（材料加工工程专业论文）颗粒增强铁基粉末冶金复合材料的精加工性能研究.pdf

摘要 摘要 金属基复合材料的制备、二次加工以及应用成为当今世界科技的一个研究热点，而 铁基粉术冶金复合材料因具有一系列其它材料无可比拟的优点得到了国内外学者越来 越广泛的关注。虽然近净成形是粉末冶金工艺的主要优点之一，但部分结构零件仍需通 过精加工才能达到特定的形状、精度和粗糙度要求。因而，铁基粉末冶金复合材料的后 续精加工仍然是不可缺少的，开展对这种材料精加工性能的研究对推广其工业化应用有 着重要的意义。 本文以n b c 颗粒增强铁基粉末冶金复合材料为研究对象，对这种材料的精加工性 能进行了深入系统的分析和研究，主要包括以下几个方面的内容： 系统分析了车削加工时切削力的特点及不同因素对其的影响。建立了基于切削用 量、材料特性和刀具状态的切削力数学模型，提出了以切削力分力比和切削力波动率作 为表征刀具磨损的特征参数，发现了当增强相含量超过1 2 一1 5 后，会出现切深抗力 玲主切削力e 和进给抗力b 、且随着增强相含量的增加r 与e 之差迅速增大的特有 现象，并解释了这种现象出现的原因。 研究了精车这种多孔隙、非均质、难加工材料时的刀一屑摩擦机理，建立了刀一屑摩 擦的理论模型。结果表明，受增强相及材料微观孔隙的影响，刀一屑摩擦界面不存在完 全致密的紧密型接触区，在刀尖部位既有因材料粘结引起的抗剪力，又有硬质颗粒刮擦 引起的摩擦力。随材料孔隙率及增强相含量的增加，切屑对刀具的粘结强度减弱；而伴 随增强相含量的增加，前刀面因刮擦引起的摩擦力增大。 研究了精车这种难加工材料时的刀具磨损性能及其机理，建立了刀具耐用度模型。 研究表明，涂层刀具前刀面主要发生磨粒磨损，由此引起涂层的剥落和前刀面月牙洼的 形成，最终导致刀尖部位产生崩刃，而后刀面磨损主要由磨粒磨损引起。陶瓷刀具不会 发生严重的磨粒磨损，刀具的高脆性及增强相的剧烈刮擦、冲撞引起的切削刃微崩和剥 落磨损是刀具磨损的主要原因。加工过程中，这两种刀具都会产生粘着磨损。增强相含 量越高，粘着磨损程度越轻微。 分析了精车已加工表面的微观形貌、表面粗糙度的特点及变化规律。指出精车加工 时，增强颗粒存在破碎、脱落和挤入基体表层三种变形破坏方式，已加工表面轮廓并非 只由刀具几何形状和进给波纹组成。与铁基烧结合金相比，复合材料要获得较小的表面 粗糙度更加困难。此外，在正交试验的基础上建立了表面粗糙度二次回归数学模型，并 分析了切削参数和材料特性对表面粗糙度的影响。 本研究首次将滚挤压工艺引入到铁基粉末冶金复合材料的精加工领域，利用自制的 滚挤压装置研究了工艺参数对试样表面粗糙度和表面显微硬度的影响。滚挤压加工后， 华南理工大学博士学位论文 表面粗糙度值可降低到尼o 4 以下，表面显微硬度可提高2 0 ，硬化层深度达到0 孺m 。 针对这种复合材料优选出的主要工艺参数的范围为：滚挤压速度： 7 0 m m i n ；滚压力： 3 5 0 4 5 0 n ：滚挤压次数：2 3 次；进给量：o 0 5 o 1 2 姗r 。 关键词：铁基粉末冶金复合材料；颗粒增强；精车；滚挤压加工；刀具磨损 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r o c e s s i n g ，s e c o n d a r ym a c h i l l i n ga 1 1 da p p l i c a t i o no fm e t a lm a i xc o m p o s i t e s ( m m c s ) h a v eb e c o m eo n eo ft l l er e s e a r c hh o t s p o t so fm o d e ms c i e n c ea i l dt e c h n o l o 盱 i m n - b a s ep mc o m p o s i t e sa t t m c tm o r ea 1 1 dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s eo fas e r i a lo fa d v a n t a g e s c o m p a r e dt oo t h e rm a t e r i a l s a l t h o u 曲n e a rn e t - s h a p ef o n i i 唱i so n eo ft b em a i na d v a l l t a g e s o fp ，mt c c h n i q u e s ，s o m es t r u c t u r a lp a n ss t i l ln e e df i n i s hm a c l i n i n gt og a i ns p e c i a ls h 印ea 1 1 d p r e c i s i o n t h c r e f o r e ，t h ef i n i s hm a c h i 血n go fi r o n - b a s ep mc o m p o s i t e si ss t i l ln e c e s s a 珥t h e r e s e a r c ho nf i n i s h - m a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft l l i sk i n do fm a t e r i a lw i l lp l a ya l li m p o n a n t i d l eo ni t sp o p u l 耐z a t i o na n da p p l i c a t i o ni ni n d u s 虹y i nt 1 1 i sp a p e r ，t h ef i m s h m a c m