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AL/SiC顆粒金屬基復(fù)合材料的加工
摘要
盡管金屬基復(fù)合材料顆粒具有優(yōu)越的機(jī)械性能和熱性能，但是有限的切削性卻一直使金屬部件的替代受到很大的威懾。在加工過程中，增強(qiáng)硬磨料的相時(shí)會(huì)導(dǎo)致加工工具的快速磨損，因此，會(huì)產(chǎn)生較高的加工費(fèi)用。一系列高速轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試只為選擇最佳刀具材料，刀具幾何形狀和切削參數(shù)來車削含有20%的SiC/AL金屬基復(fù)合材料。結(jié)果表明,多晶金剛石工具（PCD）與氧化鋁和涂層硬質(zhì)合金工具相比，可以提供給用戶滿意的刀具壽命。其中在金屬基復(fù)合材料的加工下研究過程中，后面一種材料的工具更容易受到過度的邊緣碎屑和月牙洼磨損。此外，PCD刀具的成本可通過在干切削進(jìn)給量f=0.45mm，切割速度V=894 m/s與切削深度為1.5毫米時(shí)被鑒別。與這些切削參數(shù)類似, 在刀具上形成相對(duì)較小的累積起來邊緣，會(huì)很好的保護(hù)它免受進(jìn)一步邊緣上工具的磨損和磨損。具有零度前角和較大刀具半徑的多晶硅刀具大多被用于粗加工。
關(guān)鍵詞：金屬基復(fù)合材料，刀具磨損
1 簡(jiǎn)介
一組新形式的金屬基復(fù)合材料（MMCs）已受到大量的研究，因?yàn)樵?0世紀(jì)80年代早期的試驗(yàn)工程材料中，最流行的材料為硅，碳化硅，氧化鋁，鋁，鈦，磁性地層，其中鈦和鎂合金是常用的基體相。大多數(shù)金屬?gòu)?fù)合材料密度約為三分之一。在鋼鐵行業(yè)，由于這些潛在高強(qiáng)度和剛度吸引力再加上在高溫?zé)o法工作的性能，導(dǎo)致金屬基復(fù)合材料競(jìng)爭(zhēng)非常嚴(yán)峻。在航空航天和汽車應(yīng)用中，高溫合金，陶瓷，塑料被重新設(shè)計(jì)的鋼件。后者中的材料，操作方法比以往任何時(shí)候都不可能有太多的進(jìn)步，今后仍然不可避免。
有人對(duì)金屬基復(fù)合材料微粒（PMMCs）特別感興趣，不只是因?yàn)樗麄儽憩F(xiàn)出較高的延性和金屬基復(fù)合材料向異性。此外，PMMs提供了卓越的耐磨性。雖然許多工程元件制成PMMCs是由形狀近乎成形和精進(jìn)的鑄造工藝，但是他們需要這些系列，其中荷蘭國(guó)際集團(tuán)達(dá)到了預(yù)期的尺寸和表面光潔度。PMMCs加工提出了重大挑戰(zhàn)，因?yàn)榧庸滩牧系臄?shù)量明顯比常用高速鋼（HSS）和硬質(zhì)合金工具更難。因此，鋼筋相磨具磨損快的原因，普遍是因?yàn)槭褂玫腜MMCs，其明顯阻礙其加工性和高加工成本。
文獻(xiàn)綜述
從現(xiàn)有文獻(xiàn)上很明顯看出PMMCs的性能，
密度（克／立方厘米） 2.77
熱導(dǎo)率（卡爾／厘米·秒·K﹚在22oC 0.47
比熱（卡爾／克·k）
100℃ 0.218
200℃ 0.239
300℃ 0.259
平均熱膨脹系數(shù)
50－100℃ 17.5
50－300℃ 21.1
50－500℃ 21.4
極限強(qiáng)度 （） 262
屈服強(qiáng)度（） 21.4
伸長(zhǎng)率（％） 1.9
彈性模量（GPA） 98.6
洛氏硬度（B） 67±1.5
