馮吉福,林 峰,李立惟,蔣燕麟

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西 桂林541004；2.國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西 桂林541004 3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院,廣西 桂林541004)

前言

在金屬材料的應(yīng)用中,鋁材僅次于鋼鐵而居第二位,是發(fā)展科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟與提高人民物質(zhì)生活、文化生活水平的重要基礎(chǔ)材料。鋁合金的機械加工是鋁合金加工的重要組成部分,隨著加工中心和刀具制造技術(shù)的飛速發(fā)展,高速加工鋁合金成為未來鋁合金應(yīng)用技術(shù)趨勢之一。高速加工的刀具主要是超硬刀具,而用于高速加工鋁合金的主要是金剛石刀具(PDC刀具)。硅鋁合金是交通運輸行業(yè)常用的鋁合金,目前高速加工鋁合金的絕大部分研究都著重于普通鋁合金,而對高硅鋁合金的高速加工研究很少[1～6]。加強PDC刀具高速切削高硅鋁合金的研究不僅十分必要,而且非常有意義。

1 實驗條件

1.1 刀具

實驗以我院研發(fā)的聚晶金剛石復(fù)合片作為刀具材料,在臺灣遠山FC-500D聚晶金剛石刀具磨床上加工成所需要的PDC外圓車刀。

實驗使用的刀具參數(shù)為：(刀片形狀如圖1所示)前角γo=0°,刃前角 λs=0°,刀尖圓弧半徑 γε≤0.3mm。1#～4#刀具的楔角和后角如表1所示。

表1 刀具角度參數(shù)Table 1 The cutting tool angle

圖1 刀片形狀示意圖Fig.1 The cutting tools shape

1.2 工件材料

工件材料使用高硅鋁合金棒,其直徑為150mm。硅鋁合金的化學(xué)成分如表2所示。

表2 鋁合金成分(%)Table 2 Aluminum alloy component(%)

1.3 數(shù)據(jù)測量方法

粗糙度測量：采用時代公司生產(chǎn)的TR200手持式粗糙度儀測量粗糙度。

溫度測量：采用自然熱電偶進行測量,刀具與工件材料形成的熱電偶測量前進行標(biāo)定。

1.4 實驗條件

用不同形狀的刀具1#～4#在沈陽第一機床廠出產(chǎn)的型號為CA6140的車床上進行切削,研究不同形狀刀具的切削用量對已加工工件表面粗糙度的影響,采用正交試驗進行研究,切削參數(shù)確定如表3所示：

表3 試驗條件Table 3 Test conditions

切削深度在0.3mm、進給速度分別為0.1mm/r、0.05mm/r,切削速度在200～1500m/min的范圍內(nèi),用2#刀具在廣州珠江數(shù)控車床廠生產(chǎn)的型號為CKX6140P的車床上進行切削試驗,控制切削速度分別為：180m/min、300 m/min、500 m/min、750 m/min、900 m/min、1150 m/min,1500 m/min。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 刀具楔角和后角對硅鋁合金工件表面粗糙度的影響

不同的刀具正交試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同刀具的在不同參數(shù)下的已加工工件表面粗糙度Table 4 Roughness of the machined surface with different cutting tools at different parameters

切削深度、進給量、切削速度的變化對已加工工件表面粗糙度有不同的影響,形狀不同刀具影響大小如圖2所示。由圖2可以看出,在PDC刀具車削硅鋁合金時,切削深度是對硅鋁合金工件表面粗糙度影響最顯著的因素,不同角度的刀具有相似的結(jié)果,刀具后角越大形成的極差越大；對表面粗糙度的影響顯著程度依次為：進給量、切削速度、切削深度。

由圖2可知,切削參數(shù)對形狀不同的刀具影響趨勢都是一致的。工件表面粗糙度與后角關(guān)系如圖3所示,在切削參數(shù)和刀具形狀相同的條件下,刀具后角越大加工出來的工件表面粗糙度越大,后角最大的3#刀具加工出來的工件表面粗糙度在所有情況下都是最大的。楔角大、后角較小的4#刀具加工出來的工件表面粗糙度最小。

圖2 不同形狀的刀具在切削用量不同時已加工工件表面粗糙度對比Fig.2 The surface roughness comparison of processed workpiece using different cutting tool at different parameters

圖3 后角對已加工工件表面粗糙度的影響Fig.3 Influence of the relief angle on surface roughness

由實驗結(jié)果可知：使用小后角PDC刀具切削高硅鋁合金,可獲得相對較好的被加工工件表面粗糙度。而使用大后角PDC刀具切削高硅鋁合金,隨著切削速度的提高,被加工工件的表面粗糙度迅速變小并逐漸趨于平穩(wěn)；在進給量較小時,后角變化對被加工工件的表面粗糙度幾乎沒有影響,在進給量較大時隨著進給量的增加,被加工工件的表面粗糙度快速增大；切削深度的增加對大后角PDC刀具加工工件表面粗糙度的影響與進給量增大的影響相似,但影響程度要小一些。

2.2 不同切削速度下的溫度變化

2#刀具在切削深度為0.3 mm、進給速度分別為0.1 mm/r、0.05mm/r條件下的切削溫度的變化如圖4所示。

圖4 切削速度與切削溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the cutting speed and the cutting temperature

在刀具切削進給量較小時,其切削溫度略低于刀具切削進給量大的情況,但是兩者的曲線形狀非常相似,切削速度越高兩者的差值越小。切削速度越高切削溫度也越高,具有明顯的單調(diào)遞增趨勢,切削速度在200m/min時,切削溫度接近200℃,當(dāng)切削速度達到900m/min時,切削溫度可達到400℃,切削速度達到1500m/min時,切削溫度達到了500℃。

