牛秋林 張深圳 荊露 李爽 李鵬南

（湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201）

0 引言

高硅鋁合金復合材料具有高導熱性、線脹系數(shù)低、剛度高、質(zhì)量輕等優(yōu)異的性能，被廣泛應用于電子封裝、軍工、航空、汽車等重要領(lǐng)域［1-2］。然而，高硅鋁合金在切削加工時，由于其含有大量的硬質(zhì)硅顆粒，易造成嚴重的刀具磨損，加劇加工表面質(zhì)量的惡化，屬于典型的難加工鋁基復合材料［3-4］。因此，開展有關(guān)切削參數(shù)對刀具磨損和表面粗糙度影響規(guī)律的研究，對于優(yōu)化切削加工高硅鋁合金的參數(shù)選擇，提高刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量具有較高的實際應用價值和指導意義。

近年來，針對切削加工硅鋁合金復合材料刀具磨損問題的研究，受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。T.WADA等［5］采用聚晶金剛石（PCD）刀具切削加工兩種不同粒徑的Al-17wt%Si 硅鋁合金，發(fā)現(xiàn)硅顆粒尺寸對加工過程中刀具磨損有著重要影響，并且，通過減小硅顆粒的大小，可以降低刀具的磨損程度。J.KUCZMASZEWSKI等［6］比較了無涂層、TiB2涂層與TiAlCN 涂層硬質(zhì)合金刀具，銑削硅鋁合金的切削性能，結(jié)果表明，涂層刀具的切削加工性更好，并且TiAlCN 涂層刀具更加適合切削硅鋁合金。Y.G.WANG等［7］對聚晶金剛石（PCD）刀具高速銑削硅鋁合金刀具磨損的機理進行了研究，試驗結(jié)果顯示，刀具前刀面的磨損形式為粘結(jié)磨損，后刀面的主要磨損形式為磨粒磨損和擴散磨損。張而耕等［8］利用含氫和無氫兩種DLC涂層刀具，進行了銑削加工ZL108硅鋁合金試驗，發(fā)現(xiàn)無氫DLC 涂層銑刀表現(xiàn)出更小的切削力、更低的刀刃磨損量和切屑黏附量。

綜上所述，目前針對切削加工硅鋁合金材料刀具磨損的研究，主要集中于不同類型刀具切削性能的比較、表面缺陷的形成機理分析，以及刀具的磨損機理分析，并且使用的硅鋁合金材料中硅含量較低，缺乏對高硅鋁合金及其切削參數(shù)的優(yōu)化等實際加工問題的基礎(chǔ)研究。為此，本文遵循綠色環(huán)保理念，采用干加工的方式，開展Al-50wt%Si 高硅鋁合金銑削試驗研究，重點分析切削參數(shù)對刀具后刀面磨損和表面質(zhì)量的影響，以及探究刀具磨損對表面質(zhì)量的影響，以期為開展高速、綠色切削高硅鋁合金選擇最優(yōu)切削參數(shù)提供試驗依據(jù)。

1 試驗條件及設計

1.1 試驗條件

Al-50wt%Si 高硅鋁合金材料（對應的國外牌號為CE11）是通過急速冷卻工藝制造成形，其金相組織結(jié)構(gòu)如圖1所示，物理和力學性能如表1所示。

表1 Al-50wt%Si高硅鋁合金物理及力學性能Tab.1 Physical and mechanical properties of Al-50wt%Si high silicon aluminum alloy

圖1 Al-50wt%Si高硅鋁合金金相圖Fig.1 Metallographic diagram of Al-50wt%Si high silicon aluminum alloy

干式銑削試驗（順銑）在KVC800/1 數(shù)控加工中心上進行，工件和刀具裝夾方式如圖2所示。試驗選用無涂層硬質(zhì)合金刀片（XOEX10T308FR-E05，H15），刀片前角21°，主后角15°，刀尖圓弧半徑為0.8 mm，其幾何結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。銑刀桿直徑為20 mm，每次試驗僅裝夾一個刀片。

