SiCp/Al复合材料复杂曲面的精密加工刀(dāo)具设计
发布时间：2020-09-17 点击次数：3667
0引言
铝基碳化硅复合材料(SiCp/Al)是采用(yòng)铝合金作基體(tǐ)，以碳化硅颗粒作增强相，通过粉末冶金技术烧结制成的一种金属基复合材料。SiCp/Al复合材料拥有(yǒu)一般金属合金材料所不具备的低密度、高比强度、高比刚度、高耐磨性、低热膨胀系数、高耐蚀性和可(kě)采用(yòng)传统金属加工工艺加工等优良性能(néng)，被广泛应用(yòng)于航空航天和先进武器装备中。随着碳化硅增强相體(tǐ)积分(fēn)数的增加，其硬度、脆性显著增加，且多(duō)数零件的曲面并不是简单的平面或圆面，常规刀(dāo)具难以完成加工，刀(dāo)具磨损现象严重，导致加工质量不好、加工成本过高。因此，高體(tǐ)积分(fēn)数SiCp/Al复合材料加工刀(dāo)具的研究具有(yǒu)重要意义。
聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond，PCD)是目前世界上发现的人造物(wù)质中最硬的材料。与硬质合金刀(dāo)相比，PCD刀(dāo)具具有(yǒu)寿命長(cháng)、切削速度高、耐冲击性好、工件表面质量稳定等特点。在铝基碳化硅复合材料的加工中，PCD刀(dāo)具的使用(yòng)可(kě)减少材料表面的刀(dāo)纹，降低其表面粗糙度，增加刀(dāo)具寿命。
利用(yòng)多(duō)轴联动加工中心，以多(duō)刃球头立铣刀(dāo)為(wèi)加工刀(dāo)具的铣削加工是工件复杂曲面的重要加工形式。由于工件材料和刀(dāo)具材料的特殊性，刀(dāo)具的几何参数不能(néng)简单依照已有(yǒu)标准的参数来选择。因此，本文(wén)综合工件材料特性、刀(dāo)具材料特性、刀(dāo)具磨损特性等，以提高加工质量和刀(dāo)具耐用(yòng)度為(wèi)目的，进行多(duō)因素优化设计，得到新(xīn)的四刃PCD球头立铣刀(dāo)。
1铝基碳化硅复合材料的性能(néng)
1.1物(wù)理(lǐ)、力學(xué)性能(néng)
SiCp/Al 复合材料比重与铝相当，而强度、刚度却很(hěn)高，并且具有(yǒu)高比强度和比刚度、低热膨胀系数、低密度、高微屈服强度、良好的尺寸稳定性、导热性以及耐磨、耐疲劳等优异的力學(xué)性能(néng)和物(wù)理(lǐ)性能(néng)[6]。表1為(wèi)碳化硅铝基复合材料与其基體(tǐ)合金力學(xué)性能(néng)的对比。随着碳化硅增强相體(tǐ)积分(fēn)数的增加，复合材料的力學(xué)性能(néng)相应变化，从表1可(kě)以看出，随着增强相的加入及其體(tǐ)积分(fēn)数的增加，复合材料的各项力學(xué)性能(néng)均有(yǒu)明显的提高，而延伸性有(yǒu)所下降。
表1 碳化硅铝基复合材料及其基體(tǐ)力學(xué)性能(néng)
1.2切削加工性能(néng)
铝基碳化硅复合材料的切削直接受碳化硅增强颗粒的體(tǐ)积分(fēn)数影响。由于材料中高硬度、高强度、高耐磨性的碳化硅增强颗粒的存在，导致切削加工中工件表面质量差、刀(dāo)具磨损严重，使得刀(dāo)具的寿命大大缩短，显著地增加了加工成本。当颗粒體(tǐ)积分(fēn)数高、工件體(tǐ)积小(xiǎo)时，切削加工困难，精密、超精密加工更是困难。同时，由于颗粒均匀分(fēn)布在基體(tǐ)中，使得材料具有(yǒu)硬而脆的特点，在精密切削加工过程中，工件容易产生微小(xiǎo)的崩角，直接影响加工表面的完整性。这些问题，在很(hěn)大程度上限制了碳化硅铝基复合材料的应用(yòng)和推广。
2 刀(dāo)具的设计
结合加工中心的特性和被加工工件复杂曲面的特点以及精密加工的要求，加工刀(dāo)具选取為(wèi)四刃球头立铣刀(dāo)。铣刀(dāo)的材料、几何角度等的选取需要根据加工工件材料特性来确定。
2.1刀(dāo)具材料的选择