2.3 粗糙度與切削速度的關(guān)系

2#刀具在切削深度為0.3mm、進給速度分別為0.1 mm/r、0.05mm/r條件下的被加工工件表面粗糙度的變化如圖5所示。

圖5 切削速度與已加工工件表面粗糙度關(guān)系Fig.5 Relationship between the cutting speed and the surface roughness of processed workpiece

隨著切削速度的提高被加工工件表面粗糙度總體上顯示出降低的趨勢,但在局部可能不是這樣。當(dāng)切削深度較大時被加工工件表面粗糙度略大,隨著切削速度的提高,兩者的差值減小,當(dāng)切削速度達到1200m/min以后兩者明顯變得越來越一致,在1500m/min時已加工工件表面粗糙度達到0.08μm。

鋁是一種延展性能較好的材料,金剛石刀具切削普通鋁合金形成的切屑是典型的帶狀切屑。典型的軟化溫度是425℃[8],當(dāng)切削溫度達到425℃時,在切削區(qū)的合金中出現(xiàn)了微區(qū)的液相,使得鋁合金的軟化行為大大增加,切削區(qū)的后刀面在其作用下,迅速抹平已加工工件表面,已加工工件表面的粗糙度得以降低,這與圖5中當(dāng)切削速度達到1000m/min左右時,出現(xiàn)表面粗糙度快速降低的趨勢,同時不同進給量下的粗糙度差值也快速降低趨于一致的表現(xiàn)是相符合的。

在刀具后角比較小的情況下[7],刀具后刀面處機械變形導(dǎo)致的內(nèi)能增加。內(nèi)能產(chǎn)生的熱量可以軟化已加工工件表面,降低已加工工件表面的應(yīng)力、愈合刀尖萌發(fā)的裂紋,提高表面光潔度。刀具的楔角增大,刀刃與工件接觸的切削長度變長,盡管整體切削沒有什么變化[3],但是刀具后刀面上的摩擦力增加,從而增加了刀具后刀面上的發(fā)熱量,提高了刀具后刀面的切削第三變形區(qū)的溫度,從而也提高了已加工工件表面的粗糙度。文獻[3]中已加工工件表面的粗糙度與切削深度的關(guān)系表現(xiàn)出先增加后降低的形式,就是切削徑向力增大,后刀面摩擦產(chǎn)生熱量增大提高切削的溫度導(dǎo)致。

以實驗的數(shù)據(jù)結(jié)合文獻[3、7、9]的現(xiàn)象與分析,聚晶金剛石刀具切削硅鋁合金時,已加工工件表面的粗糙度與切削溫度尤其是刀具后刀面接觸的第三變形區(qū)溫度有重要關(guān)系,能讓第三變形區(qū)溫度上升的因素都可以降低已加工工件表面粗糙度,比如后角減小、楔角增大、在一定范圍內(nèi)增加切削深度等。當(dāng)這個區(qū)域的溫度達到鋁合金的軟化溫度425℃時,已加工工件表面的粗糙度快速降低。此時已加工工件表面粗糙度主要受第三變形區(qū)的溫度控制。高速切削鋁合金時應(yīng)當(dāng)超過這一溫度,這樣才容易獲得粗糙度低的工件表面。

3 結(jié)語

PDC刀具加工硅鋁合金時,切削溫度和已加工工件表面的粗糙度有密切關(guān)系。在實驗的500℃的溫度范圍內(nèi),溫度越高則已加工工件的表面粗糙度越小。PDC刀具切削硅鋁合金的表面粗糙度與刀具的角度,尤其是刀具后角有關(guān),使用小的刀具后角有利于獲得高精度的加工表面。當(dāng)切削速度達到1400m/min時,容易獲得鏡面的光潔度。楔角60°、后角5°的PDC刀具在1500m/min、進給量0.1mm/r、切削深度0.3mm條件下可獲得0.08μm的表面粗糙度。

參考文獻：

[1] 劉東,陳五一.金剛石刀具精車硅鋁合金的正交試驗研究[J].新技術(shù)新工藝,2005(7)：27-28.

[2] 毛文亮,楊小平,鄒山梅.鋁合金高速切削表面粗糙度影響因素研究[J].機械研究與應(yīng)用,2010(5)：53-55.

[3] 王進保,李立惟,姜偉,等.PDC刀具切削參數(shù)對切削力和表面粗糙度的影響[J].工具技術(shù),2010,44(10)：26-29.

[4] 賈特,李嫚,張弘弢,等.PCD刀具幾何參數(shù)對鋁合金加工表面粗糙度的影響[J].機械工程師,2007(1)：39-41.

[5] 楊小皤,李友生,鄢國洪,等.金剛石涂層刀具銑削高硅鋁合金的性能研究[J].工具技術(shù),2012,46(5)：7-10.

[6] 石文天,劉玉德,丁悅,等.PCD刀具微細車削硬鋁合金的表面質(zhì)量研究[J].機床與液壓,2011,39(17)：15-17.

[7] 馮吉福,李立惟,林峰.PDC刀具切削硅鋁合金的有限元模擬分析[J].超硬材料工程,2012,24(3)：10-15.

[8] 王世洪.鋁及鋁合金熱處理[M].北京：機械工業(yè)出版社,1986：61-62.

[9] 李立惟,盤瑛,馮吉福,等.金剛石復(fù)合片刀具磨損機理研究[J].超硬材料工程,2010,22(5)：8-11.