论文翻译--评价加工SiCp-Al2014基合金复合材料时刀具磨损

评价加工 SiCp Al2014基 合金 复合材料时刀具磨损  Ibrahim Ciftcia, Mehmet Turkerb,*, Ulvi Sekerb aGazi  文摘  SiC 金属复合材料 (间 )包含两个不同级别的 SiC 颗粒 (8和 16 wt %)的意味着粒子大小 30、 45和 110 微米，使用熔融搅拌，挤压铸造路线制备 。 复合材料 加工测试 是 使 用胶版纸和三层涂层硬质合金在一个恒定的进给速度和切削深度切削刀具在不同切削速度 下 以 一个恒定的进给速率和 切削 深度 切削 。 该测试主要研究切削速度和刀具涂层对刀具磨损的影响 。此外 ,表面粗糙度测量 是 对 已 加工表面进行。强化粒子尺寸及其重量分数 和 切割速度是刀具磨损的主要影响因素。涂层硬质合金刀具的表现比不加涂层的硬质合金刀具 耐 磨损。然而 ,未涂层刀具产生更好的表面光洁度 即产生更低的 Ra 值 ，尤其是在较低的切削速度 。 虽然该工具磨损机理仍然是 一种磨损 ，详细检查扫描电子显微镜（ SEM）下的切削刃的显示，更高的切割速度导致了边缘碎裂。  关键词 ： 刀具磨损、表面粗糙度、加工 ,金属基复合材料   1 引言     在 材料科学 方面 相当多的研究 表明， 新 发展的轻质量 工程材料具有高的强度和刚度 ，有良好的耐热性和延展性 ， 抗 疲劳和耐磨损性。这是因为，先进的汽车和航空航天技术需要这些材料以提高性能。 目前来看在 单片的钛，铝和镁合金 上这些性能是无法实现的 。与此相反，金属复合材料（ MMC）已证明其潜能， 用来实现性能跳跃性发展  1,2。   由于他们 比 单片合金优异的性能，金属复合材料 受 到了可观关注 3。然而，由于 硬质陶瓷的存在颗粒使得它们极 难加工， 它们会导致刀具迅速磨损。虽然 尝试了 消除机械加工操作，如 近净成形 和 环氧改质浇铸 ，它们是有限 的， 因此加工仍然是 元件制造 一个不可分割部分。此外，对于许多组件，生产 零件良好的表面光洁度 是 至关重要 的  4 7  对 颗粒增强金属复合材料的 切削加工性 发表的文献表明，只有聚晶金刚石刀具（ PCD） 在 加工这些材料如 PCD 是比氧化铝和碳化硅（ SiC ）更 硬 ，不具有化学倾向与 工件发生 反应 材料 时， 可以 提供一个 较长的 的工具寿命。然而，由于PCD 刀具的成本极高， 人们也在用 如硬质合金，陶瓷 等 便宜 一些 的工具 加工 这些材料。在很低的切削速度和高进给率加工 时，陶瓷刀具 寿命可以达到与硬质合金工具 寿命，因此是人们不能接受的  4,8 11。因此，  对于小批量生产 硬质合金 刀具 可以是一个 不错 的解决方案 12。   很明显从现有的文献 是加固体积分数和其在复合材料的大小对刀具磨损9 ， 13和 14的最重要的因素，但尚未涉及到钢筋的影响相对较少的作品体积分数和其大小的报告。本工作的目的是打开的 SiC 增强 2014铝合金的 MMC 与未涂层和涂层硬质合金刀具在调查的体积分数和尺寸的影响以及对刀具磨损的切削速度。  从现有的文献 可以看出 ，增强体积分数及其在复合材料的大小 对刀具磨损 有显著的 影响 9,13,14，但相关 增强 体积分数和 及其在复合材料中大小比重的只有很少一部分涉及 。本工作的目的是调查切削速度 和 SiC 体积分数和它的大小对刀具磨损的影响 ，同时 比较用 SiC 增强 2014铝 MMC 涂层和非涂层硬质合金刀具 磨损 。这项工作还考察了涂层对刀具磨损的影响。  2 实验方法     包含两个层次的不同平均粒径的 SiC 颗粒（ 8 和 16 wt  ）六 种 不同的金属基复合材料尺寸 30 ，  45 和 110 m 的使用熔融搅拌，挤压铸造路线编制。基质材料为 2014 铝合金。基质的化学组成和制备的复合材料的清单列于表 1 和表2 中。  表  1 基质组成    表  2 制备复合材料的清单      所有的熔点进行了在石墨坩埚中的电阻炉中在 氩气氛下。基质合金的计量的量加入到该坩埚和炉功率被提上。最初，将炉子温度升高至 725 并在该温度下保持到基体材料完全熔化。然后，它被降低到 675  ， 把 颗粒掺入。 在 前 颗粒中 ，  0.5wt的 Mg 也被加入以提高润湿性。在 675 时，石墨叶轮开始转动和预热至 1000  2 小时，表面被氧化 的 SiC 颗粒，分别加入以均匀的速率。