圖2 試驗平臺Fig.2 Test platform

圖3 刀片幾何結(jié)構(gòu)Fig.3 Blade geometry diagram

1.2 試驗設計

采用單因素試驗方法，固定徑向切削寬度ae=5 mm，通過文獻研究可以得出高速高效銑削加工硅鋁合金材料的切削參數(shù)范圍［5-8］：80＜v＜400 m/min、0.05＜fz＜0.16 mm/z、0.5＜ap＜2.5 mm，從而，本文擬選定的切削參數(shù)如表2 所示。選用通用的后刀面磨損量（VB）評價參數(shù)，并以VB＞0.3 mm作為刀具磨損的評價標準。進行分段銑削，每次銑削350 mm 之后，采用VHX-500FE 超景深顯微系統(tǒng)和JITAI820 表面粗糙度儀，分別對刀具VB、表面粗糙度（Ra）進行測量。

表2 試驗切削參數(shù)Tab.2 Test cutting parameters

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 銑削參數(shù)對刀具后刀面磨損量的影響

圖4 為銑削參數(shù)對刀具后刀面磨損量的影響。依據(jù)刀具后刀面磨損量隨切削長度變化曲線的斜率變化，將刀具磨損劃分為3個階段：初期磨損（Ⅰ）、正常磨損（Ⅱ）、劇烈磨損（Ⅲ）。

由圖4（a）的變化趨勢圖可以得出，在切削長度為350 mm 階段，當每齒進給量為0.07 mm/z 和0.16 mm/z時，獲得較大的刀具后刀面磨損量，而隨著切削的進行每齒進給量為0.13 mm/z 時刀具磨損較劇烈，此外，在fz=0.16 mm/z 的切削條件下，顯示了明顯的刀具磨損三階段。在達到評價標準時，當每齒進給量從0.07 mm/z增加到0.16 mm/z時切削長度增加了3 倍。由此可知，在高進給量條件下，刀具可以獲得較長的使用壽命。這主要是由于在220 m/min 的高速切削條件下，高進給量致使切削溫度升高較快，鋁基體軟化顯著，刀具后刀面粘結(jié)程度增加，減少了后刀面與工件已加工表面之間的直接相互作用，對刀具后刀面起到一定的保護作用，從而形成了在高進給量條件下刀具后刀面磨損量較低的情況。

圖4（b）可以觀察到，隨著ap的增加，刀具VB基本呈增加的趨勢，并且刀具磨損均大致呈現(xiàn)磨損的3個階段。這主要是因為，隨著ap的增加，切削面積、切削力和摩擦程度隨之增加，導致刀具后刀面磨損量的增加；此外，切削溫度也將增加，鋁基體軟化，從而致使刀具后刀面磨損發(fā)生輕微的增加。另外，從實際加工的切削效率和加工成本方面考慮，由圖4（b）也可以看出，雖然軸向切削深度從1 mm 增加到2.5 mm刀具后刀面磨損量明顯增加，然而，在達到相同后刀面磨損量評價標準時，軸向切削深度為1 mm時的切削長度僅是2.5 mm 時的1.1倍。而經(jīng)過計算得出，在去除相同體積時，軸向切削深度為2.5 mm時將減少2.5倍的加工時間。

圖4（c）可以看出刀具VB隨著v的增加而增加。另外，從圖4 中曲線的斜率變化可以看出，相比于fz和ap，v對刀具后刀面磨損的影響最大。切削速度對刀具后刀面磨損的影響，可歸因于刀具表面在高接觸壓力和高摩擦條件下形成粘結(jié)層的穩(wěn)定性［9］。在140 m/min 低切削速下，刀具磨損呈現(xiàn)出明顯的磨損3 階段，這主要是因為在低速切削條件下，雖然粘結(jié)層的生長速度較慢，但其穩(wěn)定性較好，對刀具起到積極的保護作用；而在260 m/min 高切削速度條件下，切削溫度升高，鋁基體軟化程度增加，粘結(jié)層生長速度較快，而硅顆粒與刀具的撞擊和劃擦頻率也增加，粘結(jié)層易脫落，從而導致刀具磨損較快。從圖5中可以看出，在低速切削條件下，刀具后刀面切削刃附近粘結(jié)層的寬度較大。另外，v為140 m/min的L是260 m/min 切削條件下的3 倍，而此時的VB僅是260 m/min速度下的0.8倍。

