高速銑削高體積分數SiCp/Al復合材料表面形貌及切屑機制的研究

于曉琳 黃樹濤 趙文珍 周 麗 周家林

1.沈陽工業大學,沈陽,110178 2.沈陽理工大學,沈陽,110168

0 引言

碳化硅顆粒增強鋁基(SiCp/Al)復合材料以SiC顆粒為增強相,以Al合金為基體材料,具有高比強度、高比剛度、耐磨損、熱膨脹系數小、尺寸穩定等一系列優點[1]。SiC顆粒體積含量在50%以上的鋁基復合材料不僅具有超高比模量、低膨脹及高導熱等優異性能,而且在密度、熱導率、熱變形系數等關鍵指標上優于SiC,已成為替代微晶玻璃、石英玻璃、SiC材料等的重要空間反射鏡材料[1-4]。隨著SiCp/Al復合材料在各種領域的應用,對其精密、超精密加工技術,特別是提高表面完整性的加工方法及機理研究提出了迫切要求。SiCp/Al復合材料中增強相(SiC顆粒)與基體相(Al合金)截然不同的特性使其加工較單純的金屬或非金屬難加工材料的加工更為困難,造成已加工表面缺陷極為嚴重,加工機理也更為復雜。為此,SiCp/Al復合材料的加工技術及機理已成為國內外機械制造領域的重要研究課題,實現其高完整性表面的加工方法和機理研究具有重要意義。

國內對SiCp/Al復合材料切削的研究集中于干式切削,研究切削液對其切削加工影響的較少。國外對切削方式的研究有不同結論,Hung等[5]認為切削液沒有使加工性能惡化,也沒有使其改善。Tomac等[6]認為切削液的作用很顯著,濕式切削得到的表面精度比磨削更高。吳震宇等[7]對SiC顆粒體積分數為15%、粒度為14μm的SiCp/Al復合材料進行了干式高速銑削研究,認為適當的切削參數可以提高工件表面質量。張登友等[8]在研究CVD金剛石薄膜涂層刀具干式切削加工SiC不同顆粒大小(14～40μm)和體積分數(10%、20%)的SiCp/Al復合材料時發現,工件材料中的SiC含量越高,顆粒粒度越大,工件材料的切削性能就越差,刀具的磨損就越大。Davim[9]研究了切削用量與表面粗糙度Ra之間的關系并建立了經驗公式。

切削過程是在高溫、高壓、高速下進行的,切屑的形成機理相當復雜。為在切削加工中有效控制屑形,提高加工效率,防止切屑拉傷工件的己加工表面,使表面粗糙度惡化,破壞已加工表面的完整性,學者們針對切屑已進行了較多研究。陳平[10]在對SiC顆粒的粒度為14μm、體積分數為18%的SiCp/Al復合材料進行切屑研究時發現,普通干式切削SiCp/Al復合材料的擠壓變形和切屑變形較大,切屑短且卷曲變形小。Joshi等[11]研究了切削參數、顆粒尺寸、體積分數對切屑形成過程及形態的影響。切削粗顆粒的復合材料時,切屑有連續和崩碎兩種形式,切削細顆粒的復合材料時得到連續切屑,隨著顆粒尺寸的增大,切屑漸趨于崩碎。采用較大切深時,切屑呈螺旋狀,切深小時得到C形切屑。

大多數研究集中在SiC顆粒體積分數在10%～20%之間、顆粒尺寸較小的SiCp/Al復合材料,而對于體積分數高、顆粒尺寸大的SiCp/Al復合材料的切削加工方面的研究較少,隨著SiC顆粒增強相體積分數和顆粒尺寸的增大,其難加工特性變得更加明顯,嚴重制約其優良性能的發揮和廣泛應用。因此本文對高體積分數、大顆粒的SiCp/Al復合材料進行干式切削和水溶性冷卻液澆注冷卻下的濕式切削(下文簡稱為濕式切削)的對比實驗,探討相同切削參數下干式切削和濕式切削對加工表面粗糙度、表面形貌以及切屑形貌的影響。

1 實驗條件與方法

工件材料是由北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點實驗室提供的CY1110型SiCp/Al復合材料,其金相照片如圖1所示,其物理力學特性如表1所示。圖1中不規則形狀的塊狀物體為SiC顆粒,其余為鋁合金基體。可以看出SiC顆粒平均尺寸及其體積分數都很大。

