。干式切削的切屑对已加工表面质量的影响好于湿式切削的切屑对已加工表面质量的影响。

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(编辑 张 洋)