在此阶段，将温度逐渐升高到 725  ，以改善混合浆料的流动性。颗粒加料完成后，继续搅拌 5 分钟以上。     当搅拌完成后，将混合浆料倒入预热的钢模具。模具被放置在液压机的床和浆液被挤压直到 40 兆帕的压力下发生完全固化。复合材料的显微组织示于图 1。     图  1    六种不同的 MMC 试样的显微组织           加工测试由 MMC 标本的圆柱形单点连续转弯的数控车床 DYNA 进行。工件标本长 120 mm 及直径 28 毫米 。在测试过程中 不 使用冷却液。加工试验共进行涂层（  TiC 的，  氧化铝 和氮碳化钛）和胶版纸推荐牌号的硬质合金刀具三层。该工具是商业牌号刀片，三菱硬质合金与 SPMN 120308 的几何形状产生的。该刀片， 固定 在一个刚性刀柄 上 。它的代码是 ISO 5608 SSBCR -2020- K12 。这样形成的刀具切削角度是 侧倾角 5 ，后倾角 0 和侧间隙角 6 。插入件有UC5005 和 HTI10 三菱硬质合金这相当于在 ISO K10 级。     切削 速度范围从 20 到 80 米 每 分钟。切 削 速度 以 20 米 每 分钟增加。进料速度和切削深度被 保持固定，  0.12 毫 每转 和 1 毫米。通过使用 用来 测定表面光洁度 的 三丰 SURFTEST 211 仪器 和 一个工具显微镜 来 测定刀具后刀面磨损的。磨损的切削工具 在 扫描电子显微镜（ SEM）下观察。所有的测量都是 在 金属切削材料 （  1250 立方毫米）  30 和 45 微米的颗粒增强金属基复合材料体积固定后进行。但是，由于高的磨损率对 110 微米的颗粒增强的 MMC 金属去除的量减少到 0.625 立方毫米 。  3 结果与讨论    将 各种切削条件下的四个不同的金属基复合材料用的未涂覆和涂覆硬质合金刀具的刀具磨损数据分别 记录 于图 2（ a ）和（ b ）， 图如下 。但应注意的是，后刀面磨损 /切割速度的这些曲线显示了磨损的幅度在工件材料固定体积后 以 一个恒定的进料速率和 背刀吃量 的 情况 。因此，这些都不是通常意义上的后刀面磨损的曲线，在该后刀面磨损被绘制为切割时间在一个固定的切割速度的函数。然而，当它们被用来从被调查的金属基复合材料去除的固定体积材料 时， 这些曲线会 清楚地表明未涂层和涂层硬质合金刀具的 不同特性 。                图 2 （ a）  后刀面磨损（ mm)/切削速度 (m/min) 曲线                图  2 （ b）  后刀面磨损（ mm)/切削速度 (m/min) 曲线     由于较大的颗粒尺寸在 8 wt% 110 mMMC， 会出现更严重的刀具磨损 ，因此金属切除率从 1250 立方毫米减少到 625 立方毫米。这种期望在测试过程中和测试在所有的切削速度后测得的非常高的后刀面磨损值， 出现刺耳的噪声 。  虽然金属切除率降低至 625 立方毫米 时，与未涂层和涂层刀具车削此 MMC 时开发的后刀面磨损值车削用相同的重量分数，但 30 和 45 m 碳化硅颗粒增强金属基复合材料的时候超过了 这些发展 。当以最低的切削速度转动 此 MMC 中，经涂覆的工具 连续切削 0.36mm 后刀面磨损，并将它与增加切割速度增加。在 80立方米 每 分钟切割速度，相同的 刀具切削 0.95mm 后刀面磨损。同样，在刀具磨损方面，碳化物涂层无涂层优于硬质合金刀具在所有的切削速度。进行了  16 wt% 110 m 增强 MMC 后 ，没有进一步的测试， 在 8 wt  -110mm MMC 加工 出现 非常高的刀具磨损。      对于所有加工的金属基复合材料，涂层硬质合金刀具的后刀面磨损比未涂层硬质合金刀具 小 。刀具磨损 随着 切削速度 增大而增大 ， 随 颗粒大小和颗粒重量分数 增大而增大 。后刀面 磨损被认为是主要的磨损模式而主要的磨损机制仍然是磨蚀 。这些发现与先前的研究 一致 8和 15 。详细检查在 SEM 下切削刃的显露边缘碎裂在较高的切削速度下， 如 图 3 。   图  3  SEM 照片显示在 20和 80米每分的 速度涂层和 非涂层刀具磨损的切削刃。  虽然涂覆碳化物刀具磨损的所有机加工的材料方面具有更好的性能，显微镜检查表明，该涂层被磨掉完全在切削区。这就是为什么，涂层刀具的更好的性能不能完全归因于涂层。