SiCp/ZL201复合材料切削加工性能研究
摘要:用硬质合金YG6和高速钢W18Cr4V为切削刀具,研究了碳化硅颗粒增强ZL201复合材料中的碳化硅颗粒含量及其尺寸等参数对切削加工性能的影响。试验结果表明:碳化硅颗粒尺寸越大、碳化硅含量越多,对刀具的磨损速度越快;在相同材料、相同切削条件下,高速钢比硬质合金刀具磨损速度快;碳化硅颗粒粗大,加工工件表面粗糙度大,且随颗粒含量的增加而增大,而碳化硅颗粒细小时,加工表面粗糙度较小,且随着颗粒含量的增加而减小。探讨了刀具磨损机理,认为复合材料对刀具的磨损属磨粒磨损。
1 前言
2 试验方法
r=90°,K′r=15°,ls=0°。
c=28m/min,ap=0.4mm,f=0.2mm/r。② vc=72m/min,ap=0.2mm,f=0.1mm/r。用读数显微镜测量车刀后刀面的磨损值VB,用JSG—1型光切法显微镜测量复合材料己加工表面的粗糙度。
3 试验结果及讨论
- 碳化硅颗粒尺寸对切削性能的影响
-
在不同的切削参数条件下,用硬质合金和高速钢刀具切削复合材料和基体合金。试验材料对刀具后刀面的磨损曲线如图1、图2所示。可见无论是高速钢还是硬质合金刀具,在相同切削参数下,复合材料对其后刀面的磨损量均比基体合金大。为了比较不同复合材料对刀具后刀面的磨损速度,把图中曲线进行一元线性回归处理,其回归方程的斜率即为该曲线对应复合材料对刀具的磨损速度(mm/min)。
曲线的回归方程为: - 曲线1:VB=0.012+0.061t
- 曲线2:VB=0.017+0.034t
- 曲线3:VB=0.018+0.018t
-
曲线4:VB=-0.0145+0.013t
(a) - 曲线1:VB=0.028+0.082t
- 曲线2:VB=0.007+0.042t
- 曲线3:VB=0.0216t
-
曲线4:VB=-0.0038+0.0148t
(b) - 曲线1:VB=0.015+0.045t
- 曲线2:VB=0.0015+0.0285t
- 曲线3:VB=-0.022+0.0152t
-
曲线4:VB=-0.027+0.0096t
(a) - 曲线1:VB=0.0012+0.058t
- 曲线2:VB=0.030+0.030t
- 曲线3:VB=0.015+0.0169t
-
曲线4:VB=-0.015+0.0116t
(b) - 碳化硅颗粒含量对切削性能的影响
曲线的回归方程为:
1-10%SiC(80µm), 2-5%SiC(80µm), 3-10%SiC(14µm), 4-5%SiC(14µm), 5-ZL201
图1 高速钢刀具后刀面磨损曲线
曲线回归方程为:
曲线回归方程为:
1-10%SiC(80µm), 2-5%SiC(80µm), 3-10%SiC(14µm), 4-5%SiC(14µm), 5-ZL201
图2 硬质合金刀具后刀面磨损曲线,dd>比较各图曲线1、3和2、4的回归方程斜率可知,碳化硅颗粒尺寸越大,复合材料对刀具后刀面的磨损速度也越快。特别是高速钢切削10%SiC(80µm)复合材料时,刀具磨损很快,切削不到3分钟,磨损量就超过0.2mm(图1)。说明高速钢切削粗颗粒碳化硅增强铝合金复合材料是不合适的。切削细碳化硅颗粒复合材料时,其对刀具的磨损速度远小于切削粗颗粒复合材料。特别是对5%SiC(14µm)复合材料,高速钢和硬质合金刀具均可对其连续切削较长时间,而且允许比较高的切削速度。比较图1和图2相同切削参数下的同号曲线可知,复合材料对高速钢刀具的磨损速度大于硬质合金刀具。说明切削碳化硅颗粒增强ZL201合金复合材料时,硬质合金刀具的耐磨性要比高速钢优良。这是因为碳化硅颗粒具有很高的硬度(HV2800),颗粒在基体合金中的分布是无方向性、呈不连续分布。因此颗粒增强铸造铝合金复合材料具有各向同性。当碳化硅颗粒粗大时,切削过程中易受刀刃的挤压、撞击而转动、破碎、甚至脱落。这就加强了硬的碳化硅颗粒对刀具的磨损及刮划作用,增大了刀具后刀面的磨损速度。而碳化硅颗粒越细小,其在基体ZL201中的分布越弥散,切削时颗粒容易在切削变形区随基体变形,也可以在切削力作用下将细的碳化硅颗粒压进切屑中或已加工的工件表面,使刀具切削时,直接接触碳化硅的几率减小,从而减小对刀具的磨损速度,使常用的高速钢W18Cr4V和硬质合金YG6刀具也能较长时间切削细碳化硅颗粒增强ZL201基复合材料。硬质合金比高速钢有更高的硬度和耐磨性,在相同切削条件下,硬质合金比高速钢磨损速度小。
(a)高速钢刀具切削
(b)硬质合金刀具切削图3 复合材料加工表面粗糙度
4 结论
- 高速钢或硬质合金刀具可对细碳化硅颗粒的ZL201合金复合材料进行连续较长时间切削,而不宜切削加工粗碳化硅颗粒的ZL201合金复合材料。
- 碳化硅颗粒含量越大,复合材料对高速钢和硬质合金刀具的磨损越快。在相同条件下,复合材料对高速钢刀具的磨损速度大于硬质合金刀具的磨损速度。
- 碳化硅颗粒尺寸越大,复合材料加工表面的粗糙度越大,且随颗粒含量的增加而增大;碳化硅颗粒细小,复合材料加工表面粗糙度小,且随颗粒含量增加而减小。
- 碳化硅颗粒增强ZL201合金复合材料对高速钢和硬质合金刀具的主要磨损为磨粒磨损。
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