SiCp/Al金屬基復合材料精密切削加工技術研究

李磊

（鄭州旅游職業學院 機電工程學院，鄭州 450000）

1 概述

金屬基復合材料的應用廣，其力學特性好，膨脹系數低[1]。顆粒增強金屬基復合材料加工難度大，并且隨著增強相的體積分數和顆粒尺寸的增大，它的加工難度隨之增加，傳統切削加工會導致劇烈的刀具磨損，甚至影響加工質量，以及由此帶來的高加工成本[2]。而特種加工技術則具有明顯優勢[3]。

2 精密切削技術研究

盛精[4]等通過仿真建模，得出生產加工進行切削要求設備精度比較高，成本高的特點。通過計算機仿真分析，可以對切削過程進行精準分析，節約了成本，又加快了科研進程。

2.1 力學分析

Pramanik[5]等建立了力學模型，研究切削過程中的切削力的影響因素及走勢。Dabade[6]等基于摩擦力學，研究刀具、切屑摩擦力，預測切削力的特點及走勢。王業甫[7]等建立超精密切削力學有限元仿真模型，發現刀具磨損加劇的主要原因之一是SiC 顆粒硬度和切削應力都過大導致。切削速度對刀具的磨損影響大。平均主切削力跟隨刀具切削速度變大而變大，刀具前角基本無變化，如圖1、圖2 所示。孔林雁[8]等發現切削力隨著刀尖圓弧半徑的減小而減小，切削速度變大后切削力開始變化明顯。正確選擇刀具，可以保證切削的順利進行，從而獲得質量更好的產品。如圖3 所示。

圖3 刀尖圓弧半徑影響切削力的曲線

2.2 表面質量控制

張德光[9]等認為SiCp/Al 復合材料在切削加工過程中，材料加工表面質量的最主要影響因素是切削參數和加工刀具，其次是顆粒特征及其分布。因此，優化切削參數和選擇確定刀具是解決加工表面質量問題的重要內容。Dabade[10]等比較了不同體積分數SiCp/Al 材料的切削表面，得出了較低體積分數的材料表面存在著較少的凹坑和裂紋等表面質量缺陷。反之，表面質量缺陷明顯的結論。葛英飛[11]等人研究顆粒增強型復合材料，?=35%，切屑的鋸齒形狀比較明顯。同時，增強顆粒占比越少，加工過程產生的微裂紋和孔洞越少。反之，孔洞越多，材料變形明顯，剪切角波動變化明顯。經過熱處理，材料硬度變大，整體變形不均勻性變化明顯，切屑的鋸齒形狀更趨明顯。崔巖[12]等調整機床切削參數，研究加工過程的速度對表面質量的影響控制。對刀具進給速度、機床主軸轉速進行對比發現，刀具進給速度變化時，工件表面質量影響大。機床主軸轉速的影響未呈現，如圖4 所示。

圖4 ?=35%，S=7μm ?=20%，熱處理

2.3 刀具磨損

葛英飛[13]等認為在切削SiCp/Al 復合材料過程中，SCD 刀具和工件振動比較嚴重，且SiC 增強顆粒對切削刃或前刀面具有頻繁的強力沖擊作用，刀具因此承受的沖擊應力較大。在上述因素作用下，當刀具刃口局部區域應力達到其脆性解理強度時，就會發生微小的脆性剝落或崩刃。即SCD 刀具脆性崩刃、剝落情況較嚴重。PCD刀具后刀面、前刀面和刃口部位都會發生明顯的磨損。增強顆粒在切削過程中對刀具進行不斷地刻劃和微切削，這使得金剛石和結合劑之間的結合遭到了破壞，使金剛石顆粒從刀具材料中脫落。進而得出了刀具的前刀面和后刀面分別呈現不同磨損的結論，如圖5 所示。王明海[14]等做了45%SiCp/Al 復合材料車削過程的刀具磨損和刀具的使用壽命分析，隨著切削進行，PCD 刀具的前刀面磨損加大，磨損形式呈現出磨粒磨損、晶粒脫落。后刀面磨損形式為磨粒磨損。段春爭[15]等做了不同鋁基體SiCp/Al 復合材料切削力與刀具的磨損研究，對比切削 SiCp/6063Al 和 SiCp/2024Al 材 料 發 現， 切 削SiCp/6063Al 時刀具前刀面粘結磨損加劇而顆粒磨損減少，刀具后刀面磨損程度相對較高，如圖6 所示。

圖5 SCD 刀具、PCD 刀具切削

圖6 SiCp/2024Al 刀具前刀面 SiCp/6063Al 刀具前、后刀面磨損 v=80m/min

3 填充精密切削材料的活塞應用

根據以上精密切削特點，設計一種超精密切削的復合材料汽車用活塞，發動機活塞工作條件要求高。為提高活塞的強度、硬度等力學性能，采用加入SiC 顆粒的復合材料進行試驗研究，但這樣將會增加加工難度。為此，我們建立活塞的微觀組織多尺度切削仿真模型，如圖7所示，進行仿真模擬分析運算，分析活塞的各個工況，得出其溫度和應力分布的結論符合理論形態。實驗實現了建模、加載和求解分析的全過程，提取出應力應變最大節點。并在此基礎上優化調整了活塞體的生產加工工藝和結構設計，驗證了以上理論研究。

圖7 活塞的ABAQUS 有限元分析

4 結論

SiCp/Al 復合材料應用越來越廣泛，切削加工作為其機械加工的主要方法，高效精密切削加工技術仍然是SiCp/Al 金屬基復合材料結構件的重要方法和重要研究課題。如通過正確合理地選擇加工參數和刀具，降低表面粗糙度，實現高質量表面控制，提高切削加工質量。

今后研究仍需進一步完善模型，建立更優化的仿真模型研究分析SiCp/Al 金屬基復合材料的切削加工工藝。進行機理研究，完善理論研究基礎，為生產提供工藝參數優化的依據和借鑒，促進PRMMCs 機械加工技術的進步。此外，相關成果與技術也可以推廣到到其它類型金屬基復合材料生產加工，促進復合材料機械加工行業和技術發展和有效實施。