評(píng)價(jià)加工 SiCp Al2014基 合金 復(fù)合材料時(shí)刀具磨損  Ibrahim Ciftcia, Mehmet Turkerb,*, Ulvi Sekerb aGazi  文摘  SiC 金屬?gòu)?fù)合材料 (間 )包含兩個(gè)不同級(jí)別的 SiC 顆粒 (8和 16 wt %)的意味著粒子大小 30、 45和 110 微米，使用熔融攪拌，擠壓鑄造路線(xiàn)制備 。 復(fù)合材料 加工測(cè)試 是 使 用膠版紙和三層涂層硬質(zhì)合金在一個(gè)恒定的進(jìn)給速度和切削深度切削刀具在不同切削速度 下 以 一個(gè)恒定的進(jìn)給速率和 切削 深度 切削 。 該測(cè)試主要研究切削速度和刀具涂層對(duì)刀具磨損的影響 。此外 ,表面粗糙度測(cè)量 是 對(duì) 已 加工表面進(jìn)行。強(qiáng)化粒子尺寸及其重量分?jǐn)?shù) 和 切割速度是刀具磨損的主要影響因素。涂層硬質(zhì)合金刀具的表現(xiàn)比不加涂層的硬質(zhì)合金刀具 耐 磨損。然而 ,未涂層刀具產(chǎn)生更好的表面光潔度 即產(chǎn)生更低的 Ra 值 ，尤其是在較低的切削速度 。 雖然該工具磨損機(jī)理仍然是 一種磨損 ，詳細(xì)檢查掃描電子顯微鏡（ SEM）下的切削刃的顯示，更高的切割速度導(dǎo)致了邊緣碎裂。  關(guān)鍵詞 ： 刀具磨損、表面粗糙度、加工 ,金屬基復(fù)合材料   1 引言     在 材料科學(xué) 方面 相當(dāng)多的研究 表明， 新 發(fā)展的輕質(zhì)量 工程材料具有高的強(qiáng)度和剛度 ，有良好的耐熱性和延展性 ， 抗 疲勞和耐磨損性。這是因?yàn)?，先進(jìn)的汽車(chē)和航空航天技術(shù)需要這些材料以提高性能。 目前來(lái)看在 單片的鈦，鋁和鎂合金 上這些性能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的 。與此相反，金屬?gòu)?fù)合材料（ MMC）已證明其潛能， 用來(lái)實(shí)現(xiàn)性能跳躍性發(fā)展  1,2。   由于他們 比 單片合金優(yōu)異的性能，金屬?gòu)?fù)合材料 受 到了可觀(guān)關(guān)注 3。然而，由于 硬質(zhì)陶瓷的存在顆粒使得它們極 難加工， 它們會(huì)導(dǎo)致刀具迅速磨損。雖然 嘗試了 消除機(jī)械加工操作，如 近凈成形 和 環(huán)氧改質(zhì)澆鑄 ，它們是有限 的， 因此加工仍然是 元件制造 一個(gè)不可分割部分。此外，對(duì)于許多組件，生產(chǎn) 零件良好的表面光潔度 是 至關(guān)重要 的  4 7  對(duì) 顆粒增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料的 切削加工性 發(fā)表的文獻(xiàn)表明，只有聚晶金剛石刀具（ PCD） 在 加工這些材料如 PCD 是比氧化鋁和碳化硅（ SiC ）更 硬 ，不具有化學(xué)傾向與 工件發(fā)生 反應(yīng) 材料 時(shí)， 可以 提供一個(gè) 較長(zhǎng)的 的工具壽命。然而，由于PCD 刀具的成本極高， 人們也在用 如硬質(zhì)合金，陶瓷 等 便宜 一些 的工具 加工 這些材料。在很低的切削速度和高進(jìn)給率加工 時(shí)，陶瓷刀具 壽命可以達(dá)到與硬質(zhì)合金工具 壽命，因此是人們不能接受的  4,8 11。因此，  對(duì)于小批量生產(chǎn) 硬質(zhì)合金 刀具 可以是一個(gè) 不錯(cuò) 的解決方案 12。   很明顯從現(xiàn)有的文獻(xiàn) 是加固體積分?jǐn)?shù)和其在復(fù)合材料的大小對(duì)刀具磨損9 ， 13和 14的最重要的因素，但尚未涉及到鋼筋的影響相對(duì)較少的作品體積分?jǐn)?shù)和其大小的報(bào)告。本工作的目的是打開(kāi)的 SiC 增強(qiáng) 2014鋁合金的 MMC 與未涂層和涂層硬質(zhì)合金刀具在調(diào)查的體積分?jǐn)?shù)和尺寸的影響以及對(duì)刀具磨損的切削速度。  