表1典型的 F3S.20S物理性能特性的形態(tài)，分布和數(shù)量的增強(qiáng)相分?jǐn)?shù)，以及矩陣的性質(zhì)，都是影響因素，整體切割工藝相對(duì)較少，但尚未涉及到工程的生產(chǎn)力的工藝優(yōu)化。例如，莫納亨研究在加入25％碳化硅和鋁硬質(zhì)合金刀具的磨損機(jī)理。PMMC在速度低于20米每分鐘時(shí)的加工速度開發(fā)了一種工具壽命的關(guān)系，為硬質(zhì)合金刀具加工過程中碳化硅和鋁PMMCs在速度低于每分鐘100米時(shí)。然而，文獻(xiàn)的作者建議的內(nèi)置式邊現(xiàn)象，是在觀察期間碳化硅加工進(jìn)一步研究鋁PMMCs。Reillyet等排名刀具磨損方面的各種刀具材料，然而，他們的切削用量不超過每分鐘125米和f=1.0mm，這是取得使用立方氮化硼工具。類似測(cè)試結(jié)果報(bào)告了布倫等在有關(guān)刀具的磨損率，主要是由于磨損涉及到刀具的硬度。 Winery歸因于碳化物耐磨工具，打磨表面上形成氧化鋁顆粒擦在芯片的流動(dòng)方向的工具。不過，拉伸顆粒也有可能導(dǎo)致同樣的效果，碳化硅顆粒硬度大于WC。托馬茨認(rèn)為少于氧化鋁和碳化硅的硬度涂層提供碳化硅加工過程中幾乎沒有任何優(yōu)勢(shì)：鋁PMMCs。布倫提出使用較低的切削速度，減少切削溫度，從而加速擴(kuò)散和粘著磨損和熱削弱工具。由于鋁的工具面和晶界自扣押的地點(diǎn)，作者建議使用硬質(zhì)合金工具與大的晶粒尺寸。
一些研究者表明，多晶金剛石（PCD）的工具是唯一的工具伴侶-里亞爾，它是提供一個(gè)有用的工具，能夠生活在鋁PMMCs在的加工。 PCD是難比Al2O3和和不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)傾向與工件材料。托馬茨比較了化學(xué)氣相沉積法（CVD）插入到錫，鈦（CN）和氧化鋁涂層刀具的性能?；瘜W(xué)氣相沉積工具提供更好的整體比其他工具的性能。 Lane 研究了不同的心血管疾病的工具，薄，厚的薄膜的性能。根據(jù)他們的觀察，化學(xué)氣相沉積薄膜的工具與失敗在這20％碳化硅端銑災(zāi)難性的鋁PMMC。這個(gè)工具的失敗是由于涂層剝落和由此產(chǎn)生的損壞年齡相對(duì)軟硬質(zhì)合金襯底。此外，具有較好的晶粒尺寸25毫米PCD刀具磨損微承受比為10毫米晶粒尺寸切割工具的磨損。在聚晶金剛石晶粒尺寸進(jìn)一步增加不利于刀具壽命，而導(dǎo)致在表面光潔度顯著惡化。
表三
刀具材料對(duì)切削力和溫度影響 (r =1.6mm; α =0°)
刀具材料 測(cè)量切削力 (N) 測(cè)量切削溫度 (°C)
PCD (v=894 m min-1; 97.00 440
F=0.45 mm rev-1;doc =2.5 mm)
PCD (v=670 m min-1; 98.10 410
f =0.25 mm rev-1;Doc=1.5 mm)
Al2O3(v=248 m min-1; 183.85 520
f=0.2 mm rev-1; Doc=0.5 mm)
TiN (6 248 m min-1; 143.52 500
f=0.2 mm rev-1; Doc=0.5 mm
