SiC_p_Al基复合材料的切削加工研究现状

。

基复合材料的切削加工研究现状冷金凤

武高辉,

哈尔滨工业大学金属基复合材料工程技术研究所哈尔滨

巧仪刃

文

摘

综述了

颖粒增强铝基复合材料的切削加工研究进展情况重点阐述了刀具材料的主要失效,,

形式及影响刀具磨损的因素并展望了该领域的发展前景

。

关键词

基复合材料

,

切削加工

口

母

玩户”,

群

,

《旧

毗,

卜

,

前言基复合材料具有高的比强度比模量和好的耐磨性及尺寸稳定性且,、,

最重要的研究课题之一、

。

本文综述了

基复,

【’,

颗粒价格低廉

合材料切削加工过程中刀具材料的主要失效形式分析了影响刀具磨损的因素并对复合材料的切削加工性的改善和前景作了预测。

来源广泛在航空航天汽车等行业中显示出巨大的应用潜力。

作为结构材料已被广泛应用于直,,

,

基复合材料的切削加工研究现状

升机的旋翼系统上美国海军飞行动力实验室研制成

刀具的经济性评价

复合材料薄板应用于新型舰载战斗机’’〔〕上美国用复合材料制备汽车刹车盘〔,,

等人体积分数为,

’

用搅拌铸造法和粉末冶金法制备了,

基复合材料其中,

颗粒的粒度为

卜

,

美国将

复合材料替代敏材成功地应用于某。〕

搅拌铸造法采用的基体材料为

型号导弹的惯性制导测量仪表上

我国复合材料

铝合金粉末冶金法采用的基体材料为纯铝皿。

的研究和发展起步较晚大约在

,

世纪,

年代中期,

研究不同刀具切削

复合材料的刀具寿,

才开始对金属基复合材料开展研究近几年来在颗粒增强金属基复合材料的研究方面取得了很大的进展一些材料在航天航空领域已经进人实用化阶段,

命计算及不同刀具的经济指数,

可以用来衡量不

同刀具加工复合材料所用的成本为刀具的选择提供依据。

。

基复合材料一般是铸造法或粉末冶金法

一

等制备的需要进一步的机械加工达到零件所需的精度和表面粗糙度的要求增强体颗粒比常用的刀具’在如高速钢刀具和硬质合金钢刀具的硬度高,

“二

万画,

二

。

式中

,

为每个切削刃的价格,

为单位时间切除金,

属材料的体积

为刀具的线速度

为切削深度

,

机械加工的过程中能引起剧烈的刀

具磨损【。,

,

因此

,

为进给量

。

复合材料的难加工性和昂贵的加工成本限制了基复合材料的广泛应用目前在进一步扩大基复合材料的应用方面材料的切削加工是收稿日期以拓一,

经济性评价忽略了刀具转换的时间假设刀具为一次性使用,

刀具有六个切削刃而。

,

、

和

刀具只有一个切削刃

表

列出了

等计算

伪,

一

一修回日期仪场,,

一、

作者简介冷金风

年出生博士研究生主要从事颗粒增强铝摧复合材料的加工尺寸稳定性及阻尼性能研究

一

一

宇航材料工艺

加年

第

期

’

月

得到的不同刀具的经济性指标这个指标值越小表,,

性指数见表,

,

。

依据刀具的经济性指数进行刀具的刀具能降低成本但精加工时,,

征复合材料的加工成本越低,,

。

在研究所采用的切削刀具的经济性

选择粗加工选用

条件下进行粉末冶金法和搅拌铸造法制备的复合材料端面切削加工得到结论如下指数值最小分别为,

须综合考虑表面质量和加工成本因此采用具进行复合材料的切削加工、。

刀

经济性指标的计算还。

和

,

低于其他刀具的经济衰

适用于车削加工外圆钻削和磨削加工等

不同刀具的经济性指数和切削速度

吨复合材料制备方法邓

思朋

切削速度

一

’

相对速度】」

经济性指数容

。

洲

一

’

一

’

刃二

一

’

代

刊

粉末冶金铸造注切削条件进给量为川了

抢切削深度为干切削切削时间为

后刀面耐用度标准为

。

刀其材料的主要失效形式

刀具材料的断裂

。

对于硬质合金刀具勃合剂的含量,

磨粒磨损在切削的,,

决定刀具材料的强韧性增强复合材料过程中刀具材料,

。

另外在切削的过程中切

,

,

削刃在高的温度和压力下能使刀尖发生塑性变形而

的主要磨损形式为磨粒磨损、

‘【

一

’