圖1 SiCp/Al復合材料的金相照片

表1 材料的物理力學特性

實驗機床為歐馬ME650立式加工中心,其主軸功率為18.5k W,主軸最高轉速可達 8000 r/min。刀具為瑞典SANDVIK公司生產的PCD單齒立銑刀,其直徑d=12mm,刀具幾何參數如下 ：主偏角 κr=90°,副偏角 κ′r=0°,刀尖圓弧半徑rε=0.4mm 。

實驗表面為立銑工件上表面,分別采用干式切削和濕式切削方式加工。銑削加工參數如下：切削速度v=300m/min,切削深度ap=0.3mm,每齒進給量af=0.2mm。

2 實驗結果與分析

2.1 加工表面的形貌及其形成機理

SiCp/Al復合材料的增強相SiC顆粒與基體相鋁合金的物理性能和力學性能極不相同：兩者的導熱性和熱膨脹系數差別很大,鋁合金具有比較好的塑韌性,SiC顆粒具有高強度、高硬度、高模量。因此,在切削熱和切削力的作用下,存在著基體與增強相兩者的協同變形問題,由此可能產生特殊的已加工表面結構。切削時SiCp/Al復合材料的不均勻性使得工件表面強度比較小并在有缺陷處極易形成微裂紋,微裂紋快速沿切削刃前方擴展、裂開形成分離面。切削刃分離面上的材料經剪切區形成切屑,切削刃分離面以下的材料經刀刃鈍圓的熨壓形成已加工表面,已加工表面并非全部由刀刃直接切出。

圖2為干式切削和濕式切削時SiCp/Al復合材料已加工工件表面形貌的低倍SEM照片。SiCp/Al復合材料干式切削的表面形貌好于濕式切削的表面形貌。這是由于,切削時產生的高溫會使鋁基體軟化,使其硬度降低,起連接作用并傳遞力的基體材料被軟化后,復合材料的硬度也會有所降低,PCD刀具在高溫下對已加工表面有熨壓平整的作用,從而使加工表面較為平整。此外,刀具的熨壓作用可使已加工表面發生延展和拉伸,產生基體材料的塑性流動,從而可彌合加工表面微觀裂紋,減少應力集中。濕式切削時,雖然切削過程中有冷卻液澆注冷卻,但是由于PCD刀具與工件接觸緊密,冷卻液難以進入切削區,切削區的表層溫度比較高。當刀具切出后,冷卻液澆注冷卻使工件表層溫度急劇下降,從而在工件表面淺表層產生較大的應力,有可能獲得含有坑洞和裂紋等較多加工缺陷的表面。冷卻液的澆注使切削時脫落和破碎的SiC顆粒及細小切屑不會由于高溫而粘連在工件表面,這點對提高工件表面加工質量是有利的。

圖2 兩種切削條件下工件表面形貌低倍SEM照片

圖3 為SiCp/Al材料已加工表面形貌的高倍SEM照片。從圖3易看出,已加工表面上存在著各種缺陷,如刀刃切削時在已加工表面形成的幾何痕跡、SiC顆粒破碎和脫落留下的不規則凹坑等。加工中,有些SiC顆粒破碎,其中的一些碎屑留在原位或旋轉后留在原位,另一些碎屑拔出形成凹陷或突出表面;有些SiC顆粒被刀具推擠在加工表面耕犁形成犁溝,這些顆粒可能脫落或被刀具壓入表面。本實驗獲得的已加工表面不同于Dabade等[12]所研究的SiC體積分數小、顆粒尺寸小的SiCp/Al復合材料的加工表面,文獻[12]中工件已加工表面有明顯的Al基體涂抹于加工表面的現象。本實驗采用的SiCp/Al復合材料體積分數和顆粒尺寸都很大(圖1),基體的體積分數相對較小,因此不易形成犁溝及熔融基體涂抹表面的現象,但是有較多由于SiC顆粒被拔出所產生的凹陷及破碎的SiC顆粒。從圖3可看出,干式切削工件表面(圖3a)比濕式切削工件表面(圖3b)質量好。在高速銑削情況下,濕式切削獲得的已加工表面(圖3b)出現較多由于SiC顆粒脫落、擠壓破碎留下的表面缺陷,并且缺陷尺寸比較大,加工表面形貌差。這是由于,濕式切削時切削液使切削變形區域保持了較低的溫度,使材料保持了高的強度,顆粒從基體中分離出來時,基體產生了更大的變形。

