摘要：用硬质合金YG6和高速钢W18Cr4V为切削刀具，研究了碳化硅颗粒增强ZL201复合材料中的碳化硅颗粒含量及其尺寸等参数对切削加工性能的影响。试验结果表明：碳化硅颗粒尺寸越大、碳化硅含量越多，对刀具的磨损速度越快；在相同材料、相同切削条件下，高速钢比硬质合金刀具磨损速度快；碳化硅颗粒粗大，加工工件表面粗糙度大，且随颗粒含量的增加而增大，而碳化硅颗粒细小时，加工表面粗糙度较小，且随着颗粒含量的增加而减小。探讨了刀具磨损机理，认为复合材料对刀具的磨损属磨粒磨损。
1 前言
2 试验方法
3 试验结果及讨论
- 碳化硅颗粒尺寸对切削性能的影响
- 在不同的切削参数条件下，用硬质合金和高速钢刀具切削复合材料和基体合金。试验材料对刀具后刀面的磨损曲线如图1、图2所示。可见无论是高速钢还是硬质合金刀具，在相同切削参数下，复合材料对其后刀面的磨损量均比基体合金大。为了比较不同复合材料对刀具后刀面的磨损速度，把图中曲线进行一元线性回归处理，其回归方程的斜率即为该曲线对应复合材料对刀具的磨损速度(mm/min)。
曲线的回归方程为：- 曲线1：VB=0.012+0.061t
- 曲线2：VB=0.017+0.034t
- 曲线3：VB=0.018+0.018t
- 曲线4：VB=-0.0145+0.013t
(a)曲线的回归方程为： - 曲线1：VB=0.028+0.082t
- 曲线2：VB=0.007+0.042t
- 曲线3：VB=0.0216t
- 曲线4：VB=-0.0038+0.0148t
(b)
1-10%SiC(80µm)， 2-5%SiC(80µm)， 3-10%SiC(14µm)， 4-5%SiC(14µm)， 5-ZL201
图1 高速钢刀具后刀面磨损曲线
曲线回归方程为：- 曲线1：VB=0.015+0.045t
- 曲线2：VB=0.0015+0.0285t
- 曲线3：VB=-0.022+0.0152t
- 曲线4：VB=-0.027+0.0096t
(a)曲线回归方程为： - 曲线1：VB=0.0012+0.058t
- 曲线2：VB=0.030+0.030t
- 曲线3：VB=0.015+0.0169t
- 曲线4：VB=-0.015+0.0116t
(b)
1-10%SiC(80µm)， 2-5%SiC(80µm)， 3-10%SiC(14µm)， 4-5%SiC(14µm)， 5-ZL201
图2 硬质合金刀具后刀面磨损曲线- 碳化硅颗粒含量对切削性能的影响
- 比较图1、图2中各曲线1、2和3、4可知，无论是14µm的碳化硅还是80µm的碳化硅，其复合材料中颗粒量越大，高速钢和硬质合金刀具的磨损速度就越快。根据图1a和图2b，10%SiC(80µm)复合材料对高速钢的磨损速度是5%SiC(80µm)复合材料的1.8倍；10%SiC(14µm)复合材料对硬质合金刀具的磨损速度是5%SiC(14µm)复合材料的1.4倍。试验中切削80µm碳化硅颗粒复合材料时，硬质合金刀具前刀面上有细粉生成，碳化硅含量越大，形成的细粉状物越多。这说明在切削复合材料时，部分碳化硅粗颗粒被刀具挤压、破碎而飞溅到刀具前刀面上，形成细粉尘粒。部分细粉也可能是硬质合金中的硬粒被复合材料中的碳化硅挤脱而生成的，碳化硅颗粒含量越大，对刀具的磨损就越严重。而切削细颗粒碳化硅复合材料时，很少见到细粉出现。根据颗粒增强金属基复合材料的强化机制，对细颗粒增强复合材料，碳化硅颗粒含量越大，复合材料的硬度及耐磨性越好，对刀具的磨损速度也就越快。
- 复合材料已加工表面的粗糙度
- 比较图1和图2中同号曲线可知，同一种复合材料，切削加工参数②条件下对刀具的磨损速度比参数①条件下快，碳化硅颗粒尺寸越大，这种差别越大。这是由于切削速度不同所致，切削参数②的切削速度大，碳化硅硬颗粒对刀具的撞击、磨损机会越多，刀具的磨损速度也就越快。
- 观察复合材料切屑表明，碳化硅颗粒尺寸对复合材料的切屑形状也有影响。颗粒尺寸越大，切屑越短，底面越不连续，横裂纹越多，横向变形越明显，切屑外观越粗糙。碳化硅颗粒越细小，切削连续性越好，切屑底面越平整，横裂纹越少。两种参数条件下复合材料已加工表面的粗糙度Ra值如图3所示。由图可知，碳化硅颗粒尺寸越大，复合材料的表面粗糙度越大。对碳化硅粒径为80µm的复合材料，粗糙度随碳化硅颗粒含量的增大而增大；而碳化硅粒径为14µm复合材料，粗糙度随碳化硅颗粒含量增大而减小。这是因为在切削过程中，复合材料中的粗碳化硅颗粒受刀具的挤压容易破碎和脱落，增大了切削过程中的机械摩擦，使已加工复合材料表面粗糙度增大。而复合材料中细碳化硅颗粒易被压入切屑和已加工工件表面，且复合材料的硬度随碳化硅含量增加而增大，使细碳化硅颗粒的复合材料粗糙度随颗粒含量的增加而减小。
(a)高速钢刀具切削
(b)硬质合金刀具切削
4 结论
- 高速钢或硬质合金刀具可对细碳化硅颗粒的ZL201合金复合材料进行连续较长时间切削，而不宜切削加工粗碳化硅颗粒的ZL201合金复合材料。
- 碳化硅颗粒含量越大，复合材料对高速钢和硬质合金刀具的磨损越快。在相同条件下，复合材料对高速钢刀具的磨损速度大于硬质合金刀具的磨损速度。
- 碳化硅颗粒尺寸越大，复合材料加工表面的粗糙度越大，且随颗粒含量的增加而增大；碳化硅颗粒细小，复合材料加工表面粗糙度小，且随颗粒含量增加而减小。
- 碳化硅颗粒增强ZL201合金复合材料对高速钢和硬质合金刀具的主要磨损为磨粒磨损。
