CN109676154A

CN109676154A - 一种碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法

Info

Publication number: CN109676154A
Application number: CN201811535088.1A
Authority: CN
Inventors: 耿林; 张学习
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2019-04-26
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: CN109676154B

Abstract

本发明公开了一种碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，涉及复合材料车削加工方法，本发明采用单晶金刚石车刀或聚晶金刚石刀片，车削加工前，将相应金刚石刀片装配于相匹配的刀柄上；在润滑液和冷却液作用下，对碳化硅晶须增强铝基复合材料进行车削。本发明使用煤油作为润滑和冷却液，以减少鳞刺的形成、减小加工表面粗糙度。通过特定的参数组合，减小了切削残余应力，提高了构件使役性能。

Description

一种碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法

技术领域

本发明涉及复合材料车削加工方法，具体涉及一种碳化硅晶须增强铝基复合材料高精度车削加工方法。

背景技术

碳化硅晶须增强铝基复合材料(SiCw/Al)复合材料是一种高性能的非连续增强金属基复合材料，其中碳化硅晶须直径0.1-1微米、长度几十-几百微米，性能特点是比强度和比刚度高、耐热、耐磨、热膨胀系数小等，因此在航天航空、机械电子和军事装备等领域有十分广泛的应用前景。

机械加工是SiCw/Al复合材料加工技术中的重要组成部分。SiCw/Al复合材料的加工特性与铝合金相近，但是，首先，由于SiCw/Al复合材料含有硬度很高的SiC晶须，因此刀具的磨损比较严重；其次，由于材料基体为铝合金，切削过程中可能产生的鳞刺对工件表面粗糙度影响很大；同时，经过挤压、锻造等塑性加工后，晶须长度方向沿着基体铝合金的流动方向排列，呈现定向排列情况，SiC晶须在基体合金中的取向对复合材料的切削性能也有很大影响，不同晶须取向的SiCw/Al复合材料的车削工艺目前仍很缺乏；最后，切削表面产生的残余应力对构件使役性能影响很大，低残余应力切削工艺仍是待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种碳化硅晶须增强铝基复合材料高精度车削加工方法，技术方案为：

采用单晶金刚石车刀或聚晶金刚石刀片，车削加工前，将相应金刚石刀片装配于相匹配的刀柄上；在润滑液和冷却液作用下，对碳化硅晶须增强铝基复合材料进行车削。

车削过程中：刀具夹角为：前角γ₀＝0-5°；后角α₀＝5-8°；主偏角K_r＝45-75°；副偏角K_r’＝10-15°；刃倾角λ_s＝0°；刀尖圆弧半径r＝0.3-0.5mm。

所述润滑液为煤油；所述冷却液为煤油。

车削过程中，进给速度V_f＝5-40mm/min,切削深度a_p＝10-50μm，切削速度V＝10-60m/min。

所述碳化硅晶须增强铝基复合材料中，碳化硅晶须体积分数为15-30％；基体为纯铝或2024、6061、7075等铝合金；复合材料制备过程中，在500℃下进行热挤压，挤压比大于12:1，从而获得热挤压棒材，其中碳化硅晶须沿棒材轴线的方向定向排列。

有益效果

本发明使用煤油作为润滑和冷却液，以减少鳞刺的形成、减小加工表面粗糙度。通过特定的参数组合，减小了切削残余应力，提高了构件使役性能。

附图说明

图1是三种不同晶须取向的SiCw/Al复合材料的车削过程示意图，a)SiC晶须无序排布；b)SiC晶须平行于待加工棒材轴线排列；c)SiC晶须垂直于待加工棒材轴线排列；

图2SiC晶须无序排布SiCw/Al复合材料在V_f＝20mm/min,a_p＝30μm,V＝55m/min条件下车削后的(a)金相显微图像和(b)三维超景深分析图像。

