供稿|李夢君

涂層刀具鉆削金屬基復(fù)合材料

供稿|李夢君

為改善金屬基復(fù)合材料的加工質(zhì)量，提高加工精度，對表面涂覆金剛石薄層的涂層刀具開展了鉆削實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，與未涂層刀具相比，涂層刀具軸向力小，磨損程度輕，鉆孔幾何輪廓規(guī)則且表面質(zhì)量好，是鉆削加工金屬基復(fù)合材料的優(yōu)先首選。

金屬基復(fù)合材料是以金屬或合金為基相、以顆粒和纖維等為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能，如高強(qiáng)度、耐高溫、彈性模量、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)導(dǎo)電導(dǎo)熱、抗輻射性能和阻燃阻潮等。因而在汽車、航空航天、軍工裝備、儀器儀表和船舶等領(lǐng)域都有較為廣泛的應(yīng)用。但硬度高且脆性大同樣是其突出的性能劣勢。特別是在深加工制作中，因硬脆、層間結(jié)合強(qiáng)度低且導(dǎo)熱性差，切削時極易出現(xiàn)分層和裂紋等狀況，破壞切削過程動態(tài)平衡，導(dǎo)致軸向力異常增大，切削熱產(chǎn)生量增加，從而造成刀具嚴(yán)重磨損[1-2]。

目前，刀具磨損已成為困擾金屬基復(fù)合材料加工質(zhì)量和精度的瓶頸因素。為了改善這一現(xiàn)狀，本文從提高刀具耐磨性能的角度，采用表面涂覆金剛石薄層的刀具進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了金屬基復(fù)合材料的鉆削加工刀具材料的新方向。

鉆削實(shí)驗(yàn)

為了改變切削金屬基復(fù)合材料過程中出現(xiàn)的刀具磨損，重新選取了表面涂覆金剛石薄層的刀具，并變切削為鉆削工藝，在數(shù)控鉆床上進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，見圖1。為消除非工藝因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能造成的干擾，實(shí)驗(yàn)前嚴(yán)格控制各種變量，主要進(jìn)行了表面修整處理，并制成多個相同尺寸規(guī)格的試件為樣本。實(shí)驗(yàn)中，以軸向力、鉆削加工前后刀具表面形貌及鉆孔形貌質(zhì)量作為評價指標(biāo)。軸向力的測定則采用自行搭建的由計算機(jī)、測力儀、電荷放大器和信號采集卡等儀器設(shè)備組成的測力系統(tǒng)。其中測力儀為壓電式三向測力儀，電荷放大器為其附帶設(shè)備。鉆削加工前后刀具表面形貌與鉆孔形貌的測量，采用工具測量顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，盡可能提高測量的信度。同時控制變量，保障在相同參數(shù)條件下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)控制組采用未涂層刀具，選取同樣的金屬基復(fù)合材料作為加工對象，測定軸向力，觀察鉆削加工前后刀具表面形貌以及鉆孔形貌。

圖1 涂層刀具外觀

軸向力變化

通過反復(fù)操作，綜合各種數(shù)據(jù)指標(biāo)不難看出，相同實(shí)驗(yàn)條件下涂層刀具的軸向力均小于未涂層刀具。以進(jìn)給速率0.6 mm/s和刀具轉(zhuǎn)速100 r/s為例，未涂層刀具對應(yīng)的軸向力分別為97和102 N，涂層刀具的分別為84和93 N，降低約13.4 %和8.8 %。原因在于，涂層減小了刀具參與切削過程的切削刃面積，從而降低了刀具前后刀面與金屬基復(fù)合材料切屑間的摩擦因數(shù)，導(dǎo)致軸向力減小。

雖然涂層刀具的軸向力與進(jìn)給速率呈正比關(guān)系，與刀具轉(zhuǎn)速呈反比關(guān)系，但與未涂層刀具相比，整體減小這一規(guī)律并未改變。依據(jù)切削原理，可以認(rèn)為進(jìn)給速率通過改變切削深度進(jìn)而影響刀具軸向力[3-4]。具體而言，進(jìn)給速率增大，鉆削過程中所受的阻抗力、摩擦力增大，致使刀面被持續(xù)擠壓，軸向力自然增大。而刀具轉(zhuǎn)速加快，一方面增大了切削速度，切削生熱量隨之增多，摩擦因數(shù)隨之減小；另一方面，切削厚度減小，去除材料的變形幾率降低，變形程度減弱。由此，導(dǎo)致軸向力呈現(xiàn)遞增趨勢。