圖5 不同切削速度下刀具后刀面形貌Fig.5 Tool flank surfaces at different cutting speeds

通過以上關(guān)于切削參數(shù)與切削長度對刀具磨損的影響分析，可以得出，v對刀具VB的影響最大，其次是fz、ap。在高fz和低v、中等ap的參數(shù)組合下，可以獲得較長的刀具使用壽命。另外，本文試驗中獲得最長的刀具使用壽命參數(shù)組合為：fz=0.1 mm/z、ap=1.5 mm、v=140 m/min。

2.2 切削參數(shù)與刀具磨損對表面粗糙度的影響

利用JITAI820 表面粗糙度儀測試工件加工后的表面粗糙度。圖6為fz、ap、v和VB對Ra的影響，其中折線圖為表面粗糙度的變化曲線，柱狀圖高度為后刀面磨損量。

圖6 表面粗糙度隨切削參數(shù)和切削長度變化趨勢Fig.6 The changes of surface roughness with cutting parameters and cutting length

由圖6 可以觀察到，在不同的參數(shù)組合下，可以得出一個相似的規(guī)律：在正常切削階段，隨著L的增加，即刀具磨損程度增大，而Ra大致呈現(xiàn)先增加再降低的變化趨勢；此外，L從350 mm 增加到1750 mm時，VB平均增加4.5 倍，而Ra卻下降2 倍。這主要是因為在切削初期，刀具切削刃比較鋒利，切削過程中硅顆粒易被拔出、切斷和碎裂，從而導致表面粗糙度較大。隨著切削的進行，切削刃粘結(jié)程度增加使刃口鈍化，刀具切削時對加工表面的擠壓熨平作用增強，使表面粗糙度呈降低的趨勢［10］。

圖6（a）為Ra隨fz和VB的變化趨勢圖，可以看出，當L小于1400 mm時，Ra隨fz的增加而增加。另外，在L為350 mm 階段，即刀具磨損對Ra影響較小的情況下，fz從0.07 mm/z 增加到0.16 mm/z時Ra增加2 倍。分析該影響規(guī)律形成的原因，一方面，主要是由于隨著每齒進給量的增加，加工表面銑削痕跡變得明顯；另外，隨著每齒進給量的增加，每齒的切削體積增大，從而使切削力增加，切削過程中產(chǎn)生機械振動的可能性增加。另一方面，隨著每齒進給量的增加，切削溫度升高，導致硅顆粒與鋁基體的結(jié)合強度降低，使顆粒易被拔出或壓入［11］。最終在多因素的共同作用下，導致表面粗糙度隨著每齒進給量的增加而增加。

從圖6（b）Ra隨著ap和VB的變化趨勢圖可以看出，在L為350 mm 階段，隨著ap的增加，Ra呈現(xiàn)增加的趨勢，并且ap從1 mm 增加到2.5 mm 時，Ra增加近2倍。這主要是由于軸向切削深度的增加，使切屑變形力和摩擦力增加，導致切削力的增幅較大，切削過程中產(chǎn)生的振動增加，從而造成表面粗糙度的增加。另外，當軸向切削深度為最大值2.5 mm 時，隨刀具磨損的增加表面粗糙度降低比較顯著，這主要是由于在220 m/min 切削速度下，軸向切削深度越大，切削力和摩擦明顯增大，切削溫度也隨之變化較大，刀具鈍化嚴重，刀具后刀面對加工表面的熨壓作用越顯著，從而刀具磨損對降低表面粗糙度的積極作用越顯著。由圖6（c）可以看出，v對Ra影響相對比較復雜，呈現(xiàn)先減小再增加后減小的變化趨勢。切削速度對于表面粗糙度的影響，可以歸結(jié)于切削刃形成粘結(jié)層的嚴重程度來解釋［12］。在低切削速條件下，切削溫度低，切削刃粘結(jié)程度低，切削刃相對比較鋒利，從而導致刀具與硅顆粒相互作用時易被拔出、切碎，使表面形成不規(guī)則的凹坑，導致表面粗糙度的增加。另外，低速切削時切屑的流動速度較慢，切屑中攜帶的碎裂硅顆粒，在切屑的彎曲變形時易脫落，經(jīng)切削刃的擠壓對加工表面產(chǎn)生劃傷形成溝槽；而經(jīng)刀具后刀面的熨壓將會黏附在加工表面上形成凸點，從而對表面質(zhì)量產(chǎn)生消極的影響［13］。在高切削速條件下，刀具與顆粒相互作用的頻率較大，刀具磨損和鈍化嚴重，而刀具鈍化對降低表面粗糙度起積極作用。

