SiCp/Al復(fù)合材料復(fù)雜曲面的精密加工刀具設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：2020-09-17 點(diǎn)擊次數(shù)：4561
0引言
鋁基碳化硅復(fù)合材料(SiCp/Al)是采用鋁合金作基體，以碳化硅顆粒作增強(qiáng)相，通過粉末冶金技術(shù)燒結(jié)制成的一種金屬基復(fù)合材料。SiCp/Al復(fù)合材料擁有一般金屬合金材料所不具備的低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐磨性、低熱膨脹系數(shù)、高耐蝕性和可采用傳統(tǒng)金屬加工工藝加工等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天和先進(jìn)武器裝備中。隨著碳化硅增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增加，其硬度、脆性顯著增加，且多數(shù)零件的曲面并不是簡(jiǎn)單的平面或圓面，常規(guī)刀具難以完成加工，刀具磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致加工質(zhì)量不好、加工成本過高。因此，高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料加工刀具的研究具有重要意義。
聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond，PCD)是目前世界上發(fā)現(xiàn)的人造物質(zhì)中最硬的材料。與硬質(zhì)合金刀相比，PCD刀具具有壽命長(zhǎng)、切削速度高、耐沖擊性好、工件表面質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。在鋁基碳化硅復(fù)合材料的加工中，PCD刀具的使用可減少材料表面的刀紋，降低其表面粗糙度，增加刀具壽命。
利用多軸聯(lián)動(dòng)加工中心，以多刃球頭立銑刀為加工刀具的銑削加工是工件復(fù)雜曲面的重要加工形式。由于工件材料和刀具材料的特殊性，刀具的幾何參數(shù)不能簡(jiǎn)單依照已有標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)來選擇。因此，本文綜合工件材料特性、刀具材料特性、刀具磨損特性等，以提高加工質(zhì)量和刀具耐用度為目的，進(jìn)行多因素優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到新的四刃PCD球頭立銑刀。
1鋁基碳化硅復(fù)合材料的性能
1.1物理、力學(xué)性能
SiCp/Al 復(fù)合材料比重與鋁相當(dāng)，而強(qiáng)度、剛度卻很高，并且具有高比強(qiáng)度和比剛度、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高微屈服強(qiáng)度、良好的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性以及耐磨、耐疲勞等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能[6]。表1為碳化硅鋁基復(fù)合材料與其基體合金力學(xué)性能的對(duì)比。隨著碳化硅增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能相應(yīng)變化，從表1可以看出，隨著增強(qiáng)相的加入及其體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均有明顯的提高，而延伸性有所下降。
表1 碳化硅鋁基復(fù)合材料及其基體力學(xué)性能
1.2切削加工性能
