(北京理工大學， 北京 100081)

近年來，SiCp/Al復合材料由于具有高強度、高硬度、高比強度、耐熱性好等優(yōu)異性能以及特殊的商業(yè)價值和技術價值，迅速取代了傳統(tǒng)材料，在汽車、航天、基礎建設和休閑產業(yè)中的應用越來越廣泛[1-3]。但是由于鋁基體中SiC顆粒的存在，加工時發(fā)生的急劇刀具磨損導致加工成本高、加工效率低下以及加工表面質量差，從而成為阻礙這類具有優(yōu)良性能的新材料廣泛應用的難題之一。

目前，國內外學者對于SiCp/Al復合材料的切削加工性過程進行了一系列研究。在刀具磨損方面，Hung等[4]驗證了幾種刀具磨損模型并總結出在加工SiC顆粒增強的金屬基復合材料時，先用未涂層的WC刀片進行粗加工然后用PCD刀具進行精加工是最經濟的加工方式。El-Gallab等[5-7]在研究Al/SiC/20p復合材料的切削性能時進行不同參數下的高速干式銑削試驗，強調表面質量和表面下的損傷程度，他們認為PCD刀具的壽命符合要求并發(fā)現高速銑削降低了表面質量。上海交通大學的吳震宇、王學根[8]等對SiCp/Al復合材料在高速銑削條件下的切削性能進行研究，發(fā)現涂層硬質合金銑刀在銑削過程中的主要磨損形式是涂層脫落與磨料磨損，且隨著銑削速度提高，單位時間內的切削體積增大，高強度增強顆粒的解離、破碎和脫落增多，導致切削力、切削振動和工件表面粗糙度也都隨之增大。哈爾濱工業(yè)大學的李丹、閆國成[9]發(fā)現硬質合金刀具除了典型的后刀面磨損外，還經常出現崩刃，并且隨著增強顆粒尺寸增大，崩刃現象也更加嚴重。Li等[10]采用涂層硬質合金刀對5% SiCp/Al復合材料進行了銑削試驗，研究了銑削速度（最高為88m/min）對刀具磨損的影響，并總結出刀具磨損隨著銑削速度的增加而加劇且后刀面的磨料磨損是主要的磨損形式。Sahin等[11-13]研究了增強相對SiCp/Al復合材料切削加工性的影響，發(fā)現刀具磨損隨著增強相平均粒度和體積分數的增加而增加。

由于現在對于高體積分數（超過30%）金屬基復合材料的切削加工性研究還很缺乏，本文針對65% SiCp/Al復合材料，采用3種不同幾何形狀的PCD刀具進行了一系列關于刀具磨損及刀具壽命的試驗，觀測了刀具磨損形貌并對PCD刀具的磨損形貌、磨損類型及原因進行了研究和分析。

1 試驗設計及過程

1.1 材料簡介

本研究所采用的SiCp/Al復合材料由哈爾濱工業(yè)大學提供。復合材料的基體材料為6063DL31鍛造鋁合金，基體中增強體顆粒為平均直徑10μm的SiC顆粒，其體積分數高達65%,如圖1（a）所示，具體的物理性能和XRD圖譜分析分別如表1和圖1（b）所示。

1.2 PCD刀具

研究SiCp/Al復合材料的切削加工性及刀具性能時發(fā)現SiC顆粒增強相的存在會導致普通刀具劇烈磨損，而PCD刀具的壽命最好，所以試驗中采用PCD刀具進行高速銑削。鑒于PCD刀具的價格較高，為了改善SiCp/Al復合材料的經濟加工性，研究不同幾何結構的刀具磨損和刀具壽命十分必要。

本文中使用的3把刀具均為臺灣制造的PCD雙刃立銑刀，刀具直徑均為6mm，PCD刀片的金剛石顆粒度平均尺寸均為7.5μm。PCD刀具的其他幾何參數以及3種刀具的端面分別如表2和圖2所示。

圖1 65% SiCp/Al復合材料的顯微結構和XRD圖譜分析Fig.1 Microstructure and XRD analysis of 65% SiCp/Al composites

表1 65% SiCp/Al復合材料的物理力學特性

表2 PCD刀具幾何參數

圖2 1#、2#、3#刀具端面圖Fig.2 End faces of 1#、2# and 3# PCD tools

1.3 試驗條件及方案

本文研究涉及的所有銑削加工試驗均在德國德瑪吉公司生產的DMU80 monoBLOCK五軸加工中心上完成。該五軸加工中心具備高速電主軸和內冷，其主要性能指標如下：主軸最高轉速24000r/min；主軸最大功率26kw；最快進給速度30m/min；定位精度0.008mm；重復定位精度0.005mm。試驗條件及參數如表3所示。