通過以上關(guān)于切削參數(shù)和刀具磨損對表面粗糙度的影響分析，可以得出，fz對Ra的影響最大，其次是ap和v。并在低fz、低ap、高v條件下，可以獲得較好的表面質(zhì)量。另外，本文試驗中獲得的最佳表面質(zhì)量參數(shù)組合為：fz=0.07 mm/z、v=220 m/min、ap=1.5 mm。

2.3 刀具后刀面磨損分析

為分析刀具后刀面磨損形成的原因，試驗結(jié)束后，通過利用日立SU3500 掃描電子顯微鏡（SEM）對刀具后刀面形貌進行拍照和能譜分析。圖7 為不同切削條件下刀具后刀面的磨損情況，以及磨損處的能譜分析。

圖7 不同切削條件下的刀具后刀面SEM和EDSFig.7 SEM and EDS of tool flank under different cutting conditions

圖7（b）為刀具后刀面磨損帶SEM照片和能譜分析，顯示了明顯的刀具后刀面均勻磨損帶和機械劃痕。這主要是因為，在切削加工過程中，刀具作為切削熱傳導的主要載體之一，以及刀具后刀面與工件的高摩擦作用，使刀具表面溫度升高，刀具表面硬度將有所降低，而高硅鋁合金材料中存在的大量硬質(zhì)硅顆粒，在刀具切削時硅顆粒將會對刀具后刀面產(chǎn)生連續(xù)的“微切削”作用，造成嚴重的機械劃痕，這種磨損形式為磨粒磨損［14］。此外，由于刀具與工件之間不斷的循環(huán)接觸，最終導致刀具后刀面產(chǎn)生均勻的磨損帶。以上作用機理可從圖7（b）刀具后刀面磨損帶能譜分析中檢測出Si元素得到相應的佐證。

從圖7（c）刀具磨損形貌圖觀察到，在刀具后刀面靠近切削刃的位置出現(xiàn)不同大小的凹坑現(xiàn)象，即切削刃崩刃。分析其形成的原因，一方面，主要是由于在切削初期，切削刃比較鋒利，切削過程中硅顆粒對切削刃產(chǎn)生不斷的機械撞擊；此外，銑削加工為斷續(xù)切削，刀具會受到交變熱應力的影響，在機械撞擊-熱應力耦合作用下，切削刃產(chǎn)生機械疲勞裂紋，并隨著裂紋的擴展產(chǎn)生崩刃［15］。另外，隨切削的進行，刀具表面易粘結(jié)大量的基體元素，覆蓋在切削刃的邊緣形成粘結(jié)層，雖對刀具產(chǎn)生一定的保護作用，但在切削過程中易脫落，剝落刀具基體材料，該現(xiàn)象在切削刃存在裂紋的情況下更加明顯，從而造成嚴重的刀具崩刃磨損。以上作用機理，可以從圖7（b）未脫落的粘結(jié)層和圖7（c）崩刃位置的能譜分析中檢測到Al和Si元素給予佐證。

3 結(jié)論

（1）通過進行單因素銑削試驗，對加工Al-50wt%Si 高硅鋁合金材料的硬質(zhì)合金刀具磨損行為進行了研究，討論了切削參數(shù)對刀具磨損的影響規(guī)律，得出了刀具磨損受切削參數(shù)的影響程度：切削速度＞每齒進給量＞軸向切削深度。刀具使用壽命最長的參數(shù)組合：fz=0.1 mm/z、ap=1.5 mm、v=140 m/min。

（2）通過單因素銑削試驗，探究了切削參數(shù)和刀具磨損對加工表面粗糙度的影響規(guī)律，得出了表面粗糙度受切削參數(shù)的影響程度：每齒進給量＞軸向切削深度＞切削速度。表面粗糙度隨刀具后刀面磨損量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢。表面質(zhì)量最佳的參數(shù)組合：fz=0.07 mm/z、v=220 m/min、ap=1.5 mm。

（3）硬質(zhì)合金刀具銑削Al-50wt%Si 高硅鋁合金材料的主要磨損形式為磨粒磨損、崩刃。