刀具表面形貌及鉆孔形貌

鑒于后刀面為鉆削過程中刀具磨損最為嚴(yán)重的部位[5]，因此，實(shí)驗(yàn)中著重針對刀具后刀面形貌的變化進(jìn)行了對比分析。相同實(shí)驗(yàn)條件下，采用鉆削工藝加工金屬基復(fù)合材料后，涂層刀具和未涂層刀具的后刀面均存在著磨痕和凹坑。但程度明顯不同，相比較而言，涂層刀具表面磨痕較淺、較勻稱且只出現(xiàn)在局部區(qū)域，見圖2。這主要是因?yàn)榻饎偸繉拥膬?yōu)異性能在鉆削過程中賦予涂層刀具耐磨耐熱的特性，間接減輕了刀具表面磨損程度。反觀未涂層刀具，磨痕明顯且遍及表面，這主要是鉆削過程中刀具與金屬基復(fù)合材料撞擊，形成了深淺不均、無序排布的凹坑。通過數(shù)據(jù)分析，由于金屬基復(fù)合材料硬脆且導(dǎo)熱差的特性，導(dǎo)致鉆削過程中生熱積聚并傳遞至刀具切削刃與切屑交接界面，加之切屑的持續(xù)擠壓摩擦，造成了未涂層刀具后刀面嚴(yán)重磨損[6]。

而通過對鉆削成孔的局部形貌觀察，詳見圖3，涂層刀具鉆孔的幾何形狀較為規(guī)整，孔壁面無毛刺，形貌質(zhì)量較好。未涂層刀具鉆削的孔壁輪廓形狀欠規(guī)整、毛刺密集且出口存在明顯的分層。由此可見，涂層刀具鉆削工藝的確是加工金屬基復(fù)合材料的不二首先。

圖2 鉆削加工金屬基復(fù)合材料刀具后刀面形貌對照: (a) 涂層刀具; (b) 未涂層刀具

圖3 鉆削孔局部形貌對照: (a) 涂層刀具; (b) 未涂層刀具

結(jié)束語

為了改善金屬基復(fù)合材料的加工質(zhì)量，提高加工精度，通過對涂層刀具鉆削實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為涂層刀具相較未涂層刀具的軸向力小，磨損程度輕，鉆孔幾何輪廓規(guī)則且表面質(zhì)量好，在鉆削加工金屬基復(fù)合材料上更具優(yōu)越性。

[1] 高宏力, 許明恒, 傅攀. 基于動態(tài)樹理論的刀具磨損監(jiān)測技術(shù). 機(jī)械工程學(xué)報, 2006, 42(7): 227-230.

[2] 熊良山, 嚴(yán)曉光, 張福潤. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ). 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2007.

[3] 周澤華, 于啟勛. 金屬切削原理. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1993.

[4] 艾興, 劉戰(zhàn)強(qiáng), 趙軍. 高速切削加工技術(shù). 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003.

[5] 謝峰, 劉正士, 楊海東. 金屬切削刀具前、后刀面摩擦狀況的數(shù)值模擬. 應(yīng)用科學(xué)學(xué)報, 2004, 22(2): 223-227.

[6] 劉東, 陳志同, 陳五一. 碳纖維復(fù)合材料高速鉆削實(shí)驗(yàn)研究. 工具技術(shù), 2009, (7): 10-13.

Metal Matrix Composites Drilling with Coated Tool

/ LI Meng-jun

10.3969/j.issn.1000–6826.2015.03.17

李夢君(1972—), 女, 德州人, 副教授, 主要研究方向: 材料工程, E-mail: dzlmj253000@163.com。通信地址：253000德州市德城區(qū)如意苑7號樓2單元102。

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系, 山東 德州 253000