從現(xiàn)有的文獻(xiàn) 可以看出 ，增強(qiáng)體積分?jǐn)?shù)及其在復(fù)合材料的大小 對(duì)刀具磨損 有顯著的 影響 9,13,14，但相關(guān) 增強(qiáng) 體積分?jǐn)?shù)和 及其在復(fù)合材料中大小比重的只有很少一部分涉及 。本工作的目的是調(diào)查切削速度 和 SiC 體積分?jǐn)?shù)和它的大小對(duì)刀具磨損的影響 ，同時(shí) 比較用 SiC 增強(qiáng) 2014鋁 MMC 涂層和非涂層硬質(zhì)合金刀具 磨損 。這項(xiàng)工作還考察了涂層對(duì)刀具磨損的影響。  2 實(shí)驗(yàn)方法     包含兩個(gè)層次的不同平均粒徑的 SiC 顆粒（ 8 和 16 wt  ）六 種 不同的金屬基復(fù)合材料尺寸 30 ，  45 和 110 m 的使用熔融攪拌，擠壓鑄造路線(xiàn)編制。基質(zhì)材料為 2014 鋁合金?；|(zhì)的化學(xué)組成和制備的復(fù)合材料的清單列于表 1 和表2 中。  表  1 基質(zhì)組成    表  2 制備復(fù)合材料的清單      所有的熔點(diǎn)進(jìn)行了在石墨坩堝中的電阻爐中在 氬氣氛下?；|(zhì)合金的計(jì)量的量加入到該坩堝和爐功率被提上。最初，將爐子溫度升高至 725 并在該溫度下保持到基體材料完全熔化。然后，它被降低到 675  ， 把 顆粒摻入。 在 前 顆粒中 ，  0.5wt的 Mg 也被加入以提高潤(rùn)濕性。在 675 時(shí)，石墨葉輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)和預(yù)熱至 1000  2 小時(shí)，表面被氧化 的 SiC 顆粒，分別加入以均勻的速率。在此階段，將溫度逐漸升高到 725  ，以改善混合漿料的流動(dòng)性。顆粒加料完成后，繼續(xù)攪拌 5 分鐘以上。     當(dāng)攪拌完成后，將混合漿料倒入預(yù)熱的鋼模具。模具被放置在液壓機(jī)的床和漿液被擠壓直到 40 兆帕的壓力下發(fā)生完全固化。復(fù)合材料的顯微組織示于圖 1。     圖  1    六種不同的 MMC 試樣的顯微組織           加工測(cè)試由 MMC 標(biāo)本的圓柱形單點(diǎn)連續(xù)轉(zhuǎn)彎的數(shù)控車(chē)床 DYNA 進(jìn)行。工件標(biāo)本長(zhǎng) 120 mm 及直徑 28 毫米 。在測(cè)試過(guò)程中 不 使用冷卻液。加工試驗(yàn)共進(jìn)行涂層（  TiC 的，  氧化鋁 和氮碳化鈦）和膠版紙推薦牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀具三層。該工具是商業(yè)牌號(hào)刀片，三菱硬質(zhì)合金與 SPMN 120308 的幾何形狀產(chǎn)生的。該刀片， 固定 在一個(gè)剛性刀柄 上 。它的代碼是 ISO 5608 SSBCR -2020- K12 。這樣形成的刀具切削角度是 側(cè)傾角 5 ，后傾角 0 和側(cè)間隙角 6 。插入件有UC5005 和 HTI10 三菱硬質(zhì)合金這相當(dāng)于在 ISO K10 級(jí)。     切削 速度范圍從 20 到 80 米 每 分鐘。切 削 速度 以 20 米 每 分鐘增加。進(jìn)料速度和切削深度被 保持固定，  0.12 毫 每轉(zhuǎn) 和 1 毫米。通過(guò)使用 用來(lái) 測(cè)定表面光潔度 的 三豐 SURFTEST 211 儀器 和 一個(gè)工具顯微鏡 來(lái) 測(cè)定刀具后刀面磨損的。磨損的切削工具 在 掃描電子顯微鏡（ SEM）下觀(guān)察。所有的測(cè)量都是 在 金屬切削材料 （  1250 立方毫米）  30 和 45 微米的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料體積固定后進(jìn)行。但是，由于高的磨損率對(duì) 110 微米的顆粒增強(qiáng)的 MMC 金屬去除的量減少到 0.625 立方毫米 。  3 結(jié)果與討論    將 各種切削條件下的四個(gè)不同的金屬基復(fù)合材料用的未涂覆和涂覆硬質(zhì)合金刀具的刀具磨損數(shù)據(jù)分別 記錄 于圖 2（ a ）和（ b ）， 圖如下 。