铝基碳化硅复合材料具有(yǒu)硬脆的特性，表2為(wèi)各种刀(dāo)具材料的物(wù)理(lǐ)力學(xué)性能(néng)对照。 刀(dāo)具材料的选择对刀(dāo)具的寿命、加工效率、加工质量和加工成本等影响很(hěn)大。刀(dāo)具在切削时会承受高温、高压、磨损以及冲击等作用(yòng)，因此，加工工件时，刀(dāo)具应具有(yǒu)以下基本性能(néng)。
（1）高硬度和高耐磨性：刀(dāo)具材料硬度必须高于工件材料硬度，刀(dāo)具材料越硬，耐磨性也越好。體(tǐ)积分(fēn)数為(wèi)50%的铝基碳化硅复合材料的硬度大于2700HV[11]，单晶金刚石和聚晶金刚石的硬度相近，且大于铝基碳化硅复合材料。
（2）高强度和韧性：加工过程中，刀(dāo)具必须要有(yǒu)较好的强度以及韧性，以便承受切削力和冲击载荷。单晶金刚石和PCD材料的杨氏模量和抗压强度优于高速钢、硬质合金等材料。
（3）高耐热性和良好的散热性：刀(dāo)具材料应有(yǒu)较高的耐热性，承受高的切削温度，且高温下不被氧化。PCD材料和单晶金刚石材料的导热率和热膨胀系数都比其他(tā)材料好，加工时易散热，能(néng)够快速降低刀(dāo)具温度。
（4）较好的工艺性和经济性：刀(dāo)具材料应有(yǒu)较好的加工性能(néng)和较高的性价比，单晶金刚石材料和聚晶金刚石材料的各项性能(néng)相近，但单晶金刚石為(wèi)天然金刚石，聚晶金刚石為(wèi)人造金刚石，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小(xiǎo)于单晶金刚石，经济性优于单晶金刚石。
采用(yòng)PCD材料刀(dāo)具，不仅可(kě)提高刀(dāo)具的耐磨性，刀(dāo)具成本也会相对较低，具有(yǒu)经济性和实用(yòng)性
2.1.1 PCD粒度
PCD粒度的选择需要考虑刀(dāo)具的耐磨性和被加工工件的表面质量。通常，PCD粒度越大，刀(dāo)具硬度和耐磨性较好，但韧性较低、加工精度也较低。PCD粒度越小(xiǎo)，韧性越好，加工精度越高，但刀(dāo)具容易磨损。在粗加工中，常采用(yòng)大粒度的PCD刀(dāo)具，而在精加工中，多(duō)采用(yòng)小(xiǎo)粒度的
表2 各种刀(dāo)具材料的物(wù)理(lǐ)力學(xué)性能(néng)
PCD刀(dāo)具。在保证加工精度的基础上，可(kě)以采用(yòng)中等粒度的PCD刀(dāo)具来增加刀(dāo)具的耐磨性能(néng)，以降低加工成本。
对于铝基碳化硅复合材料，常采用(yòng)中细（0～32 mm）或较细（0～15 mm）的粒度。当硅含量超过10%，不能(néng)采用(yòng)最细粒度 （4～8 mm） 的刀(dāo)片，这是因為(wèi)硅含量太高会使细晶粒的刀(dāo)片切削刃破损.本设计刀(dāo)具加工材料為(wèi)高體(tǐ)积分(fēn)数的SiCp/Al复合材料，且用(yòng)于精密、超精密加工，选取PCD粒度為(wèi)16 mm。
2.1.2 PCD层厚度
PCD刀(dāo)具一般是由聚晶金刚石刀(dāo)片焊接在硬质合金基體(tǐ)上制成的。PCD层厚度的选择需要综合考虑刀(dāo)片的加工工艺和刀(dāo)具性能(néng)等方面。目前PCD刀(dāo)片的加工多(duō)采用(yòng)電(diàn)火花(huā)加工工艺，PCD层越薄，越有(yǒu)利于電(diàn)火花(huā)加工。一般情况下，PCD复合片的厚度在0.3～1 mm，综合考虑工艺性能(néng)和力學(xué)性能(néng)，选取厚度為(wèi)0.8 mm。
2.2刀(dāo)具几何参数设计
2.2.1 球头铣刀(dāo)刀(dāo)刃曲線(xiàn)设计