n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fn b c pr e i n f o r c e di m n - b a s ep m c o m p o s i t e sa r es t u d i e d s e v e r a la s p e c t sa n dc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e da sf o l l o w s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u m n gf o r c e 髓di t s i n n u e n c i n g f 如t o r sa r es t u d i e d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc 砌n gf o r c ei se s t a b i i s h e db a s e do nc u m n gp a r a m e t e r s ，m a t e r i a l s c h a r a c t e r i s t i c sa 1 1 dt o o l i l l gc o n d m o n s m ec o m p o n e mr a t i o 尺a 1 1 dt h en u c t u 砒i n gr a t e 毋o f c u m n gf o r c ea r ep u tf o 刑a r d t op r c d i c tt o o lw e 札m e a n w h i l e ，i ti sf o 吼dt h a t 血em d i a lf o r c e bw i l l e x c e e dt h e t a l l g e n t i a l a 1 1 da ) ( i a lc 吡i n gf o r c ew h e nt h em a s s 矗a c t i o no f 血e r e i n f b r c e m e mi sl a r g e r t h a n1 2 1 5 t h em o r ec o m e n t so f t l l er e i n f o r c e m e n t ，m el a 昭e rt h e d i 虢r e n c eo f 目a n drt kr e 鹊o nf o rm i ss p e c i a lp h e n o m e n o ni sa l s oe x p l a i n e di nt h i sp 印e l t h et o o l c h i pf h c t i o nm e c h a i l i s mo ff i m s h t 啪i n gt l l i sk i n do fp o m u s ，u n e v e n 卸d d i f f i c u l t t o c u tm a t e r i a li ss t u d i e d ，a n dt l l et h e o r e t i c a lm o d e lo f 丘i c t i o nb e t 、v e e nt o o la 1 1 dc h i d a r ee s t a b l i s h e d i ts h o w st h a t t h e r ei sn oc o m p l e t e l yc o m p a c tc o m a c tz o n eb e n v e e nt o o la n d c m pc o n t a c ti n t e r f a c ed u et ot h em n u e n c eo fr e i n f o r c e m e m sa i l dm i c mp o r ei nm a t e r i a l ，i n c u t t i n ge d g ea r e a ，m e r ea r es h e a rf o r c ec a u s e db ym a t e r i a la d h e s i o na sw e l la s 疗i c t i o nf o r c e c a u s e db ys c r 印eo fh a r dp a n i c u l a t e s w i mt l l ei n c r e a s eo fp o r er a t ea 1 1 dm a s s 缸i c t i o no f r e i n f o r c e m e n ti nm a t e r i a l ，t h ea d h e s i v es 廿c n g t l lb e t w e e nc h i pa 1 1 dt o o l i s 、v c a k e n e d ，w h i l e 1 e f h c t i o nf b r c ec a u s e db yt h es c r a p eo nm k ef k ei si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fm a s sf i a c t i o n o f r e i n f b r c e m e n t s t h ep e r f o m a t l c ea n dm e c h a i l i s mo ft o o lw e a rl l i l d e rf i n i s ht u m i n gm i sd i 伍c u l t t o c u t m a t e r i a la r ed i s c u s s e d a r i dam o d e lo ft o o le n d u r a t l c ei se s t a b l i s h e d i to c c u r sa b r a s i v ew e a r o nr a k ef k eo fc o a t e dc a r b i d et 0 0 1 ，c hr e s u l t si nf l a k i n go fc o a t i n ga n dt h ef b n l l i n go f c m t e ro nr a k ef a c e ，a n df i n a l l yc a u s et h e 在a c m r 。