表3 試驗條件及參數

試驗過程中，主后刀面和前刀面磨損并不嚴重，故每經過一段時間采用蔡司Stereo Discovery V12體視顯微鏡和KEYENCE公司的VK-X200 3D激光掃描顯微鏡觀察刀具磨損情況，并測量副后刀面磨損VB值，直至刀具報廢。由于副后刀面的磨損帶非常不均勻，靠近刀尖位置的磨損最厲害，并向遠離刀尖的兩個方向逐漸減小直至為零，磨損帶總體呈現不對稱的拋物線狀，如圖3所示。所以在測量時，對副后刀面磨損最大部位測量3次后取平均值作為該參數下的副后刀面最大磨損VB值，記為VC。

目前關于PCD刀具的耐用度研究較少，所以還沒有制定出一個統(tǒng)一的磨鈍標準。根據實際切削試驗情況，當副后刀面VC值超過0.6mm時，機床加工過程中就開始出現振動（機床Z軸的實際切削深度不斷上下波動）和噪聲，工件的表面質量也開始逐漸惡化，因此本文PCD刀具耐用度試驗的磨鈍標準定為0.6mm。

圖3 VC值測量方法Fig.3 Measurement method of VC value

2 試驗結果

2.1 磨損曲線

3種刀具的磨損曲線如圖4所示。

圖4 PCD刀具磨損曲線Fig.4 Wear curves of three PCD tools

從圖4中可以看出，在銑削參數相同的情況下，1#刀具耐用度最好，刀具的耐壽命約為60min；其次是3#刀具，壽命約為35min； 2#刀具壽命最短，約為17min。3者在初期磨損階段的磨損速度相差不大，大約磨損1min之后，1#刀具進入正常磨損階段，而2#和3#刀具則從開始便處于劇烈磨損階段。

結合圖3可知，由于1#刀具的兩片刀刃之間留有間隙，這種結構十分方便排屑，從而使大量切削熱由刀具迅速帶離，大大降低了PCD刀具刃部的溫度，因此降低了PCD刀具中金剛石的石墨化程度，進而提高刀具的使用壽命。雖然這種結構的刀具剛度不如2#和3#刀具，但是由于高速銑削中的切削力較小，所以因刀造成的影響基本上可以忽略不計。對于2#刀具，雖然剛度較高，但是由于其不合理的設計造成了排屑不便，導致在銑削過程中切削熱不斷累積，加速了該刀具中金剛石顆粒的石墨化速率和氧化磨損速率。而對于3#刀具，由于小螺旋角的存在，同一切削刃上同時切入工件刃長長，切削阻力大，刀具承受切削沖擊力大，因而刀具磨損大。因此，在PCD刀具高速銑削SiCp/Al復合材料時，合理的刀具幾何結構設計能夠極大地提高刀具的耐用度和經濟加工性。

2.2 PCD刀具前后刀面磨損形態(tài)分析

與切削普通塑性金屬材料相比，PCD刀具在切削SiCp/Al復合材料時，前刀面并沒有出現月牙洼磨損。這是由于高體積分數SiC顆粒的SiCp/Al復合材料塑性較差，PCD刀具切削時與材料的接觸長度較小，并且金剛石材料的導熱性能好，切削熱不易于在前刀面聚集。除此之外，高速切削形成的切屑能夠帶走切削過程中產生的大部分熱量。因此PCD刀具前刀面的磨損主要集中在刀尖部位，在磨損初期以刃口邊緣的微崩和小片材料剝落為主要形式，如圖5（a）所示。

圖5（b）展示了磨損后期PCD刀具前刀面刀尖處的磨損形態(tài)。從照片可以看出，PCD刀具的刀尖部位磨損非常劇烈，刀尖的圓角形狀已經幾乎被磨禿，裸露出金剛石層內部的形貌。這是因為刀尖圓弧半徑太小導致強度降低，刀尖不斷受到銑削力的周期性沖擊，加之受到SiCp/Al復合材料中增強體SiC顆粒的刻劃和劇烈摩擦，因此刀尖部位最先開始磨損和破損。

圖5 磨損初期和后期PCD刀具前刀面Fig.5 Rake faces of PCD tool at initial and later worn stage

PCD刀具在切削SiCp/Al復合材料發(fā)生磨損之后，刃口不再鋒利，刀具后刀面與材料接觸面積逐漸變大，SiCp/Al復合材料中的SiC顆粒在主、副后刀面上刻劃出一條條的溝紋，如圖6所示。

2.3 PCD刀具磨損機理分析

通常來說，刀具正常磨損主要是由機械磨損、熱和化學磨損3種磨損造成的。機械磨損主要是由工件材料中硬質點的刻劃作用引起的，熱和化學磨損則是由于粘結、擴散、氧化、腐蝕等引起。由于試驗所采用的銑削參數較小，屬于精加工范疇，因而產生的切削熱也較少，而PCD刀具中的金剛石發(fā)生石墨轉化的溫度高達700℃以上，因此，PCD刀具發(fā)生擴散磨損和化學磨損的概率較低。