圖3 高體積分數SiCp/Al復合材料已加工表面形貌高倍SEM照片

增強顆粒的體積分數和形狀,尤其是顆粒大小對復合材料的已加工表面形貌影響非常大,增強顆粒大的復合材料已加工表面粗糙。SiC顆粒的去除方式主要有拔出、破碎和切斷等,SiC顆粒的含量和平均尺寸越大,其拔出和破碎現象就越多,復合材料獲得的加工表面粗糙度也越大,當SiC顆粒主要以切斷方式被去除時,有望獲得含有較少坑洞和裂紋等加工缺陷的表面。另外,在SiCp/Al復合材料中,基體與增強相之間的協同效應對其切削行為有很大影響,由于材料中的增強相是基體塑性變形的障礙,因而隨著增強相SiC顆粒的增大,切削變形相應增大,加工表面粗糙度增大。

2.2 已加工表面的表面粗糙度

對已加工表面采用時代TR100袖珍式表面粗糙度測量儀進行表面粗糙度的測量。高體積分數SiCp/Al復合材料在兩種切削方式下,表面粗糙度隨切削距離的變化規律如圖4所示。通過對比干式切削和濕式切削表面粗糙度曲線可以發現：不論是干式切削,還是濕式切削,都可以獲得較小的表面粗糙度,且表面粗糙度在一個很小的范圍內波動。干式切削和濕式切削表面粗糙度的變化趨勢相似。無論是干式切削,還是濕式切削,工件已加工表面粗糙度在切削初期有一些波動,在切削后期較為穩定。干式切削已加工表面粗糙度Ra的平均值為1.766μm,Ra測量值范圍為1.59～2.00μm;濕式切削已加工表面粗糙度Ra的平均值為1.727μm,Ra測量值范圍為1.21～2.24μm 。

圖4 切削過程中已加工表面粗糙度的變化

在相同的切削參數下,復合材料中增強相的顆粒尺寸及體積分數是影響其加工表面粗糙度的主要因素,文獻[7,13]對SiC不同顆粒尺寸、不同體積分數的SiCp/Al復合材料進行了高速銑削研究,研究結果表明其表面粗糙度隨顆粒尺寸和體積分數的增大明顯增大。銑削速度也是影響SiCp/Al復合材料加工表面粗糙度的主要因素。文獻[13]研究了高速銑削時不同切削速度對表面粗糙度的影響,結果表明隨著切削速度的增大,表面粗糙度明顯減小。這是由于切削速度增大時基體材料應變率增大,Al基體還來不及變形,SiC顆粒就被切斷而不是拔出,因此產生的凹坑和裂紋較少,表面粗糙度較小。文獻[13]實驗中的銑削速度為132～195m/min,加工SiCp/Al復合材料的SiC顆粒尺寸和體積分數分別為32μm和20%,測得Ra的范圍為 0.96～1.53μm。本文中的SiCp/Al復合材料SiC顆粒尺寸和體積分數都比文獻[13]中的對應參數大,銑削速度也遠高于其銑削速度,獲得的表面粗糙度僅略大一些。可見對高體積分數、大顆粒的SiCp/Al復合材料進行高速銑削,能獲得較理想的已加工工件表面。

整個切削實驗過程中,干式切削和濕式切削的切削工件已加工表面粗糙度在切削初期都有波動,這與切削初期產生的刀刃微小崩刃有關。切削過程中的刀具磨損規律為：切削初期磨損速率較高,隨后進入正常磨損階段。PCD刀具在切削初期的主要磨損形態為微小崩刃和后刀面表層的微小剝落。不論是干式切削,還是濕式切削,切削初期的磨損形式相同。這是由于PCD刀具強度較低,在切削初期,鋒利的PCD刀具切削刃在切削力和SiC顆粒機械沖擊作用下產生了微小崩刃。工件已加工表面粗糙度在這一階段產生波動,隨后趨于穩定。由于高體積分數SiCp/Al復合材料中增強相SiC顆粒尺寸大,因此切削初期已加工表面粗糙度波動較明顯。

2.3 切屑形成機理及切屑形貌分析

SiCp/Al復合材料內部組織具有不均勻性,其切削過程的本質與一般金屬切削過程的本質有很大不同,切削變形有其自身的特點。切削變形區內,應力和應變的分布很不均勻,SiC增強顆粒承受較大應力,而基體則承受較大的應變,基體處于塑性狀態時,增強顆粒則可能發生支解破裂。當刀具剛切入工件時,被切材料表層首先發生彈性變形,隨即切屑在切削刃部開始產生裂口,刃前裂口迅速發生失穩擴展,使被切削材料產生不同方向的裂紋。裂紋貫穿整個切削厚度,形成不同規則的崩碎切屑。SiCp/Al復合材料裂紋的生成和擴展途徑對切屑的生成起重要作用。Al合金基體的滑移受到SiC增強顆粒的阻礙形成微裂紋,這是裂紋形成的主要原因。基體與增強顆粒結合界面上的工藝缺陷也是裂紋的主要來源。當復合材料中大顆粒SiC含量增加到某個臨界值時,顆粒的破壞就會成為復合材料斷裂的控制因素。

