金屬復合材料在機械加工中的應用研究

傅建紅

（新余學院，江西 新余 338004）

金屬復合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理或化學性質的金屬材料，在經過復雜的空間組合及排列之后形成的一個完整的材料體系。金屬復合材料出現以來，使得金屬、高分子等單質材料得到了更加廣泛的應用市場，將各類單質金屬材料的研制和使用經驗進行綜合，也進一步實現了對金屬材料及相關技術的升華。當前金屬復合材料被廣泛應用于航空航天、交通、醫療等領域當中，并且受到了材料界的重點關注[1]。通過對金屬材料的復合應用，不僅能夠提高原本每一種金屬材料的硬度、強度以及耐磨性能，同時還能夠在一定程度上降低材料塑性。但對于部分已經具備較高塑性的金屬材料而言，其強度和模量通常會在復合之后降低。因此，在選擇金屬復合材料時，應當首先明確其應用的實際需要，進而通過選擇不同金屬材料的方式，實現對相應性能的提升。

1 基于金屬復合材料的機械加工方法設計

1.1 機械加工刀具材料選擇

傳統機械加工方法當中采用的刀具通常為鋼質和硬質合金材料，但這種刀具在應用到金屬復合材料的加工當中時，很難滿足金屬復合材料的切削要求。針對這一問題，本文在設計基于金屬復合材料的機械加工方法時，首先結合金屬復合材料的實際特點，重新的刀具材料進行選擇。本文選擇將新型超硬刀具材料作為針對金屬復合材料機械加工的刀具，該材料采用多晶金剛石制成，是在金剛石高溫、高壓狀態下燒結而成，在使用的過程中具備高強度、高韌性的特點，因此適用于硬度和強度均較高的金屬復合材料[2]。為提高機械加工刀具的耐磨性，還需要在使用前，在刀具表面涂抹一層涂層材料，選擇粒度相對較細的材料，并確保涂層的厚度在5.8μm～6.5μm范圍以內，以此降低刀具表面的摩擦系數，不能夠提高其抗粘接性。

對于不同機械加工階段，也可對刀具材料進行合理選擇。例如，在精銑階段，可采用表面涂有氮鋁化鈦涂層材料的新型超硬刀具；在粗加工階段，由于加工余量相對較大，因此采用新型超硬刀具材料并不適合這一階段的加工，因此 可先用成本相對較低的氮化硼銑刀。圖1為機械加工刀具的磨損位置示意圖。

圖1 機械加工刀具的磨損位置示意圖

根據圖1所示內容，在進行機械加工的過程中，刀具的磨損共分為三種情況，分別為刀具主后面磨損、前刀面磨損以及二者同時磨損。因此，根據不同的機械加工操作，在使用刀具時，應當在其相應的磨損位置重點涂抹涂層材料，從而紡織刀具本身材料受到損傷。

1.2 基于金屬復合材料的機械加工設備與切削參數設置

通過對金屬復合材料的性能進行分析得出，這種材料在加工郭恒中還存在切削抗力大的問題，因此要求在進行機械加工的過程中加工機床的主軸結構扭矩需要增加，并且需要減緩走刀的速度。結合上述要求，首先需要利用粗銑在萬能銑上進行粗鏜操作，并將其切削參數設置為：主軸轉速在650r/min～850r/min；進給量控制在65mm/min～80mm/min；切削深度控制在1.25mm～1.75mm范圍以內。在實際應用中，吃刀深度應當控制在更深的位置，從而確保刀具不會受到更加嚴重的影響，并且刀具還需要始終保持在規定的鋒利狀態，以此避免出現金屬復合材料在機械加工的過程中出現崩角、掉渣等問題，影響后續零部件的加工質量。

其次，在利用半精銑加工時，在數控機床上需要對半精銑的外形、內腔以及半徑等參數進行控制，并合理安排銑外形減輕槽的尺寸大小，對于梯形槽結構其高度應當控制在70mm～85mm以內。