圖6 磨損后期PCD刀具主后刀面和副后刀面Fig.6 Major flank and minor flank of PCD tool at later worn stage

2.3.1 磨粒磨損

在高速銑削SiCp/Al復合材料時，PCD刀具磨損的主要原因是機械磨損，也就是硬質點磨損，如圖7所示。PCD刀具的硬度遠遠高于SiCp/Al復合材料的基體，但是工件材料中存在大量SiC硬質顆粒，而且加工過程中也有部分松動脫落的金剛石顆?；烊肭昂蟮睹?，這些硬質點不斷與PCD刀具發(fā)生高頻刻劃和劇烈摩擦，就像砂輪一樣“刃磨”著PCD刀具的前、后刀面。一旦PCD刀具金剛石層下方的新鮮部分在“刃磨”中裸露出來，PCD刀具將進入劇烈磨損階段。

圖7 PCD刀具主、副后刀面的磨粒磨損Fig.7 Abrasive wear on major flank and minor flank of PCD tool

2.3.2 積屑瘤

由于該復合材料的熱導率遠小于PCD刀具，鋁基體在切削過程中易被熱軟化發(fā)生塑性流動，通過機械鑲嵌作用，基體材料粘附在前刀面刃口部位的溝槽中形成積屑瘤。積屑瘤對刀具前刀面具有一定的保護作用，可以避免前刀面上進一步的磨粒磨損，如圖8所示，在刀具前刀面上除切削刃之外基本上沒有磨損。由此可見，在高速銑削工況下，采用PCD刀具加工SiCp/Al復合材料時，在前刀面上仍然會出現積屑瘤現象。

圖8 PCD刀具前刀面的積屑瘤Fig.8 Built-up edge on rake face of PCD tool

2.3.3 崩刃與刀具晶粒脫落

PCD刀具高速干切削SiCp/Al復合材料時，由于機械應力和熱沖擊的作用，使得切削刃局部產生細小缺口和微裂紋，這些細小缺口在銑削過程中易導致應力集中，使缺口周圍的裂紋不斷擴展，最終導致刀具崩刃，圖9（a）為刀具崩刃實物圖，圖9（b）為相應的3D高度圖，可見在刀尖附近的標志處出現了崩刃現象。如果崩刃的尺寸在磨損限度以內，則刀具還能繼續(xù)使用。

PCD刀具高速干切削SiCp/Al復合材料時，刀具初期磨損并不明顯，僅有較小的金剛石顆粒在SiC顆粒的沖擊下發(fā)生脫落。隨著切削的不斷進行，金剛石顆粒周圍的Co粘結劑不斷被刮除，一些尺寸較大的金剛石顆粒被暴露出來，當遇到較大沖擊力時，這種較大顆粒的金剛石顆粒發(fā)生脫落，形成凹坑狀表面形貌，如圖10所示。

2.3.4 粘結磨損

PCD刀具高速干切削SiCp/Al復合材料時，鋁基體容易粘結在刀具前刀面上形成積屑瘤，而積屑瘤脫落時往往將部分刀具基體材料撕裂，造成刀具材料的流失，從而使刀具在切削一定時間后發(fā)生明顯的粘結磨損。事實上，PCD刀具的抗剪、抗拉強度以及硬度都高于SiCp/Al復合材料，粘結點的破損大多發(fā)生在工件材料上。因此在切削時，只有極少的碎片從刀具表面撕裂下來，粘結磨損的速度遠遠低于磨粒磨損的速度，當發(fā)生可以觀測到的粘結磨損時，PCD刀具早已達到磨鈍標準，如圖11所示。

綜上所述，銑削SiCp/Al復合材料時PCD刀具磨損的最主要原因是材料中SiC顆粒造成的硬質點磨損，而粘結磨損發(fā)生的非常緩慢，所以粘結磨損并不是造成PCD刀具達到磨鈍標準的主要原因。

3 結論

通過對高速銑削SiCp/Al復合材料的PCD刀具磨損的試驗研究不難總結出，采用雙刃銑刀進行加工時，合理設計刀刃之間的間隙，不采用螺旋角可以延長刀具的使用壽命，提高SiCp/Al復合材料的經濟加工性。

通過對PCD刀具磨損形態(tài)的觀測和分析可知，PCD刀具的磨損形式主要是前刀面刀尖處的破損和主、副后刀面的不均勻磨損，對于小切深的高速銑削加工而言，刀具副后刀面的磨損最為嚴重。

圖9 刀具崩刃Fig.9 Tool tipping

圖10 晶粒脫落Fig.10 Grain breaking-off

圖11 PCD刀具副后刀面的粘結磨損Fig.11 Adhesive wear on minor flank of PCD tool

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