PCD刀具超声振动车削SiCp/Al复合材料时的切削力特性研究
发布日期：2019-03-28
1 引言
SiCp/Al复合材料是一种刚性颗粒增强型金属基复合材料，由于它具有比强度和比刚度高、线膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐磨耐热性好、可重熔性好、价格低廉等优点，因此被广泛应用于航天、航空和汽车工业。由于该材料中加入了高强度的硬脆SiC 陶瓷颗粒，极大地提高了基体材料的力学性能，同时具有复合材料宏观各向同性的特点。另一方面，正是由于SiC 增强颗粒的加入，使这种复合材料的机械加工性恶化，加工时刀具磨损剧烈，难以保证加工精度和加工表面质量。研究表明，高速钢刀具和硬质合金刀具在切削SiCp/Al复合材料时暴露出越来越多不足，因此不少学者致力于研究和开发适合加工SiCp/Al复合材料的新型刀具材料。 多晶金刚石(PCD)是一种新型超硬刀具材料，PCD刀具由精选的人造金刚石微晶体在高温高压下烧结而成，由于在烧结过程中加入了添加剂，使金刚石晶体间形成了以TiC、SiC、Fe、Co、Ni等为主要成分的结合桥，金刚石晶体以共价键形式牢固镶嵌于结合桥构成的坚固骨架中，使PCD的硬度和韧性大大提高。因此，PCD刀具既具有金刚石的高硬度，又具有强于单晶金刚石的高韧性，同时刀片基体还具有很高的抗弯强度。用PCD刀具车削加工金属基碳化硅颗粒增强复合材料是一种精密、高效的新型加工方法，已有许多学者对此进行过研究，但大都局限于利用PCD刀具进行普通切削加工。近年来，应用超声振动切削方法加工难加工材料显示出加工精度高、质量好的优点，其良好的加工性能引起人们的极大关注，超声振动加工正逐渐成为精密、超精密加工的重要手段之一。笔者基于PCD刀具加工SiCp/Al复合材料的普通车削与超声振动车削试验，对PCD刀具超声振动切削金属基碳化硅颗粒增强复合材料的加工工艺进行了初步探讨，分析对比了切削速度、进给量和切深等切削参数对切削力的影响规律，试验和讨论结果对金属基复合材料的切削加工(尤其对薄壁类、细长轴零件的加工)具有一定指导意义。 2 切削试验条件
- 机床：CA6140 普通车床；刀具：PCD焊接车刀；工件材料：金属基复合材料SiCp/Al棒料，熔铸，重量百分含量12%，粒度W14，棒料直径Ø42mm，长度150mm。
- 振动装置：自制纵向振动装置(振幅15µm，频率20kHz)。
图1 切削力测量装置 |
- 切削力测量装置(见图1)：测力系统采用北航SDC-CJ4A 电阻应变式测力仪。该测力仪有多档可选量程，试验中选用的测量范围为0～500N，测量精度为0.2N(可满足精密测量的要求)。由于测力仪频响范围为0～3000Hz，虽可满足一般切削力测量的要求，但不能测出超声振动切削中频率高达20kHz 的切削力脉冲波形，因此试验中实际测出的是切削力的平均值。
3 切削力与切削参数的单因素关系试验与分析
- 切削速度对切削力的影响
- 试验与测量
表1 切削力Fc与机床转速n的关系| 机床转速n(r/min) | 60 | 90 | 180 | 305 |
|---|
| 振动切削力Fc(N) | 12.27 | 13.16 | 16.91 | 25.25 |
|---|
| 普通切削力Fc(N) | 33.9 | 33.25 | 30.27 | 33.26 |
|---|
- 为研究切削速度的变化对超声振动切削力的影响，在切削试验中，保持进给量f=0.08mm、切深ap=0.3mm 不变，仅改变切削速度，分别测量机床转速n=60r/min、90r/min、180r/min、305r/min 时超声振动切削和普通切削时的切削力Fc，试验结果见表1。
- 结果与分析
图2 切削速度与切削力的关系 |
- 试验获得的切削速度与切削力的关系如图2 所示。由图可见，普通切削时，随着机床转速增大，切削力变化不大。振动切削时，由于其脉冲切削效应，在一个振动周期T内只有tc时间进行切削，故平均切削力Fc为脉冲切削力峰值的tc/T，且随着切削速度增加，有效切削时间tc变长，平均切削力Fc也逐渐增大。当切削速度接近临界切削速度(即tc/T≈1)时，Fc=Fc (此时即为普通切削状态)。由图可见切削力随转速增大而逐渐增大的变化趋势：当转速为60r/min 时，振动切削的切削力只有普通切削时的1/3；随着转速增大，有效切削时间随之增加，当转速增大到180r/min时，振动切削的平均切削力增大到普通切削时的1/2左右；当转速接近临界转速时，振动切削即转化为普通切削。由此可知，试验结果与理论分析基本吻合。
| 表2 切削力Fc与进给量f的关系 |
| 进给量f(mm/r) | 0.08 | 0.12 | 0.20 |
|---|
| 振动切削力Fc(N) | 13.00 | 22.40 | 52.40 |
|---|
| 普通切削力Fc(N) | 35.37 | 45.98 | 65.87 |
|---|
图3 进给量与切削力的关系 |
- 进给量对切削力的影响
- 试验与测量
- 为研究进给量的变化对超声振动切削力的影响，在切削试验中，保持机床转速n=90r/min、切深ap=0.3mm不变，仅改变进给量f，分别测量进给量f=0.08mm、0.12mm、0.20mm 时超声振动切削和普通切削的切削力Fc，试验结果见表2。
- 结果与分析