這是因?yàn)榫Я３叽绲腜CD材料的刀具在25毫米很容易退出了邊緣。相對(duì)于切削參數(shù)對(duì)刀具壽命等影響減少了。主要?dú)w因于對(duì)PCD刀具的磨損（由磨損）在防皺到在所獲得的動(dòng)能增加碳化硅顆粒磨。另一方面，布倫等由于在刀具磨損中的熱降解增加刀具材料。刀具磨損被認(rèn)為與車削材料成反比。托馬茨等把刀具壽命歸因于在更高的進(jìn)給量增加了復(fù)合材料的熱軟化。作者認(rèn)為，工件材料變得柔軟和顆粒成為壓入工件，造成工具本身磨損少。然而,莫林認(rèn)為由于以更大的進(jìn)給量減少對(duì)刀具前沿的磨損，磨料碳化硅顆粒減少接觸。盡管在解釋背后的不同進(jìn)給量工具磨損機(jī)理的爭(zhēng)論，所有的研究人員建議使用切割進(jìn)給速度和進(jìn)給量是在粗加工盡可能咄咄逼人。最后，關(guān)于冷卻液的應(yīng)用，在美國(guó)科學(xué)家建議以便對(duì)于可能采取的保護(hù)優(yōu)勢(shì)建成邊緣現(xiàn)象。
總之，進(jìn)行文獻(xiàn)回顧顯示，更積極的（速度，進(jìn)給量和切削深度）切削參數(shù)的影響還需要進(jìn)一步重新搜索，以改善切削過程的經(jīng)濟(jì)性。此外，一些重要參數(shù)進(jìn)行了前人所忽略，其中有刀具幾何形狀和冷卻劑的應(yīng)用。
2 試驗(yàn)材料和切割工具
2.1工件材料
該加工利用Duralcan進(jìn)行了調(diào)查 F3S.20S鋁：碳化硅金屬基復(fù)合材料。有一對(duì)顆粒平均直徑為12毫米。表1顯示了對(duì)A356- 20％的PMMC的物理力學(xué)性能一些。在此之前進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，測(cè)試材料是完全熱處理對(duì)T71條件。測(cè)試材料是在對(duì)一百七十七點(diǎn)八毫米直徑305毫米的長(zhǎng)度形式。
2.2 切削工具
各種刀具材料（涂層硬質(zhì)合金，氧化鋁）和幾何結(jié)構(gòu)，在Oblique對(duì)于轉(zhuǎn)向就業(yè)進(jìn)行了測(cè)試和不同的切削參數(shù)，每個(gè)工具伴侶-里亞爾就業(yè)。然而，對(duì)于比較刀具磨損的目的，所有的切削試驗(yàn)共進(jìn)行了拆除金屬固定量（300立方毫米）。表2總結(jié)了刀具數(shù)據(jù)在干車削試驗(yàn)，進(jìn)行了10種惠普標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代化數(shù)控車床。切削力康具磨損測(cè)量康廷每個(gè)切削參數(shù)組合。該工具的力量測(cè)定采用一奇石三分量測(cè)力計(jì)和切削條件選擇精心為每個(gè)工具材料。一些在切削實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量采用K型工具到被粘熱電偶刀具離前沿1毫米時(shí)的溫度。測(cè)量的技術(shù)可靠性檢查，不斷重復(fù)的實(shí)驗(yàn)和各組的結(jié)果表明，如果在他們展出了不到5％的變異。在每個(gè)切削試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，刀具磨損進(jìn)行了檢查用掃描電子顯微范圍和X射線分散技術(shù)。該工具后刀面磨損（VB）的測(cè)定用工具顯微鏡。
3 結(jié)果與討論
3.1 刀具材料的影響