具体实施方式

碳化硅增强铝基复合材料棒材的制备：采用挤压铸造的方法制造SiCw/Al铝基复合材料，增强体为日本东海碳素公司生产的TWS-100β-SiC晶须，晶须体积分数为15-30％，基体为纯铝、2024、6061、7075等铝合金。将铸态SiCw/Al复合材料在500℃下进行热挤压，挤压比大于12：1，获得热挤压棒材，使晶须沿棒材轴线的方向定向排列。

取得到的分别为晶须混乱分布、晶须垂直于待加工棒材轴线、晶须平行于待加工棒材轴线的，晶须体积分数为20％的SiCw/Al铝基复合材料用于实施例。

实施例

按照以下参数对碳化硅晶须增强铝基复合材料进行高精度车削加工：

选择刀具：采用单晶金刚石车刀或聚晶金刚石刀片，刀具前角γ0＝0-5°，后角α0＝5-8°，主偏角Kr＝45-75°，副偏角Kr’＝10-15°，刃倾角λs＝0°，刀尖圆弧半径r＝0.3-0.5mm。车削加工前，将金刚石刀片装配于相匹配的刀柄上。

选择冷却液：添加煤油作为润滑和冷却液，以减少鳞刺的形成、减小加工表面粗糙度。

采用数控车床加工SiCw/Al复合材料棒材外表面。进给速度Vf＝5-40mm/min,切削深度ap＝10-50μm，切削速度V＝10-60m/min。

图1是三种不同晶须取向的SiCw/Al复合材料的车削过程示意图，其中晶须的体积分数为20％。其中，图1(a)为SiC晶须混乱分布的铸态SiCw/Al复合材料车削加工示意图，图1(b)(c)为500℃热挤压后、晶须平行于待加工棒材轴线的SiCw/Al复合材料车削加工示意图，图1(c)为晶须垂直于待加工棒材轴线的SiCw/Al复合材料车削加工示意图。

实施例结果：

表1为在不同车削参数下对晶须混乱排序的SiCw/Al复合材料(如图1a)所示)进行车削加工后测得的表面粗糙度结果。可以看出，进给速度V_f＝20mm/min,切削深度a_p＝30μm时，复合材料的表面粗糙度随着切削速度的增加而下降；切削速度V＝32m/min，切削深度a_p＝30μm时，进给速度对表面粗糙度有很大影响，随着进给速度提高，表面粗糙度明显增大；然而切削速度V＝55m/min，进给速度V_f＝20mm/min时，切削深度对表面粗糙度的影响不大。原因是铝合金是一种强度较低但是塑形很好的基体材料，而SiC晶须是一种强度很高而塑形很低的增强材料，所以在SiCw/Al复合材料切削的过程中容易产生较严重的鳞刺现象。随着切削速度V和进给速度V_f的下降，复合材料表面鳞刺出现的几率减少，鳞刺的高度也由于切用量的改变而降低，所以表面粗糙度降低。同时切削速度的提高也有可能使刀具将复合材料中的晶须直接剪断，因而产生撕裂破坏的可能性降低；另外随着进给速度的降低，刀具对材料起的碾平作用也填平了一些凹坑使复合材料表面粗糙度降低。因此从表1可以得到以下结论：当切削速度小于40m/min时，切削速度和进给速度均对SiCw/Al复合材料的表面粗糙度影响很大，但当切削速度大于40m/min时，进给速度是影响复合材料表面粗糙度的主要因素。最佳方案为当V_f＝20mm/min,a_p＝20μm,V＝55m/min时，表面粗糙度为1.42μm。

表1进给速度V_f、切削深度a_p、切削速度V对SiC晶须无序排布的SiCw/Al复合材料表面粗糙度的影响

注：“-”表示未进行本组加工参数下的测试。

图2为SiC晶须无序排布SiCw/Al复合材料在V_f＝20mm/min,a_p＝30μm,V＝8m/min的条件下切削后的显微图像以及与该区域相对应的超景深三维显微分析图像。图2(a)中的深色条纹为车削后留下的痕迹，图2(b)中颜色不同的区域代表了样品中高度不同的表面，并且通过计算得到该区域的平均粗糙度(Ra)为1.42μm，与从表1的结果相符合。