- 试验获得的进给量与切削力的关系如图3所示。由图可见，随着进给量的增大，切削抗力增大，普通切削力和振动切削力均随之增大，但振动切削力增大速度更快，其原因是随着进给量及进给抗力的增大，振动切削的振幅减小，导致切削力增大较快。由于振动切削时较大的进给量可能引起刀架的低频振动，因此本试验中选用的进给量较小，以保证加工精度和加工表面质量。
| 表3 切削力Fc与切深ap的关系 |
| 切深ap(mm) | 0.1 | 0.3 | 0.5 |
|---|
| 振动切削力Fc(N) | 3.60 | 14.80 | 39.72 |
|---|
| 普通切削力Fc(N) | 15.30 | 45.50 | 64.50 |
|---|
图4 切削深度与切削力的关系 |
- 切削深度对切削力的影响
- 试验与测量
- 为研究切削深度的变化对超声振动切削力的影响，在切削试验中，保持机床转速n=90r/min、进给量f=0.08mm/r 不变，仅改变切深ap。分别测量切深ap=0.1mm、0.3mm、0.5mm 时超声振动切削和普通切削的切削力Fc，试验结果见表3。
- 结果与分析
- 试验获得的切削深度与切削力的关系如图4所示。由图可见，切削力对切削深度的变化相当敏感。当切深ap<0.3mm 时，振动切削力仅为普通切削力的1/3；当切深达到0.5mm 时，振动切削力和普通切削力逐渐接近，表明随着切深的增加，刀具单位面积上的切削负荷增大，刀具振幅减小，振动切削的脉冲切削效应减弱，使振动切削时的平均切削力增大。
综合分析普通切削和超声振动切削时切削力与切削参数的单因素关系试验结果可知： - 与普通车削相比，超声振动车削的平均主切削力Fc明显减小。在较小切削用量下，Fc的减小尤为显著。
- 在超声振动车削条件下，随着切削用量的加大，切削力稳定增加。超声振动车削的切削力—切削速度特性与普通切削时因积屑瘤影响而表现出的切削力—切削速度特性有明显区别。显微观察表明，在相应的的切削速度范围内，超声振动车削不会产生积屑瘤。
- 当切削速度v大于临界切削速度时，超声振动车削仍具有上述特点；当v增大到一定值后，切削力的增加趋于平缓。
4 振动切削时切削力与切削参数的多因素正交试验与分析
表4 试验因素水平表| 试验因素 | 转速(m/min) | 进给量(mm/r) | 切深(mm) |
|---|
| 水平1 | 4.24 | 0.08 | 0.10 |
| 水平2 | 8.48 | 0.10 | 0.30 |
| 水平3 | 12.72 | 0.15 | 0.50 |
- 多因素正交试验方案
- 对SiCp/Al金属基复合材料进行超声振动车削的切削力正交试验，通过回归正交分析，讨论切削力与各切削参数之间的关系，并选择最合适的振动切削参数。转速、进给量和切深是车削过程中最重要且基本独立的三个参数，因此选择上述三个参数作为正交试验因素。采用L9(23)正交表作三因素、三水平的正交试验(不考虑交互作用)，建立表4所示试验因素水平表。
- 试验结果与分析
- 根据表4所列切削条件，采用L9(23)正交表，可得表5所示切削力试验数据。
表5 切削力试验数据| 试验序号 | 转速
(m/min) | 进给量
(mm/r) | 切深
(mm) | 径向切削力
(N) | 主切削力
(N) |
|---|
| 1 | 4.24 | 0.08 | 0.10 | 4.18 | 2.58 |
| 2 | 4.24 | 0.10 | 0.30 | 10.30 | 7.03 |
| 3 | 4.24 | 0.15 | 0.50 | 24.30 | 36.14 |
| 4 | 8.48 | 0.08 | 0.30 | 13.76 | 8.14 |
| 5 | 8.48 | 0.10 | 0.50 | 23.00 | 30.00 |
| 6 | 8.48 | 0.15 | 0.10 | 10.18 | 3.12 |
| 7 | 12.72 | 0.08 | 0.50 | 27.47 | 33.30 |
| 8 | 12.72 | 0.10 | 0.10 | 6.29 | 4.00 |
| 9 | 12.72 | 0.15 | 0.30 | 10.56 | 8.00 |
- 对表5 数据进行正交回归分析，可得回归系数B、检验参数t和检验值F为
- 回归方程为
- F=101.79v0.14f0.12ap1.35=61.69v0.14f0.12ap1.35
- 采用F检验法检验回归方程效果，因为F=11.77>F0.05(3，5)=5.41，所以该回归方程相当显著。回归方程中的各个自变量则采用t 检验，因为t3>1，所以切深对于切削力是不可忽略因素。由回归方程的指数可知，f、v、ap对切削力的影响是递增的。由切削力与各因素的关系可知：切削力与切深基本成正比，这与普通切削规律相似；进给量对切削力也产生正影响，但对切削力的影响程度不如切深；切削速度对切削力的影响程度大于进给量，这是因为振动切削时，随着切削速度的增大，振动周期内刀具的有效切削时间增加，从而导致切削力增大。
5 结论
- 与普通车削相比，在较小切削用量下，超声振动车削具有平均主切削力较小的显著优势。
- 采用超声振动车削时，在兼顾加工效率的前提下，应适当选取较小的切削速度，以有效减小切削力，从而减少工艺系统的变形，在加工薄壁件、细长轴等刚性较差零件时可获得满意的加工精度。
- 由切深ap的指数特点可知，要减小切削力，必须使ap<1mm，由此也可说明超声振动车削特别适合精密和超精密加工。
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