因此，可以说，有 其他 改进的涂层刀具的耐磨损性等因素。奎格利 说 4 ，即使是在完全磨损涂层的通过在基板上的情况下，  TiC 薄膜有助于减少后刀面磨损。 由于 比硬质合金困难， TiC 可以 提供某种保护，防止磨损。那是因为，  TiC 薄膜的部分被转移到切削区。这可能是一个解释为什么切割含有硬质颗粒的工件材料时涂覆碳化物表现出比未涂覆的那些更好 的性能。  涂层刀具更大的和更稳定的建成边缘（ BUE ）可能是 涂层刀具有比未涂层刀具更好性能的原因 。那是因为，积屑瘤的存在在一定条件下被示为保护刀面16。  Looney 10 ， Ozcatalbas 17和 Barnes 18 等 人认为 积屑瘤 在 加工颗粒 较大 金属基复合材料与硬质合金 材料 ，尤其是在较低的切削速度时 形成 。从图2 可以 看出  ， 金属切削量 保持相同 时 随切削速度 增大 刀具磨损增加。这一发现是与众所周知的现象一致认为，在环境温度下，增加在增加切削区的温度导致的BUE 从而降低其硬度和稳定性 高应变材料 的再结晶的切削速度结果在加工过程中 18 。 对于涂层刀具 ，如在 SEM 图像（图 3）所示的略倒角边缘可 能 是形成较大的积屑瘤的另一个原因 19。  记录的两个切削工具的表面粗糙度值（ Ra）为示于表 3，在大多数情况下，未涂覆的碳化物产生比涂覆碳化物更好的表面光洁度。但是，在更高的切削速度这一趋势逆转，涂层硬质合金制作更好的表面光洁度。这可以通过在 80 米 /分的切削速度边缘崩裂相关联，如图所示的 SEM 显微照片（图 3）  。   表  3   涂层刀具加工产生较大的可以归因于涂层刀具产生比未涂层刀具更大的建成边缘 。这是因为，有时表面光洁度差 可以是建成边缘存在的标志 ， 而 积屑瘤的存在通常是从快速停止部分的研究 来确定的 16  4 结论  对 通过熔融搅拌，挤压铸造技术生产的铝金属基复合材料 SiC 颗粒采用未涂层和涂层硬质合金刀具加工 ， 可以从这项研究中可 以得出：  1，加强粒径和其重量分数连同切削速度是影响刀具寿命的主要因素。磨损是主要的工具机制虽然边缘碎裂，观察到更高的切削速度。  2.涂层 刀具比未涂层刀具 加工材料时在刀具磨损方面有 更好的 性能 。它们 这个 更好的性能可以归因于涂层和 形成了 更大的和更稳定的建成边缘（ BUE ）。  3.大多数的情况下，未涂层刀具 加工 产生更好的表面光洁度，特别是在较低的切削速度。在 较高 的切削速度 下 ，他们 加工产生 比涂层刀具较差的表面光洁度。表面光洁度的 大幅 下降可以归因于 在更高的切削速度下 边缘碎裂。   参考文献  1Inem B.  镁基 碳化硅的结构和性能的发展增强复合材料。  博士论文。 School of Materials, University of Leeds； 1993 2 Jawaid A, Barnes S, Ghadimzadeh SR. 粒状铝碳化硅金属基复合材料的钻削  复合材料学术研讨会（ 1992）  3 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Quigley, J. Monaghan, P. O Reilly 影响 Al / SiC 金属基 复合材料机械加工性的因素  J Mater Process Technol 1994 5 Hung NP, Boey FYC, Khor KA, Phua YS, Lee HF. 碳化硅颗粒增强铝基合金的切削性  J Mater Process Technol 1996 6 Davim JP, Baptista AM. 加工碳化硅增强铝基的切削力和 PCD 刀具磨损的关系  J Mater Process Technol 2000 7 Lin JT, Bhattacharyya D, Ferguson GW. 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的加工形成的切屑  Compos Sci Technol 1998 8 Chambers AR. 轻合金金属基复合材料的切削加工  9 Yanming Q, Zehua Z. 切割 SiC 颗粒增强铝基复合材料的刀具磨损及其机理  J Mater Process Technol 1992 10 L.A. Looney, J.M. Monaghan, P. O Reilly, D.M.R