鋁基碳化硅復(fù)合材料的切削直接受碳化硅增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)影響。由于材料中高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性的碳化硅增強(qiáng)顆粒的存在，導(dǎo)致切削加工中工件表面質(zhì)量差、刀具磨損嚴(yán)重，使得刀具的壽命大大縮短，顯著地增加了加工成本。當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)高、工件體積小時(shí)，切削加工困難，精密、超精密加工更是困難。同時(shí)，由于顆粒均勻分布在基體中，使得材料具有硬而脆的特點(diǎn)，在精密切削加工過程中，工件容易產(chǎn)生微小的崩角，直接影響加工表面的完整性。這些問題，在很大程度上限制了碳化硅鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用和推廣。
2 刀具的設(shè)計(jì)
結(jié)合加工中心的特性和被加工工件復(fù)雜曲面的特點(diǎn)以及精密加工的要求，加工刀具選取為四刃球頭立銑刀。銑刀的材料、幾何角度等的選取需要根據(jù)加工工件材料特性來確定。
2.1刀具材料的選擇
鋁基碳化硅復(fù)合材料具有硬脆的特性，表2為各種刀具材料的物理力學(xué)性能對(duì)照。 刀具材料的選擇對(duì)刀具的壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工成本等影響很大。刀具在切削時(shí)會(huì)承受高溫、高壓、磨損以及沖擊等作用，因此，加工工件時(shí)，刀具應(yīng)具有以下基本性能。
（1）高硬度和高耐磨性：刀具材料硬度必須高于工件材料硬度，刀具材料越硬，耐磨性也越好。體積分?jǐn)?shù)為50%的鋁基碳化硅復(fù)合材料的硬度大于2700HV[11]，單晶金剛石和聚晶金剛石的硬度相近，且大于鋁基碳化硅復(fù)合材料。
（2）高強(qiáng)度和韌性：加工過程中，刀具必須要有較好的強(qiáng)度以及韌性，以便承受切削力和沖擊載荷。單晶金剛石和PCD材料的楊氏模量和抗壓強(qiáng)度優(yōu)于高速鋼、硬質(zhì)合金等材料。
（3）高耐熱性和良好的散熱性：刀具材料應(yīng)有較高的耐熱性，承受高的切削溫度，且高溫下不被氧化。PCD材料和單晶金剛石材料的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)都比其他材料好，加工時(shí)易散熱，能夠快速降低刀具溫度。
（4）較好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性：刀具材料應(yīng)有較好的加工性能和較高的性價(jià)比，單晶金剛石材料和聚晶金剛石材料的各項(xiàng)性能相近，但單晶金剛石為天然金剛石，聚晶金剛石為人造金剛石，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單晶金剛石，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于單晶金剛石。
采用PCD材料刀具，不僅可提高刀具的耐磨性，刀具成本也會(huì)相對(duì)較低，具有經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性
2.1.1 PCD粒度
PCD粒度的選擇需要考慮刀具的耐磨性和被加工工件的表面質(zhì)量。通常，PCD粒度越大，刀具硬度和耐磨性較好，但韌性較低、加工精度也較低。PCD粒度越小，韌性越好，加工精度越高，但刀具容易磨損。在粗加工中，常采用大粒度的PCD刀具，而在精加工中，多采用小粒度的
表2 各種刀具材料的物理力學(xué)性能
PCD刀具。在保證加工精度的基礎(chǔ)上，可以采用中等粒度的PCD刀具來增加刀具的耐磨性能，以降低加工成本。
對(duì)于鋁基碳化硅復(fù)合材料，常采用中細(xì)（0～32 mm）或較細(xì)（0～15 mm）的粒度。當(dāng)硅含量超過10%，不能采用最細(xì)粒度 （4～8 mm） 的刀片，這是因?yàn)楣韬刻邥?huì)使細(xì)晶粒的刀片切削刃破損.本設(shè)計(jì)刀具加工材料為高體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al復(fù)合材料，且用于精密、超精密加工，選取PCD粒度為16 mm。
2.1.2 PCD層厚度
PCD刀具一般是由聚晶金剛石刀片焊接在硬質(zhì)合金基體上制成的。PCD層厚度的選擇需要綜合考慮刀片的加工工藝和刀具性能等方面。目前PCD刀片的加工多采用電火花加工工藝，PCD層越薄，越有利于電火花加工。一般情況下，PCD復(fù)合片的厚度在0.3～1 mm，綜合考慮工藝性能和力學(xué)性能，選取厚度為0.8 mm。