但應(yīng)注意的是，后刀面磨損 /切割速度的這些曲線(xiàn)顯示了磨損的幅度在工件材料固定體積后 以 一個(gè)恒定的進(jìn)料速率和 背刀吃量 的 情況 。因此，這些都不是通常意義上的后刀面磨損的曲線(xiàn)，在該后刀面磨損被繪制為切割時(shí)間在一個(gè)固定的切割速度的函數(shù)。然而，當(dāng)它們被用來(lái)從被調(diào)查的金屬基復(fù)合材料去除的固定體積材料 時(shí)， 這些曲線(xiàn)會(huì) 清楚地表明未涂層和涂層硬質(zhì)合金刀具的 不同特性 。                圖 2 （ a）  后刀面磨損（ mm)/切削速度 (m/min) 曲線(xiàn)                圖  2 （ b）  后刀面磨損（ mm)/切削速度 (m/min) 曲線(xiàn)     由于較大的顆粒尺寸在 8 wt% 110 mMMC， 會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的刀具磨損 ，因此金屬切除率從 1250 立方毫米減少到 625 立方毫米。這種期望在測(cè)試過(guò)程中和測(cè)試在所有的切削速度后測(cè)得的非常高的后刀面磨損值， 出現(xiàn)刺耳的噪聲 。  雖然金屬切除率降低至 625 立方毫米 時(shí)，與未涂層和涂層刀具車(chē)削此 MMC 時(shí)開(kāi)發(fā)的后刀面磨損值車(chē)削用相同的重量分?jǐn)?shù)，但 30 和 45 m 碳化硅顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的時(shí)候超過(guò)了 這些發(fā)展 。當(dāng)以最低的切削速度轉(zhuǎn)動(dòng) 此 MMC 中，經(jīng)涂覆的工具 連續(xù)切削 0.36mm 后刀面磨損，并將它與增加切割速度增加。在 80立方米 每 分鐘切割速度，相同的 刀具切削 0.95mm 后刀面磨損。同樣，在刀具磨損方面，碳化物涂層無(wú)涂層優(yōu)于硬質(zhì)合金刀具在所有的切削速度。進(jìn)行了  16 wt% 110 m 增強(qiáng) MMC 后 ，沒(méi)有進(jìn)一步的測(cè)試， 在 8 wt  -110mm MMC 加工 出現(xiàn) 非常高的刀具磨損。      對(duì)于所有加工的金屬基復(fù)合材料，涂層硬質(zhì)合金刀具的后刀面磨損比未涂層硬質(zhì)合金刀具 小 。刀具磨損 隨著 切削速度 增大而增大 ， 隨 顆粒大小和顆粒重量分?jǐn)?shù) 增大而增大 。后刀面 磨損被認(rèn)為是主要的磨損模式而主要的磨損機(jī)制仍然是磨蝕 。這些發(fā)現(xiàn)與先前的研究 一致 8和 15 。詳細(xì)檢查在 SEM 下切削刃的顯露邊緣碎裂在較高的切削速度下， 如 圖 3 。   圖  3  SEM 照片顯示在 20和 80米每分的 速度涂層和 非涂層刀具磨損的切削刃。  雖然涂覆碳化物刀具磨損的所有機(jī)加工的材料方面具有更好的性能，顯微鏡檢查表明，該涂層被磨掉完全在切削區(qū)。這就是為什么，涂層刀具的更好的性能不能完全歸因于涂層。因此，可以說(shuō)，有 其他 改進(jìn)的涂層刀具的耐磨損性等因素。奎格利 說(shuō) 4 ，即使是在完全磨損涂層的通過(guò)在基板上的情況下，  TiC 薄膜有助于減少后刀面磨損。 由于 比硬質(zhì)合金困難， TiC 可以 提供某種保護(hù)，防止磨損。那是因?yàn)椋? TiC 薄膜的部分被轉(zhuǎn)移到切削區(qū)。這可能是一個(gè)解釋為什么切割含有硬質(zhì)顆粒的工件材料時(shí)涂覆碳化物表現(xiàn)出比未涂覆的那些更好 的性能。  涂層刀具更大的和更穩(wěn)定的建成邊緣（ BUE ）可能是 涂層刀具有比未涂層刀具更好性能的原因 。那是因?yàn)椋e屑瘤的存在在一定條件下被示為保護(hù)刀面16。  Looney 10 ， Ozcatalbas 17和 Barnes 18 等 人認(rèn)為 積屑瘤 在 加工顆粒 較大 金屬基復(fù)合材料與硬質(zhì)合金 材料 ，尤其是在較低的切削速度時(shí) 形成 。從圖2 可以 看出  ， 金屬切削量 保持相同 時(shí) 隨切削速度 增大 刀具磨損增加。