如何解决SiC/Al合金的车铣加工难题

标签: 加工制造 经验之谈

2019-10-25

1. 引言


SiC/Al合金属铝基复合材料, 归属于“ 难加工材料” ,实际上加工时它形成短切屑,且基体一般为铝合金,主要是其内加入的颗粒增强材料的硬度很高,如SiC的硬度高达3 000~3 500HV。硬质颗粒分布在基体中,犹如砂轮中的磨粒一样会对刀具的切削刃起刮磨和冲击作用,使切削刃很快磨损。硬质颗粒硬度愈高,颗粒尺寸愈大,颗粒数量愈多,则刀具磨损愈快,SiC颗粒脱离更明显,如图1所示。因此不能将从加工传统材料中获得的经验和知识直接应用于复合材料的加工,必须通过试切削对其加工性能进行研究。

2. 材料结构特性和加工刀具试验


试切削过程中用YW3硬质合金刀具车削含量为16%~18%的SiC/Al复材壳体零件(见图2)及渗碳体铸铁材料,同样切削条件下前者只切削几分钟就在刀具前、后刀面上产生严重的磨粒磨损而失效,其寿命不足切削铸铁的1/3。将被切削材料换成40%~42%的SiC/Al合金,刀具磨损比切削16%~18%的SiC/Al还要快得多。如用涂层硬质合金刀具加工,复合材料中的硬质颗粒仍会很快将涂层磨穿并迅速扩展到硬质合金基体中使刀具迅速磨损,用传统的硬质合金刀具很难进行加工,刀具寿命很低或根本无法使用

3. 刀具切削材料和角度分析


多次试切削证明,金刚石是加工金属基复合材料的最佳刀具材料。用金刚石加工SiC/Al复合材料,在充分冷却前提下,其切削速度可达40~120m/min,刀具寿命比硬质合金高几倍甚至几十倍,而且加工表面粗糙度值可达Ra =0.8μm或更小。这是因为金刚石不但硬度高、耐磨性好,可长时间保持锋利的切削刃,刃部粗糙度值小,而且摩擦因数低,抗粘结性好,热导率高,切削时不易粘刀及产生积屑瘤,故加工表面质量也远比其他刀具高。


在加工铝基复合材料时,既可采用PCD也可使用TFD(CVD厚膜)金刚石刀具,多种刀具加工40%SiC/Al材料时的刀具磨损曲线如图3所示。试验时采用的切削条件为:车削加工,切削速度40m/min,进给量为0.05mm/r,切削深度0.5mm,加切削液。


由图3可知,加工40%SiC/Al复合材料,使用TFD金刚石刀具的效果最好,粗晶粒PCD025次之,细晶粒PCD002刀具的使用寿命较低。所以PCD025刀具具有较高耐磨性适合于粗加工和要求刀具有较高断裂韧度的生产中,CVD厚膜和单晶金刚石刀具多用于高速精加工和半精加工。


切削试验证明, 增大前角可有效降低主切削力从而减小材料边缘SiC颗粒解离、破碎和脱落产生裂纹等缺陷。后角增加则刀具更易切入、切削力减小,但同时刀具磨损加剧、刀具寿命降低。实践证明SiC/Al金属基复合材料车削加工刀具前角采用3°~6°,后角5°~8°,可兼顾刀具寿命及材料加工性能,提升加工表面质量及效率。铣刀加工选用小螺旋升角PCD或CVD立铣刀,避免大螺旋角刀具切削加工时,SiC/Al颗粒在主切削力作用下分离母材造成材料表面质量降低的现象,一般选用小于10°的螺旋升角刀具。

4. 切削参数固化


金刚石是加工金属基复合材料的最佳刀具材料。金刚石晶粒尺寸大小对刀具的寿命和加工表面质量有直接影响。晶粒尺寸愈大,金刚石耐磨性愈好,刀具寿命愈高,但加工表面质量稍差;反之,细晶粒刀具有较好的加工表面质量。另外,切削速度和进给量对加工表面粗糙度有直接影响。切削速度愈高和进给量愈小,加工表面粗糙度值将降低,而切削深度的影响并不显着。


(1)在用厚膜金刚石TFD硬质合金立铣刀对SiC颗粒增强铝基复合材料进行高速加工的过程中,随着车、铣削速度加快,单位时间内的切削体积增大,局部切削温度急剧升高,高强度增强颗粒的解离、破碎和脱落增多,导致切削力、切削振动和工件表面粗糙度值也随之增大,刀具磨损加剧。


当采用较大的切削用量(ap=1.5mm, f =0.05m m/r , v=130m/min)进行高速车、铣削时,切削振动较大,加工表面上会产生很多硬颗粒脱落凹坑、裂纹等缺陷,表面形貌变差。


车削刀具前角采用3°~6°,后角5°~8°。当车削深度ap=0.5mm、进给量f=0.09mm/r时,在车削速度v=20~40m/min范围内,充分冷却后,刀具寿命增加,车削加工表面光亮平整。


铣刀加工选用小螺旋升角PCD或CVD立铣刀,顺铣,吃刀宽度小于刀直径的1/3。当铣削深度ap=0.5mm、进给量f=0.02mm/r时,在铣削速度v=10~40m/min(主轴转速n=530~2123r/min)范围内, 铣削加工表面光亮平整,表面形貌很好。


(4)实践证明冷却液采用煤油基或冷却及润滑效果更好的TONC550-2乳化切削液,刀具寿命增加,加工表面光亮平整。

5. 螺纹切削加工方案优化


针对图2所示SiC/Al工件内螺纹M16×1的加工而言,SiC/Al复合材料脆性高,它在加工螺纹时,螺纹入口和收口起刀处至一个导程距离段内,因切削力和应力集中导致牙顶崩碎,牙型顶部呈现锯齿状。螺纹旋接时,此处受力易使工件崩碎掉渣从而产生多余物,会影响整个喷管部位的安全和性能。


为避免这一现象的发生,经过多次试切试验, 改变加工顺序:车螺纹底孔→ 倒角→ 车螺纹→切退刀槽→倒角,这一方案在加工时,使用成形刀加工出倒角。这样可有效降低螺纹加工中因切削力和应力集中导致的牙顶崩碎现象。螺纹加工完成后,使用自制内螺纹牙型刮刀(见图4)手工去除出入口部位毛刺,并将该部位牙顶的锯齿刮平修光。最终使加工出的螺纹满足设计要求,内外形加工采用同样加工路径。

6. 结语


实践证明,随着切削速度的提高和进给量的减少,加工表面粗糙度值将减少,而切削深度对表面粗糙度的影响并不显著。故精加工时,切削速度应取较大的数值,进给量取小值。


用金刚石加工金属基复合材料,可以干式切削,也可湿式切削。但因金刚石的热稳定性低,在700~800℃时它将碳化(即石墨化),使刀具寿命急剧降低。


如用切削液湿式切削,可使切削温度降低,刀具寿命增加。但在刀具切入工件前至切削完毕为止,切削液必须连续供给,不能时断时续,否则容易引起刀具破损或崩刃。同理,在切削过程中还应尽量避免中途停车或变换切削用量。


采用该技术在某型号惯性陀螺和阻尼垫板批量车、铣加工过程中,车、铣削加工表面光亮、平整。刀具耐用度及经济性明显提高。零件精度完全符合图纸及技术要求,圆满完成型号任务的生产。


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