表2切削参数对SiC晶须无序排布SiCw/Al复合材料表面残余应力的影响

注：“-”表示未进行本组加工参数下的测试。

表2是不同切削参数对SiC晶须无序排布SiCw/Al复合材料表面残余应力的影响。当进给速度V_f＝20mm/min,切削深度a_p＝30μm时，随着切削速度V的提高，切削热增加，导致复合材料表面由于热应力引起的残余拉应力值增大，因此切削表面的残余压应力值减小。切削速度V＝32m/min，切削深度a_p＝30μm时，随着进给速率提高，复合材料的切削量提高，因此由于弹性恢复而造成的复合材料表面残余压应力值提高。切削速度V＝55m/min，进给速度V_f＝20mm/min时，随着切削深度提高，切削热增加，导致残余拉应力数值提高，所以复合材料切削表面残余压应力值下降。车削后，SiCw/Al复合材料的表面残余应力主要有两个来源：(1)切削的过程中，表面材料产生塑性变形，同时里层材料却处于弹性变形状态。由于车削过程中晶须对基体合金的变形牵制较大，使复合材料切削变形区的应力状态比较复杂，且内应力值较大，所以当作用力消失后，复合材料弹性变形区内较大的拉伸弹性变形趋于复原，但是晶须的存在又限制了弹性变形的复原，因此在复合材料切削表面形成了残余压应力。(2)复合材料切削过程中产生的切削热使材料切削表面温度升高，当切削后复合材料表面温度下降时，由于SiC晶须的热膨胀系数仅为铝合金热膨胀系数的六分之一左右，铝合金的收缩变形受到SiC晶须的限制，因而使复合材料切削表面的铝合金产生残余拉应力。最佳方案为当V_f＝20mm/min,a_p＝40μm,V＝55m/min时，表面残余应力为25.2MPa。

表3切削参数对SiC晶须平行于轴线排列的SiCw/Al复合材料表面粗糙度的影响

注：“-”表示未进行本组加工参数下的测试。

表3为在不同切削参数下SiC晶须平行于待加工棒材轴线排列的SiCw/Al复合材料(图1b)所示)车削后测得的表面粗糙度结果。可以看出，切削速度、进给速度对表面粗糙度的影响较大，而切削深度对表面粗糙度几乎没有影响。当切削速度较低，进给速度较高时，在工件表面有明显的鳞刺产生，导致了表面粗糙度的下降，同时在切削的过程中产生了积屑瘤，也对表面质量产生了恶劣的影响。最佳方案为当V_f＝10mm/min,a_p＝30μm,V＝32m/min时，表面粗糙度为1.43MPa。

Claims

1.一种碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：采用单晶金刚石车刀或聚晶金刚石刀片，车削加工前，将相应金刚石刀片装配于相匹配的刀柄上；在润滑液和冷却液作用下，对碳化硅晶须增强铝基复合材料进行车削。

2.根据权利要求1所述的碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：所述车削过程中：刀具前角γ₀＝0-5°；后角α₀＝5-8°。

3.根据权利要求1或2所述的碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：所述车削过程中：刀具主偏角K_r＝45-75°；副偏角K_r’＝10-15°。

4.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：所述车削过程中：刀具刃倾角λ_s＝0°。

5.根据权利要求4所述的碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：所述车削过程中：刀具刀尖圆弧半径r＝0.3-0.5mm。

6.根据权利要求1或2或3所述的碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：所述车削过程中：刀具刀尖圆弧半径r＝0.3-0.5mm。

7.根据权利要求1所述的碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：所述润滑液为煤油；所述冷却液为煤油。

8.根据权利要求1所述的碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：所述车削过程中，进给速度V_f＝5-40mm/min。

9.根据权利要求1所述的碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：所述车削过程中，切削深度a_p＝10-50μm。

10.根据权利要求1所述的碳化硅晶须增强铝基复合材料车削加工方法，其特征在于：所述车削过程中，切削速度V＝10-60m/min。