一個(gè)初步的測(cè)試并進(jìn)行一系列對(duì)刀具磨損的影響刀具材料，切削部分和切削溫度在粗糙投票荷蘭國(guó)際集團(tuán)20％的碳化硅和鋁PMMC。圖1可以看出，氧化鋁TiC的工具遭受的EDGE芯片形式的過度磨損水平。氧化鋁顆粒的研磨拔出工件顆粒，其中有一個(gè)更大的硬內(nèi)斯號(hào)（VHN間接），比氧化鋁顆粒（VHN在Al2O3TiC 2500公斤力每平方毫米; VHN在碳化硅3000公斤力每平方毫米）。月牙磨損也觀察到，這是由于該是由磨損造成的溝槽擴(kuò)大。由于嚴(yán)重的邊緣切削，Al2O3TiC切削力的工具明顯比實(shí)驗(yàn)更高氮化鈦（見表3）涂層刀具。氮化鈦涂層規(guī)定對(duì)磨料的影響，一些保障SiC顆粒。聚優(yōu)越的性能金剛石工具，相比，無論氧化鋁：TiC的和TiN涂層硬質(zhì)合金工具，是由于他們的高耐磨性和高導(dǎo)熱性，這導(dǎo)致了更低的切削溫度，如圖表3。因此，所有的可加工性進(jìn)行的研究其后關(guān)注到的最優(yōu)化PCD刀具切削過程中使用。
3.2 切削參數(shù)的影響
圖2和3表明，隨著切削速度對(duì)切屑的增加，減少切削力深度。這可能是歸因于熱軟化工件材料。另一個(gè)可能的原因是由于引入到刀具幾何形狀的變化后，形成建成的邊緣。圖4（b）給出了透視內(nèi)置的注冊(cè)材料色散圖所示4（a）條。
圖6（a）內(nèi)置式邊對(duì)PCD工具（v= 670 m/min，f=0.35mm/rev，doc=1.5mm，r=1.6毫米，α=0℃）,圖 (b)相當(dāng)于 6（a）項(xiàng)，只是doc= 2.5mm
圖7（a）SEM照片說明上的PCD刀具前刀面磨損溶解后用氫氧化鈉積屑瘤（v=670 m·min-1，f=0.15mm，doc= 1.5mm，?=1.6mm，a=0。C）
圖 8切割對(duì)刀具NK細(xì)胞的磨損（PCD刀具速度：r=1.6毫米，a=0。C;廣角點(diǎn)：V=670 m.min-1,doc=1.5mm,;輪點(diǎn)：v=894 m.min-1，doc=1.5mm）。
圖9影響對(duì)工具NK細(xì)胞的磨損（PCD刀具切削深度：?=1.6mm，a=；v=894 m ;方點(diǎn)：doc=1.5mm輪點(diǎn)：doc=2.5mm）。
建成邊緣，觀察到的所有工具在所有切削條件。這是因?yàn)轭w粒碳化硅：鋁金屬基復(fù)合材料有材料的特性所有（即應(yīng)變硬化兩相材料在高溫和壓力）。在高切削速度（圖5（b）），一個(gè)較小的積屑瘤形成，比積屑瘤形成（圖5（a）的積屑瘤的高度測(cè)量前刀面垂直）在對(duì)比度，通過增加從1.5到2.4毫米的切削深度，大積屑瘤形成（圖6（a，b）項(xiàng)，這可能中斷造成的工具和由此產(chǎn)生的切削工具對(duì)工件表面粗糙度和不利影響尺寸精度。該工具的拓?fù)鋱D顯示，主要磨損PCD的機(jī)制是磨損（如凹槽表現(xiàn)平行于芯片水流方向）。這些溝槽可以歸因于三個(gè)因素。第一，氧化鋁是形成于邊緣的工具，這是很難足以開槽的金剛石生產(chǎn)磨損。第二為國(guó)家的PCD槽為鋁扣押和拉出來的金剛石顆粒的過程中，如圖所示7（甲，乙）。第三個(gè)可能的原因背后的PCD槽是sic顆粒研磨的工具。因此，PCD刀具與金剛石顆粒比碳化硅晶粒尺寸較大粒子可以更好地抵御磨損和'密CRO的切割的碳化硅顆粒'。然而，我們應(yīng)請(qǐng)注意，由于增加的PCD顆粒的大小，PCD刀具的斷裂特性惡化，因在材料中的一個(gè)缺陷增加。認(rèn)為是對(duì)的工具面形成凹槽充滿了工件材料。這秉承層有些保護(hù)，以防止進(jìn)一步的工具的前刀面磨損。盡管如此，該工具后刀面繼續(xù)受到磨損。因此，后刀面磨損（VB）的是作為刀具壽命準(zhǔn)則與V=0.18毫米。圖8顯示，隨著切削速度的增加，后刀面磨損增加。