eo fc 嘣i n ge d g e t h ew e a rm o d eo nn a l l l 【 f a c ei sm a i n l ya b m s i v ew e a lf o rc e r a i n i ct o o l ，n os e v e r ea b r a s i v ew e a ri sf o u n d t h em a i n i i i s o u t hc h i n au n i v e r s i 可o f t e c h n o i o 科d l s s e n a t i o nf b rp h d i n o d e so f 陀a ra r em i c r 0 - f t a c m r ea n dc h i p p i n go fc u t t m ge d 罾ec a u s e db y 沁h i 曲b r i m e n e s s a n dt l l eh e a v ys c r 印eo fr e i n f o r c e m e n t s a d h e s i v ew e a ri sa l s of o u i l di nc o a t e dc a r b i d et o o l s a 1 1 dc e r a m i co m s t h e 啪r et h em a s s 丘a c t i o no fr e i n f o r c e m e n t s ，m es l i g h t e rt h ea d h e s i v e w e a ro c c u r so nt 0 0 1 t h em i c mm o r p h o l o g ya i l dr o u g l l n e s so fm a c h i n e ds i l r f a c ea r ea l s os t u d i e d i ti sp o i n t e d o u tt 1 1 a t ，i nt i l eg e n e r a t i o np r o c e s so fm a c h m e ds l l r f a c e ，t h e r ea r em r e ek i n d so fd e f o r m a t i o n a n dd e s t r o ym o c l e sf o rr e i n f b f c 抽gp a r t i c l e si i l c l u d i n g 矗- a c n ，p u l l i n go u ta n dp r e s s i n gi n t o s u 墒c eo fb a s e n l ec o n t o u ro fm a c h i n c ds l l r f a c ei sd e t e m i n e dn o tc o m p l e t e l yb yt h e g e o m e 仃ys h a p eo ft o o la i l df e e dp a t h c o m p a r c dt 0i m n - b a s es i n t e r e da l l o y ，i ti sm o r e d i m c u l tf o rc o m p o s i t e st o g a i nf i n e rr o u g h n e s s f l l n h e h n o r e ，as c c o n d - o r d e rr e g r e s s i v e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs u r f 配er o u g h n e s si se s t a b l i s h e db a s e do no n h o g o n a le x p e r i m e n t s ，a 1 1 d i n n u c n c eo fc u 仳i n gp a r 锄e t e r sa n dm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c so ns u r f k er o u g l l r i e s s 盯ea l s o d i s c u s s e d i nt h i sp a p e r ，t h eb 啪i s h i n gp r o c e s si sf i r s t l yi n 曲“c e di n t ot h ef i n i s hm a c h i n i n go f i m r l - b a s ep mc o m p o s i t e s ，w i t ht l l ed e s i 鄹【c db u m i s h i n ge q u i p m e n t s ，m ei n n u e n c eo fp r o c e s s p a r a r n e t e r so ns 柏c er o u g h n e s sa n dm i c r 0 一h a r d n c s sa r ea n