切削SiCp/Al復合材料一般得到節狀切屑。SiC顆粒的尺寸和體積分數對切屑形成過程及形態有很大影響。隨著顆粒尺寸或體積分數的增大,切屑由連續漸趨于崩碎,這是由于隨著增強顆粒含量的增加,切屑中的微孔洞和微裂紋的數量也增大,SiCp/Al復合材料切屑形態的不連續性顯著。通過實驗銑削高體積分數、大顆粒SiCp/Al復合材料得到的是卷曲半徑很小的節狀切屑,切屑的兩側有鋸齒狀的邊緣。在剪切面上,當基體滑移到顆粒的界面時,由于增強相SiC顆粒和界面的阻擋,基體不能繼續滑移,在界面附近產生位錯塞積。當塞積達到某一程度、剪切力足夠大且能夠克服位錯阻力時,滑移沿剪切力方向進行。在剪切區內,基體總是與破碎的增強相SiC顆粒一起滑移,滑移方向經常發生變化。實驗材料增強相顆粒大、體積分數高、滑移方向不確定,導致切屑細碎、不規整呈節狀。如圖5所示,切屑的表面呈現不規則的層狀破碎及褶皺,這表明SiCp/Al復合材料的切削過程不是完全的塑性材料的切削過程,具有類似硬脆性材料的破壞形式。這主要是由于SiCp/Al復合材料中夾雜的大量硬脆增強相SiC顆粒降低了基體材料的塑性,增強相SiC顆粒和基體的結合界面可能存在微觀缺陷和微觀裂紋,這些都使得復合材料的切削變形機理與基體金屬的切削變形機理有所不同。實驗得到的切屑不連續,中間含有大量顯微裂紋,呈塑性或半塑性的節狀。

圖5 兩種切削條件下切屑形貌SEM照片

從圖5可以看出,濕式切削SiCp/Al復合材料時獲得的切屑(圖5b)比干式切削時獲得的切屑(圖5a)更細小,切屑表面存在較多裂紋。這是由于在SiCp/Al復合材料的切屑形成過程中,切屑的主要成因是裂紋的形成和擴展。濕式切削時,在水溶性冷卻液的澆注下,刀具切削時產生的高溫和刀具切出后的快速冷卻使工件表面材料產生了較大的熱應力,因此濕式切削已加工表面產生的微裂紋較干式切削要多。細小的切屑及破碎的SiC顆粒容易在刀具推擠下惡化加工表面,比連續的切屑更容易獲得理想的加工表面。因此,從切屑形貌對加工表面質量的影響上考慮,干式切削好于濕式切削。

3 結論

(1)與普通銑削相比,干式或濕式高速銑削都可以獲得表面完整性較好的工件已加工表面,SiCp/Al復合材料的干式切削的表面形貌好于濕式切削的表面形貌。干式切削時,在高的切削溫度下,刀具的切削和熨壓導致基體材料受熱軟化涂抹或熔融在加工表面,減小了表面粗糙度。濕式切削時,在切削液的作用下,工件表面溫差較大,從而使工件表面淺表層底產生較大的應力,可能形成更多的微裂紋等加工缺陷。

(2)相對于體積分數小、顆粒尺寸小且銑削速度較低的SiCp/Al復合材料切削研究,本實驗研究的干式切削和濕式切削都獲得了較理想的表面粗糙度,工件已加工表面粗糙度在切削初期有一些波動,而在切削后期趨于穩定,這是由切削初期PCD刀具產生的微小崩刃造成的。

(3)在對顆粒尺寸大、體積分數高的SiCp/Al復合材料進行高速銑削時,切屑是卷曲半徑很小的節狀,比較細小。干式切削和濕式切削兩種切削條件下,切屑形貌相差不大,均呈節狀,只是濕式切削的切屑更細小。干式切削的切屑對已加工表面質量的影響好于濕式切削的切屑對已加工表面質量的影響。

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(編輯 張 洋)