這可能是由于增加在研磨粒子的動(dòng)能，正如先前推測(cè)的巷[17]。切深增加導(dǎo)致在增加后刀面磨損（圖9）。這是由于增強(qiáng)微磨損，在切削刀具后刀面。這在一個(gè)更深入的情況下切點(diǎn)，該工具后刀面較大的表面面積接觸磨損。進(jìn)給速度提高了有益的影響。隨著在圖所示。 8和9的進(jìn)給速度的增加，該刀具磨損減少。在高進(jìn)給量情況下，固定體積的金屬切削，刀具表面會(huì)有較少的磨料PMMC接觸。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)獲得了通過提高進(jìn)給速度為改變芯片的形式。在低進(jìn)給率，該芯片形成了連續(xù)的，也被困難和災(zāi)害的處理。在高進(jìn)給速度和高深度切（f=0.35mm，doc= 2.0mm），形成了芯片不連續(xù)的。盡管在所有的實(shí)驗(yàn)PCD刀具具有高進(jìn)給量較低，導(dǎo)致工具磨損，對(duì)最佳切削明確的決定參數(shù)應(yīng)考慮的影響表面上的完整性和切削參數(shù)亞表面損傷產(chǎn)生的工件，分析表面完整性和芯片形態(tài)將在第二部分介紹本研究性學(xué)習(xí)。
10 a-b-c 圖 11 a-b
圖10（a）對(duì)PCD刀具前角的刀具NK細(xì)胞的磨損（v=894m/min，doc=2.5mm，r=1.6mm;a=0。C;）（b）對(duì)PCD刀具前角對(duì)的切削力（v= 894 m/min，doc=2.5mm）（c）掃描電鏡圖像說明由腐蝕PCD刀具磨損。
圖11（a）SEM圖，說明了PCD刀具磨損的切削（v= 894 m/min，doc=1.5mm，v=0.35mm_1，r=0.8mm，a=0。C）（b）影響刀尖半徑對(duì)工具鏗俛NK細(xì)胞的磨損（v= 894mm/min，doc=2.5mm，a=0。C;工具：方點(diǎn)，r=1.6mm;輪間距點(diǎn)，r=0.8mm）。
3.3 刀具幾何形狀的影響
在刀具前角對(duì)的深遠(yuǎn)影響PCD刀具的磨損。三種不同的角度進(jìn)行靶檢查。正如從10（a）圖中可以看出工具類傾斜角度出發(fā)，進(jìn)行積極的和負(fù)面的靶角工具。為增加負(fù)前角后刀面磨損情況下可能的原因，是更大的切削力遇到這樣的前角（圖10（b）項(xiàng)）。此外，該芯片生產(chǎn)成為捕獲之間的工具和工件，造成損害該工具的表面。正前角與工具顯示不規(guī)則的后刀面磨損和過度的切割點(diǎn)蝕邊緣地帶，如圖所示。 10（c）項(xiàng)。刀尖半徑在決定了關(guān)鍵作用該工具的磨損模式。由于刀尖半徑從1.6至0.8毫米，該工具被發(fā)現(xiàn)遭受過度切削和月牙磨損，作為如圖所示。 11（a）條。這導(dǎo)致了切削工具在切削力和后刀面磨損增加，如圖11（b）項(xiàng)。半徑小工具因此建議的在窮為輕切削精加工業(yè)務(wù)使用參數(shù)。小鼻子半徑也將以產(chǎn)生更好的幾何精度。
4 結(jié)論
（1）的主要工具是磨損，磨損機(jī)理微切削刀具材料晶粒，表現(xiàn)為在刀具面平行溝槽到芯片流方向。所有的工具都進(jìn)行測(cè)試也因后刀面損，由于磨損。沒有證據(jù)化學(xué)磨損（例如，通過擴(kuò)散）。
（2）PCD刀具磨損持續(xù)最少的COM削減到TiN涂層硬質(zhì)合金刀具和氧化鋁：TiC的工具。這無疑是由于金剛石的硬度優(yōu)和耐磨性，以及低摩擦系數(shù)，加上高導(dǎo)熱。這導(dǎo)致PCD刀具時(shí)，降低了切削溫度就業(yè)。另一方面，錫涂層硬質(zhì)合金工具和Al2O3/TiC的工具遭受過度火山口邊緣的磨損和剝落。
