颗粒增强复合材料加工表面粗糙度及刀具设计

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:1

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一、引言

复合材料是由两种或多种不同材料组成的非均质体，其基体与加入体的物理性能和力学性能往往相差很大。如复合材料的基体一般都是普通材料，但其增强体通常都是高强度或高硬度的材料。在复合材料中，加入其它物相的目的通常是为了增强或增韧。例如，含碳纤维的磨料，其耐磨性能是普通中碳钢的1000倍，由于加入了比硬质合金还要硬的碳化硅颗粒，碳化硅颗粒增强金属基复合材料的耐磨性能得到了极大的提高。

由于碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al），具有优良的物理、机械性能，即重量轻、比强度和比刚度高、热膨胀系数小、尺寸稳定性好，且具有良好的导热性能和耐磨、抗腐蚀特性。这类材料各向同性，克服了纤维增强型材料常存在的各种缺陷，而且制备工艺简单，成本低，因而成为复合材料研究领域中的一个热点。目前，在美、日、英、德等工业发达国家，其SiCp/Al在航空、航天和汽车制造等工业部门得到了广泛的应用。我国在这方面的研究开发也做了不少工作。如华南理工大学研制的铝、铜基耐磨复合材料，性能良好，目前已用于军工和汽车等行业。

在SiCp/Al复合材料中，由于以SiC陶瓷颗粒作为增强相而使其硬度、强度和耐磨性大幅度地提高，然而却使加工时刀具磨损严重，难以保证零件加工精度和表面质量，这在很大程度上阻碍了这种材料的推广应用。国内外的研究表明，切削SiCp/Al复合材料所得到的表面往往不是由刀刃直接切出，而是常有凹坑、非切削曲面、鳞刺和积屑瘤存在。相对硬质合金来说，采用聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼等超硬刀具加工可取得较好的加工效果，但其成本高，而且刀具对加工表面熨压作用弱，加工过程中脱落的颗粒会损坏加工表面，大的硬质颗粒将显著影响复合材料的切削性能和加工表面质量。

为了解决切削颗粒增强金属基复合材料时加工表面粗糙、质量差，刀具磨损快的问题，对影响加工表面粗糙度的因素和切削表面成形机理及刀具磨损现象进行了分析和多次试验后，设计出具有光整熨压作用的硬质合金切削刀具。

二、颗粒增强金属基复合材料的加工表面形貌及成形机理

1．加工表面形貌特点

用YG3刀具刨削SiC颗粒增强铸铝材料。对SiCp/Al的切削表面观察可知，在已加工表面上存在各种加工导致的缺陷。如：颗粒破碎和脱落而留下的不规则凹坑，碎颗粒被刀刃和后刀面推挤而使表面产生的犁沟，切削时被压下后又弹起的颗粒，切削时因刀具挤压、摩擦工件导致基体材料受热软化涂抹或熔融的加工表面，切削刃前受挤压区颗粒与颗粒之间裂纹贯穿而产生的不规则自由表面以及因磨损的切削刃复制出的不平整表面等。试验结果表明，增强颗粒的份量、形状，尤其是颗粒度大小对复合材料的已加工表面形貌影响很大，加工粗大颗粒增强的复合材料时，其加工表面粗糙。

2．加工表面成形机理

研究结果表明，在切削颗粒增强复合材料的过程中，切削力与变形之间的关系比切削传统材料复杂得多，基体与增强体之间的协同效应对复合材料受力后的行为影响很大。复合材料中的增强体是基体塑性变形的障碍，这使得复合材料的切削变形机理不同于普通金属材料。切削时，材料在切削力作用下，由于材料的不均匀性，在强度薄弱处和有缺陷处形成微观裂纹核，然后裂纹极快地向前方扩展，使材料在切削刃前方开裂，形成分离面（原始切削表面）。切削刃分流点以上的材料，经剪切区形成切屑流出，分流点以下的材料经切削刃钝圆的推挤、熨压形成已加工表面。显然，颗粒增强复合材料的切削表面并非全部由切削刃直接切出，在很大程度上与原始潜在裂纹的形状和刀具熨压增强颗粒的情况有关。而原始裂纹的情况具有很大的随机性，往往与材料的组织结构有关。在纵向车削外圆表面时，情况与上述稍有不同，已加工表面是由切削刃钝圆、刀尖过渡圆弧部分以及刀具副切削刃的切削和熨压作用共同形成的。

三、影响SiCp/Al加工表面粗糙度的因素

1．试验条件

为了提高颗粒增强金属基复合材料的加工表面质量和设计出合理的切削刀具，首先对切削条件和复合材料组织结构对颗粒增强金属基复合材料加工表面粗糙度的影响进行研究，并进行了如下切削试验。

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