最后，再利用精銑進行加工時，需要在數控機床上對精銑的外形平面以及四個角的尺寸進行控制，在其四個不同的軸結構上還需要預留出多個孔結構[3]。利用精鏜加工時，應當找出正圓盤的中心位置，并確保其與主軸結構的中心重合度控制在0.002～0.003范圍以內，在確定精鏜四個軸結構的各個尺寸后，一次性完成裝夾工作。

由于在實際機械加工的過程中，存在部分零部件結構尺寸較大的問題，同時在高精度的要求下，更需要確保運轉機床的穩定。因此，在加工時還需要對圓工作臺進行調平處理，并確保其與水平墊鐵之間的共勉角度小于0.003。為進一步確保加工質量的精度，還需要制作一個精度相對較高的測量塊，將其垂直度和平行度均控制在0.001～0.002范圍以內，測量塊應當裝在金屬復合材料零件的兩側對稱中心線上，并將其作為輔助基準以此實現對轉態結構的誤差補償，從而保證兩個軸結構端孔上的同軸度均為0.02。根據上述操作完成對切削參數的設置后，還需要在各個階段將其余量部分盡可能控制在非常小的加工余量，以此確保銑在使用過程中的切削方向始終保持穩定。若在機械加工過程中，金屬復合材料零部件的結構更加復雜，則還需要將每一個程序進行分析，對多個程序進行走刀路徑方向調節，以此確保機械加工的質量。

1.3 合理選擇金屬復合材料裝夾方式

在大部分金屬復合材料當中都含有硬脆顆粒，同時加工過程中會伴有較大的切削抗力，因此在進行對金屬復合材料的裝夾時，必須保證裝夾牢靠，防止出現加工零部件的移位現象發生。因此為了在保證零部件穩定，并且防止過緊的壓力造成零部件出現精度降低的問題產生，本文采用多點壓緊的裝夾方式，完成對金屬復合材料的裝夾。圖2為金屬復合材料裝夾方式結構圖。

圖2 金屬復合材料裝夾方式結構圖

在傳統裝夾結構的基礎上，設置一塊平行度為0.002的專用壓板，并確保專用壓板在安裝過程中與螺孔的垂直度在0.004～0.006范圍之間，并在整個裝夾的過程中，始終保持專用壓板的壓緊力垂直向下。通過專用壓板的設置可以有效解決零部件安裝位置過高、過低的問題，保證裝夾的精度。

2 實驗論證分析

為驗證本文上述提出的基于金屬復合材料的機械加工方法在實際生產過程中的應用性能，選擇某環類零部件的機械加工圖紙作為實驗研究對象。分別利用本文提出的機械加工方法和傳統加工方法按照該零部件加工圖紙所標注的生產標準進行操作。為確保本文實驗的客觀性，在進行加工前，首先選擇多個該環類零部件不同結構上的參數作為實驗對比內容，分別為零部件兩軸線正交位置角度、零部件兩軸末端位置垂直度、零部件軸端小孔尺寸、零部件軸端大孔尺寸、零部件端止口橫截面長度、零部件端止口橫截面寬度，分別將不同實驗對比內容編號為A1～A6。完成兩種機械加工方法下的操作后，對其各個結構參數進行測量，并將相應技術要求與測量結果進行對比，得出如表1所示的實驗結果對比表。

表1 兩種機械加工方法實驗結果對比表

從表1中的數據可以看出，與傳統加工方法相比，本文提出的基于金屬復合材料的機械加工方法應用下，環類金屬零部件的格結構尺寸測量結果與機械加工圖紙中相應的技術標準相差更小，并且誤差精度均控制在合理范圍以內。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于金屬復合材料的機械加工方法在實際應用中能夠根據金屬復合材料的特點，通過更加合理的加工方式，實現對金屬零部件的高精度加工。將該機械加工方法應用于實際，能夠進一步提高金屬零部件加工場的生產質量和生產效率。

3 結語

本文通過開展金屬復合材料在機械加工中的應用研究，針對金屬復合材料的特性，提出一種全新的機械加工方法，并通過實驗進一步證明了該方法的實際應用性能。通過新的加工方法的實際應用能夠有效提高加工整體質量。但由于研究水平有限，對于降低機械加工成本、延長刀具使用壽命問題，還有待進一步的摸索和研究。