（3）對(duì)PCD的前刀面形成的溝槽涂抹工具，充滿了工件材料。這內(nèi)置式形式是有利的，因?yàn)樗Ｗo(hù)刀具前進(jìn)一步磨損。
（4）在確定切削參數(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，采礦刀具后刀面磨損量，以及大小建成的邊緣。工具磨損降至最低提高進(jìn)給速度，這導(dǎo)致了減少接觸的工具和SiC顆粒打磨。雖然提高鋁切割速度，預(yù)計(jì)到加速度，中心提供全方位的側(cè)面磨耗顯著，其結(jié)果表示，最小的磨損增加。高等教育切割速度均與在增加切削溫度，而導(dǎo)致形成一個(gè)保護(hù)'堅(jiān)持一層薄薄的工件材料上該工具。這種'保護(hù)建成邊緣'形式無法在規(guī)模增長(zhǎng)的摩擦增加的速度。切削參數(shù)范圍內(nèi)的測(cè)試范圍，在894 m最小速度，f= 0.45毫米和切削深度d=1.5毫米的結(jié)果是最小的工具磨損。這些切削參數(shù)提高用PCD刀具時(shí)。
（5）PCD刀具半徑與鼻子16毫米和仰角a=0 °也導(dǎo)致了較低的后刀面磨損。
致謝
筆者要感謝來自美國(guó)Duralcan的R.Bruski和來自GE超硬材料D.Dyer，他們提供了試驗(yàn)材料，切割工具和整個(gè)研究項(xiàng)目的有益意見。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加工智能機(jī)械及制造麥克馬斯特大學(xué)的研究中心。
（1）的主要工具是磨損，磨損機(jī)理微切削刀具材料晶粒，表現(xiàn)為在工具面平行溝槽到芯片流方向。所有的工具都進(jìn)行測(cè)試也因后刀面磨損，由于磨損。沒有證據(jù)化學(xué)磨損（例如，通過擴(kuò)散）。
（2）PCD刀具磨損持續(xù)最少的COM削減到TiN涂層硬質(zhì)合金刀具和氧化鋁：TiC的工具。這無疑是由于金剛石的硬度優(yōu)和耐磨性，以及低摩擦系數(shù)，加上高導(dǎo)熱。這導(dǎo)致PCD刀具時(shí)，降低了切削溫度就業(yè)。另一方面，錫涂層硬質(zhì)合金工具和Al2O3/TiC的工具遭受過度火山口邊緣的磨損和剝落。
（3）對(duì)PCD的前刀面形成的溝槽涂抹工具，充滿了工件材料。這內(nèi)置式邊形式是有利的，因?yàn)樗Ｗo(hù)刀具前進(jìn)一步磨損。
（4）在確定切削參數(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，開采的工具NK細(xì)胞的磨損量，以及大小建成的邊緣。工具磨損降至最低提高進(jìn)給速度，這導(dǎo)致了減少接觸的工具和SiC顆粒打磨。鋁雖然提高切割速度，預(yù)計(jì)到加速度，中心提供全方位的NK細(xì)胞磨料磨損厲害，結(jié)果表示，最小的磨損增加。高等教育切割速度均與在增加切削溫度，而導(dǎo)致形成伸出工件材料薄層上該工具。這種建成邊形式無法在規(guī)模增長(zhǎng)的摩擦增加的速度。切削參數(shù)范圍內(nèi)的測(cè)試范圍，在1894 m最小速度，女0.45毫米轉(zhuǎn)1和切削深度1.5毫米，導(dǎo)致在最小的工具磨損。這些切削參數(shù)提高PCD刀具的利用率。
（5）PCD刀具半徑16毫米的仰角0度也導(dǎo)致了較低NK細(xì)胞的磨損。