。

由于工件材料中

使其形状改变这种变形能引起刀具前后刀面磨损的,

颗粒以及硬质点积屑瘤碎片等造成机械磨’“

加剧而导致刀具突然崩刃刀具材料。

。

损它们在刀具表面划出一条条平行于切削方向的条纹作用机制,

影响刀具磨损的因寮

主要有三种刀具上钻附的

颗粒

对刀具有微切削作用刀具材料在铝基体的作用下颗粒拔出硬度下降

材料中的

等人

”了

研究认为刀具材料的硬度与刀具,

颗粒对刀具有刮擦,

的磨损率间不完全是线性关系,

。

分为两种情况一种,、

作用

。

在这几种机制的综合作用下导致刀具材料的。

当刀具基体材料的硬度大于增强体材料如,,

磨粒磨损

刀具刀具的磨损率与硬度成线性关系随着刀

猫粉磨损

具基体材料的硬度升高其磨损率下降另一种当刀,

在刀具与工件的接触面上当温度和压力足够大时产生塑性变形而发生的所谓冷焊现象是摩擦面塑性变形所形成的新鲜表面原子吸附力所造成的结,,

具基体材料的硬度低于增强体材料刀具的磨损与其,

硬度没有呈现单调的趋势

。

金刚石具有极高的硬度和耐磨性其显微硬度可,

果是前刀面的主要磨损机制’刀具加工人〔川的研究用,

。

一

等复合材料,

达到

的硬度为,

,

它可以加工

一

高硬度和高耐磨的复合材料刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍、

在切削刃上由于勃着磨损出现附加边界这种边界的,

。

金刚石不与铝基体发生化学,

出现能保护前刀面免受磨粒磨损但是不稳定附加边,

反应摩擦系数小且导热性好精加工获得较好的表面质量。

界能引起刀具的崩刃而使加工材料的表面质量下降

。

文献〔

一

报〕道的,

复合材料加,

扩散磨损刀具和工件之间的温度和压力足够高工件材料,

工中普遍采用此种刀具但金刚石刀具价格昂贵通

常在精加工和半精加工中应用,

。

在复合材料的粗加,

的原子能通过扩散的方式进人刀具材料使刀具材料,

工中通常使用价格比较低廉且耐磨性较小的硬质合

软化导致刀具失效,

。

扩散发生的条件一是材料间有,

金刀具

。

陶瓷刀具虽然比硬质合金刀具硬度大但弯、

金属键存在二是具有能引起快速扩散的温度三是工件材料在刀具材料中有一定的固溶度,

曲强度低脆性大在加工粗颗粒增强复合材料时未能表现出优异的耐磨性其后刀面磨损比硬质合金,

,

。

扩散磨损

是前刀面的主要失效形式有人对前刀面的扩散磨损用中子谱定量分析了扩散元素【”,〕

大刀刃上容易出现缺口前刀面上容易出现冷焊现,,

认为刀具材料的。

象

。

涂层刀是在硬质合金刀具表面涂覆一层硬度和,,,

固溶度和扩散系数是决定扩散磨损的主要因素刀具的脆断和塑性破损

耐磨性高的难熔金属化合物但有研究表明加工颗粒增强复合材料涂层刀具比硬质合金刀具磨损严重”。

对裂纹敏感刀具材料能在刀尖处萌生裂纹导致宇航材料工艺年第期

一

一

另外刀具材料的晶粒尺寸也是影响刀具磨损的,

基体的协调塑性变形的能力,

。

另外切削液可能与切,

,

因素之一

。

对于硬质合金刀具而言,

,

的晶粒尺寸。

增加虽然使刀具材料硬度降低但减少了扩散磨损的几率而导致刀具材料的寿命延长【”金刚石刀具在晶粒尺寸较大的情况下能减轻,,,

碎的增强体颗粒混和猫附在材料的表面加剧刀具的田等研究者的研究显示在和磨损。

切削加工的过程中吹人压缩空气或者将切屑吸走能

,

颗粒对刀具材料。

减少刀具的磨损认为是由于猫附在刀具表面的切碎,

的微切削作用但由于晶粒尺寸增加也导致晶体缺陷增加所以刀具材料应选择合适的晶粒尺寸切削工艺对刀具磨损的影响切削速度

的增强体颗粒减少,

,

粒子对刀具材料的微切削作。

用减弱降低了刀具的磨损

增强体对刀具磨损的影晌

增强体的形状,

在切削加工参数中切削速度是影响刀具磨损的主要因素。

有研究表明切削块状的增强体颗粒比狭长的颗粒对刀具的磨损影响更大这是由于在切削过程中,,,

,

众多研究表明切削速度增大加剧刀具磨,,,

损

。

采用较高切削速度加工复合材料刀具和工件材,

刀具的磨损主要来源于与增强颗粒的直接接触而产

料之间由于摩擦作用产生的切削热增加使刀具材料”一【’】结合强度下降导致刀具磨损增加等。

生的磨粒磨损效应块状增强体颗粒比狭长的颗粒与刀具的接触面积大。

认为为了提高刀具寿命,

,

研究认为切削速度的增大增加了

,

,

颗粒的动能,,

,

铸造方法制备的铝基复合材料的,

长宽比为的增

使磨损。

粒子对刀具的磨粒磨损效应增加加剧刀具的

比较适合而粉末冶金方法应采用长宽比为强体颗粒。

但有研究指出进给量

,

刀具耐磨性好在一定的。

切削速度范围内刀具磨损不受影响

增强体的

尺寸和体积分数颗粒的尺寸和体积分数两者相比前者对刀具的,

肠具加工

和

”