四刃球头铣刀(dāo)同时含有(yǒu)端刃和周刃，其柱面和球面上均為(wèi)螺旋線(xiàn)。目前，球头铣刀(dāo)螺旋線(xiàn)主要有(yǒu)等导程螺旋線(xiàn)和等螺旋角螺旋線(xiàn)两种。实践证明，等螺旋角螺旋線(xiàn)切削刃刀(dāo)具的性能(néng)优于等导程螺旋線(xiàn)切削刃刀(dāo)具的性能(néng)，但是在刀(dāo)具制造工艺上，等导程螺旋線(xiàn)切削刃刀(dāo)具的加工制造要比等螺旋角螺旋線(xiàn)切削刃刀(dāo)具简单，使用(yòng)也更為(wèi)普遍]。并且，等螺旋角螺旋線(xiàn)在接近球头顶部时，并不能(néng)平滑地连接，还需要单独设计一条与其光滑连接且到达球头顶部的刃口曲線(xiàn)[15]，增加了设计和加工的难度，故本刀(dāo)具设计的四刃球头立铣刀(dāo)采用(yòng)等导程螺旋線(xiàn)的刀(dāo)刃曲線(xiàn)。
2.2.3刀(dāo)具后角选择
刀(dāo)具后角的主要作用(yòng)是减小(xiǎo)刀(dāo)具后刀(dāo)面与工件之间的摩擦。后角过大将会降低切削刃强度，影响散热条件，降低刀(dāo)具寿命。加工硬脆材料时，载荷集中在切削刃处，為(wèi)提高切削刃强度，应选取较小(xiǎo)的后角[16]。本设计中刀(dāo)具后角均选择10 ° 。
2.2.4 刀(dāo)具螺旋角选择
对于四刃球头铣刀(dāo)，刀(dāo)具的刃倾角就是螺旋角。螺旋角影响切屑流出，合理(lǐ)的螺旋角可(kě)使切削刃逐渐切入和切出，保证铣削过程平稳。螺旋角的选取一般20°～30°，本设计刀(dāo)具螺旋角选择30°。
重新(xīn)设计后的四刃球头铣刀(dāo)平面图如图1所示。
3 刀(dāo)具加工效果实验
SiCp/Al 复合材料多(duō)用(yòng)于制造航天航空装备的关键结构，如果加工后工件表面刀(dāo)痕明显，表面粗糙度差，会造成工件在使用(yòng)过程中失效概率大大增加，导致工件甚至飞行器的损坏。為(wèi)提高铝基碳化硅工件的表面粗糙度，使用(yòng)重新(xīn)设计后的四刃球头铣刀(dāo)进行了加工实验。
图 2 為(wèi)特制硬质合金刀(dāo)具加工高體(tǐ)积分(fēn)数 （30%）SiCp/Al复合材料工件的加工效果及局部放大图，该表面粗糙度 Ra 大于 10 mm，一把刀(dāo)具能(néng)加工的工件数不超过一个。从实验中可(kě)以看出，随着加工的进行，刀(dāo)具磨损越来
越明显，工件表面质量逐渐变差，加工稳定性不好。為(wèi)得到合格的加工效果，需要频繁更换刀(dāo)具，大大降低了效益。图3為(wèi)使用(yòng)本次设计的PCD四刃球头立铣刀(dāo)实验加工效果，该表面粗糙度Ra小(xiǎo)于0.8 mm，一把刀(dāo)具可(kě)加工三个以上工件。可(kě)以看出，使用(yòng)新(xīn)刀(dāo)具后，表面粗糙度明显改善，刀(dāo)痕较少，并且加工过程平稳，刀(dāo)具磨损程度较小(xiǎo)，达到了实验目的。
4 结束语
从工件材料特性和结构特性、刀(dāo)具的工艺性能(néng)和力學(xué)性能(néng)等多(duō)方面进行考虑，进行了高體(tǐ)积分(fēn)数SiCp/Al复合材料复杂曲面工件的精密加工刀(dāo)具设计，优化设计刀(dāo)具参数。加工实验结果表明设计刀(dāo)具的加工质量较传统刀(dāo)具有(yǒu)大的改进，磨损程度也有(yǒu)明显的减小(xiǎo)。本刀(dāo)具兼具加工性能(néng)、效益上的双重优点，在硬脆材料精密及超精密铣削加工上具有(yǒu)重要价值，可(kě)為(wèi)PCD刀(dāo)具的推广应用(yòng)提供借鉴。本文(wén)出自深圳市石金科(kē)技股份有(yǒu)限公司，公司是集销售、应用(yòng)开发，产品加工的石墨专业厂家，专门為(wèi)模具行业、机械行业、真空热处理(lǐ)炉、電(diàn)子半导體(tǐ)及太阳能(néng)光伏产业等提供石墨材料、石墨電(diàn)极和相关的石墨制品，欢迎致電(diàn)13662687390
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