這一發(fā)現(xiàn)是與眾所周知的現(xiàn)象一致認(rèn)為，在環(huán)境溫度下，增加在增加切削區(qū)的溫度導(dǎo)致的BUE 從而降低其硬度和穩(wěn)定性 高應(yīng)變材料 的再結(jié)晶的切削速度結(jié)果在加工過(guò)程中 18 。 對(duì)于涂層刀具 ，如在 SEM 圖像（圖 3）所示的略倒角邊緣可 能 是形成較大的積屑瘤的另一個(gè)原因 19。  記錄的兩個(gè)切削工具的表面粗糙度值（ Ra）為示于表 3，在大多數(shù)情況下，未涂覆的碳化物產(chǎn)生比涂覆碳化物更好的表面光潔度。但是，在更高的切削速度這一趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)，涂層硬質(zhì)合金制作更好的表面光潔度。這可以通過(guò)在 80 米 /分的切削速度邊緣崩裂相關(guān)聯(lián)，如圖所示的 SEM 顯微照片（圖 3）  。   表  3   涂層刀具加工產(chǎn)生較大的可以歸因于涂層刀具產(chǎn)生比未涂層刀具更大的建成邊緣 。這是因?yàn)椋袝r(shí)表面光潔度差 可以是建成邊緣存在的標(biāo)志 ， 而 積屑瘤的存在通常是從快速停止部分的研究 來(lái)確定的 16  4 結(jié)論  對(duì) 通過(guò)熔融攪拌，擠壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)的鋁金屬基復(fù)合材料 SiC 顆粒采用未涂層和涂層硬質(zhì)合金刀具加工 ， 可以從這項(xiàng)研究中可 以得出：  1，加強(qiáng)粒徑和其重量分?jǐn)?shù)連同切削速度是影響刀具壽命的主要因素。磨損是主要的工具機(jī)制雖然邊緣碎裂，觀(guān)察到更高的切削速度。  2.涂層 刀具比未涂層刀具 加工材料時(shí)在刀具磨損方面有 更好的 性能 。它們 這個(gè) 更好的性能可以歸因于涂層和 形成了 更大的和更穩(wěn)定的建成邊緣（ BUE ）。  3.大多數(shù)的情況下，未涂層刀具 加工 產(chǎn)生更好的表面光潔度，特別是在較低的切削速度。在 較高 的切削速度 下 ，他們 加工產(chǎn)生 比涂層刀具較差的表面光潔度。表面光潔度的 大幅 下降可以歸因于 在更高的切削速度下 邊緣碎裂。   參考文獻(xiàn)  1Inem B.  鎂基 碳化硅的結(jié)構(gòu)和性能的發(fā)展增強(qiáng)復(fù)合材料。  博士論文。 School of Materials, University of Leeds； 1993 2 Jawaid A, Barnes S, Ghadimzadeh SR. 粒狀鋁碳化硅金屬基復(fù)合材料的鉆削  復(fù)合材料學(xué)術(shù)研討會(huì)（ 1992）  3 Cole GS, Sherman AM. 面向汽車(chē)應(yīng)用的輕質(zhì)材料  Mater Charact 1995  4 O. Quigley, J. Monaghan, P. O Reilly 影響 Al / SiC 金屬基 復(fù)合材料機(jī)械加工性的因素  J Mater Process Technol 1994 5 Hung NP, Boey FYC, Khor KA, Phua YS, Lee HF. 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基合金的切削性  J Mater Process Technol 1996 6 Davim JP, Baptista AM. 加工碳化硅增強(qiáng)鋁基的切削力和 PCD 刀具磨損的關(guān)系  J Mater Process Technol 2000 7 Lin JT, Bhattacharyya D, Ferguson GW. 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的加工形成的切屑  Compos Sci Technol 1998 8 Chambers AR. 輕合金金屬基復(fù)合材料的切削加工  9 Yanming Q, Zehua Z. 切割 SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的刀具磨損及其機(jī)理  J Mater Process Technol 1992 10 L.A. Looney, J.M. Monaghan, P. O Reilly, D.M.R