2.2刀具幾何參數(shù)設(shè)計(jì)
2.2.1 球頭銑刀刀刃曲線設(shè)計(jì)
四刃球頭銑刀同時(shí)含有端刃和周刃，其柱面和球面上均為螺旋線。目前，球頭銑刀螺旋線主要有等導(dǎo)程螺旋線和等螺旋角螺旋線兩種。實(shí)踐證明，等螺旋角螺旋線切削刃刀具的性能優(yōu)于等導(dǎo)程螺旋線切削刃刀具的性能，但是在刀具制造工藝上，等導(dǎo)程螺旋線切削刃刀具的加工制造要比等螺旋角螺旋線切削刃刀具簡(jiǎn)單，使用也更為普遍]。并且，等螺旋角螺旋線在接近球頭頂部時(shí)，并不能平滑地連接，還需要單獨(dú)設(shè)計(jì)一條與其光滑連接且到達(dá)球頭頂部的刃口曲線[15]，增加了設(shè)計(jì)和加工的難度，故本刀具設(shè)計(jì)的四刃球頭立銑刀采用等導(dǎo)程螺旋線的刀刃曲線。
2.2.3刀具后角選擇
刀具后角的主要作用是減小刀具后刀面與工件之間的摩擦。后角過大將會(huì)降低切削刃強(qiáng)度，影響散熱條件，降低刀具壽命。加工硬脆材料時(shí)，載荷集中在切削刃處，為提高切削刃強(qiáng)度，應(yīng)選取較小的后角[16]。本設(shè)計(jì)中刀具后角均選擇10 ° 。
2.2.4 刀具螺旋角選擇
對(duì)于四刃球頭銑刀，刀具的刃傾角就是螺旋角。螺旋角影響切屑流出，合理的螺旋角可使切削刃逐漸切入和切出，保證銑削過程平穩(wěn)。螺旋角的選取一般20°～30°，本設(shè)計(jì)刀具螺旋角選擇30°。
重新設(shè)計(jì)后的四刃球頭銑刀平面圖如圖1所示。
3 刀具加工效果實(shí)驗(yàn)
SiCp/Al 復(fù)合材料多用于制造航天航空裝備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如果加工后工件表面刀痕明顯，表面粗糙度差，會(huì)造成工件在使用過程中失效概率大大增加，導(dǎo)致工件甚至飛行器的損壞。為提高鋁基碳化硅工件的表面粗糙度，使用重新設(shè)計(jì)后的四刃球頭銑刀進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)。
圖 2 為特制硬質(zhì)合金刀具加工高體積分?jǐn)?shù) （30%）SiCp/Al復(fù)合材料工件的加工效果及局部放大圖，該表面粗糙度 Ra 大于 10 mm，一把刀具能加工的工件數(shù)不超過一個(gè)。從實(shí)驗(yàn)中可以看出，隨著加工的進(jìn)行，刀具磨損越來
越明顯，工件表面質(zhì)量逐漸變差，加工穩(wěn)定性不好。為得到合格的加工效果，需要頻繁更換刀具，大大降低了效益。圖3為使用本次設(shè)計(jì)的PCD四刃球頭立銑刀實(shí)驗(yàn)加工效果，該表面粗糙度Ra小于0.8 mm，一把刀具可加工三個(gè)以上工件?？梢钥闯?，使用新刀具后，表面粗糙度明顯改善，刀痕較少，并且加工過程平穩(wěn)，刀具磨損程度較小，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>
4 結(jié)束語
從工件材料特性和結(jié)構(gòu)特性、刀具的工藝性能和力學(xué)性能等多方面進(jìn)行考慮，進(jìn)行了高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料復(fù)雜曲面工件的精密加工刀具設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)刀具參數(shù)。加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)刀具的加工質(zhì)量較傳統(tǒng)刀具有大的改進(jìn)，磨損程度也有明顯的減小。本刀具兼具加工性能、效益上的雙重優(yōu)點(diǎn)，在硬脆材料精密及超精密銑削加工上具有重要價(jià)值，可為PCD刀具的推廣應(yīng)用提供借鑒。本文出自深圳市石金科技股份有限公司，公司是集銷售、應(yīng)用開發(fā)，產(chǎn)品加工的石墨專業(yè)廠家，專門為模具行業(yè)、機(jī)械行業(yè)、真空熱處理爐、電子半導(dǎo)體及太陽能光伏產(chǎn)業(yè)等提供石墨材料、石墨電極和相關(guān)的石墨制品，歡迎致電13662687390
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