研究了代,

刀具和

刀

磨损较大

。

当,

颗粒粗大时在切削变形区受刀刃,、

复合材料过程中进给量对刀具磨损。

挤压而转动脱落破碎的几率比较大而颗粒对刀具,

的影响

他们发现较大的进给量的选用能减少刀具。

材料的刮擦耕犁作用也严重因而刀具磨损加剧,,,,,

。

当

的磨损并认为较大的进给量能使切屑形成区的热量,

颗粒细小时在基体中弥散分布一方面与刀具接触的几率较低另一方面在切削区颗粒随基体的变形较容易可以压入已加工表面或切屑中使其不致于,,

传导到工件材料的过程得到改善工件材料的热量颗粒容易与基能使其金属基体软化加工过程中,

体协调塑性变形而减少对刀具的磨损程度

。

但,

对刀具直接摩擦可以减少刀具磨损,

。

随着增强体体

的研究认为在切除一定金属体积的条件下增

积分数的增大,

大进给量能使刀具与材料间磨粒磨损的机会减少从,

颗粒与切削刀具接触的几率增研加刀具的磨损加剧鲡,〕究了切削含不同体,

。

而减轻对刀具的磨损程度,

。

同时进给量对切屑的形,,

积分数和粒度、。,

颗粒增强体的铝基复合材料对刀,,

态产生影响大进给量的选用易形成断续切屑容易处理并减少对刀具的磨损。

’

也采用,,

刀具

进行,,

复合材料的切削加工却得到了相反的,

具磨损的影响他的研究显示增强体颗粒的体积分刀具寿命能提高倍相当于颗粒粒度数下降一提高的刀具寿命这说明增强体颗降低,

结论他们认为采用大的进给量进行切削产生的切削热增加使刀具材料软化并且扩散磨损增加同时粒子的动能增加这些都加剧刀具的磨损,

粒的粒度比体积分数对刀具的磨损影响显著增强体颗粒的分布

。

。

不同材料制备方法导致颗粒在基体中的分布均

切削深度选用较大的切削深度能加剧刀具的磨损这是由于随着切削深度的增加刀具后刀面与材料的接触面,,

匀性的差异,

。

与粉末冶金方法和挤压铸造法相比搅,,

拌铸造法和喷射沉积法制备的材料中增强体颗粒分

布不均匀切削复合材料的过程中增强体颗粒的不均匀分布使周围基体产生不

均匀的塑性变形切削力,

积增大

,

对刀具的微切削作用增强切削介质,

。

和刀具磨损增加。,

。

通常切削液在材料的加工过程中起到冷却和润

缩孔和疏松

滑作用降低刀具磨损但在复合材料加工中研究者〔普遍认为切削液引入加剧刀具的磨损原,一

在复合材料的铸造过程中伴随着液相到固相的转变过程或铝液中的氢气杂质不可避免地会产生一,

,

,

。

因是由于切削液的引人一方面导致基体材料切屑形成区的温度下降导致切削力增加另一方面复合材,

,

些组织缺陷如缩孔疏松等结语

,

、

。

这些空洞分布在机加。

表面或下表面都会减轻刀具的磨损程度宇航材料工艺

料硬度升高一一

,

与基体结合增强降低了

,

颗粒与

加年

第

期

切削加工刀具进行粗加工选用,

基复合材料应选用硬质合金刀具进行精加工或半精、

一

司一

叮

,

佣

加工选用较低的切削速度和较小的切削深度能得到可接受的刀具耐用度采用干切削吹压缩空气或吸创〕

叨二邝,

走切屑几种切削方式进行,,

。

为改善复合材料的切削

,

加工性增强体颗粒应选用形状狭长并且细小颗粒来

玩

‘、‘

记,

制备复合材料尽量控制增强体的体积分数并保证颗粒在基体中均匀分布在,

以

一

。

基复合材料切削加工的未来发展中、

,

即

叮

,

可以从两方面进行一是可以采用一些新的加工方

法如高能束非接触加工磨料流切削电火花成型加工等来补充传统切削加工方法中存在的不足另一,

、

,

,

砚比

方面可以通过在复合材料中加入一些增强体如石墨

心一

群

,

来改善材料切削加工性,

。

基复合材料切削加,

口叹】

工性的改善成本的降低将会对复合材料的工业应

全燕明不同颗粒度,,

增强铝基复合材料的切削,

用奠定坚实的基础

。

加工性能与适用刀具材料科学与工程一

一

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参考文献,

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内被切削性轻金属

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具磨损的试验研究复合材料学报

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宇航材料工艺

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