a i y z e d a f t e rb u r n i s h 证昏t h e r o u g h n e s si ss h a r p l yd e c r e a s e dt or a o 4 ，m em i c m - h a r d n e s si si n c r e a s e db y2 0 ，a n dt h e d 印t ho f h a r d e n i n gl a y e ro b t a i n so 埠皿t h eo p t i m a lm n g eo fm a i nb 啪i s h i n gp a r a m e t e r si s o b t a i n e da s ：b u r n i s h i n gs p e e d ： 8 9 ( 2 3 7 节试验所用的材料除外) ，化学成分为：( o 6 1 o ) c + ( 1 5 一2 5 ) n i 华南理工大学博士学位论文 + ( o 8 1 2 ) m o + ( 5 2 0 ) n b c + f e ( 余量) 。 实验设备包括k i s t l e r 9 4 4 1 型三向动态测力仪、k i s t l e r 5 0 1 9 a 型电荷放大器和 配有4 咖甜n 把c 向印c i 一1 7 1 1 数据采集卡的p c 机组成，试验原理如图2 1 2 所示。 三向切削力足、凡、尼由k i s t l e r 三向测力仪同时检测，输出信号经电荷放大器 放大和经低通滤波后，由数据采集卡及相应软件采样，通过模数( a d ) 转换输 入计算机中，进行数据处理，并将结果显示在计算机屏幕上。图2 1 3 为所测得的 三向切削力曲线。 臣三亘三回 。0 匪三量 e 王囹 二二 蔓亟固 图2 1 2 切削力测量系统原理图 f i g ，2 - 1 2e x p e r i m e n ta p p a r a t u so f c u t t i n gf o r c em e a s u r e m e n t 嫩螋螋燃燃 埘1 1 1 。帆n 舢肌m m 卅忡椭舻 2 3 1 2 刀具材料 试验采用的刀具为硬质合金y t l 5 、涂层硬质合金c n 2 5 、超细晶粒y s 8 以及 a 1 2 0 3 基陶瓷刀具。c n 2 5 刀具为多涂层刀片，涂层材料为：t i c + t i c n + t i n 【8 9 】； 陶瓷刀具的主要成分为：a 1 2 0 3 + w c + t i c 。刀具的结构、角度及性能分别见表2 3 一 表2 - 4 。此外，为提高刀具强度，陶瓷刀具前刀面修有负倒棱，几何参数为：b ，l = o 1 m m 、v o l = 一2 0 。 第二章颗粒增强铁基粉末冶金复合材料的切削力研究 表2 4 刀具材料的力学物理性能指标 t a b l e 2 4m e c h a n i c a la n dp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc u t t i n gt o o l s 指标 导热抗弯弹性冲击热膨胀 硬度密度 系数强度模量韧性系数 材料 h r a c m 3w ( m 。c ) g p ag p ak j m 210 6 o c y t l 59 11 1 1 1 73 3 51 1 5 5 0 0 6 0 02 5 5 3 0 6 5 c n 2 5 h v 3 2 0 0 ( t i c ) 1 2 4 1 3 53 2 61 3 55 0 0 - 7 6 y s 8 ( 0 5 “m ) 9 2 5 1 3 9 1 4 27 5 8 01 6 5 一 4 1 a 1 2 0 3 ( w ，t i ) c 9 4 7 9 5 3 6 6 52 8 3 58 5 05 3 01 5 8 1 0 2 3 1 3 切削用量的选择 复合材料的精加工过程中，为获得较高的加工精度和已加工表面质量，应采 用较小的加工余量。本章的试验中切削用量的选择范围为：切削速度( ) ： 3 0 1 1 0 m m i n 、进给量( 厂) ：o ，0 5 o 2 5 m m r 、背吃刀量( ) ：0 0 5 0 3 m m 。 2 3 2 切削用量的影响 2 3 2 1 切削速度的影响 采用新的c n 2 5 涂层刀片切削含1 5 、v t n b c 的复合材料时，切削速度对切削 力的影响如图2 1 4 所示。可见，低于7 0 m m i n 时，随的增加，三向切削力 均缓慢降低；随后，切削力略微上升，不过，总体趋势是三向切削力随k 的增加 而逐渐降低，但降低的幅度不明显。切削铁基粉末冶金复合材料时，切削速度对 切削力的影响与切削单相金属材料有不同的机理。切削4 5 钢、铸铁等常规材料时， 随切削速度的增加，切削温度升高，高温下材料进一步软化，使材料的断裂强度 降低，并且，切削速度的增加还会使切削厚度减小【8 1 】，这些都对切削力产生较显 华南理工大学博士学位论文 著的影响。但对于复合材料来讲，一方面，硬质颗粒的加入使材料的塑性下降， 切削温度对材料断裂强度的影响减弱：另一方面，切削速度越大，单位时间内硬 质颗粒对刀具的撞击、刮擦机会也越多，导致切削力增加。因此，切削速度对切 削力的影响是以上两方面因素综合作用的结果，试验中发现切削速度对复合材料 切削力的影响不太显著。 图2 1 4 切削速度对切削力的影响 f i g 2 1 4i n f l u e n c eo f c u t t i n gv e i o c i t yo nc u t t i n gf o r c e 由于c n 2 5 涂层刀具的高硬度及高耐磨性、较低的摩擦系数以及高的热导率 【8 9 】，再加上复合材料中大量硬质颗粒的存在影响到材料的塑性，切屑对刀刃表面 的粘附作用减弱，在刀具前刀面难以形成积屑瘤。因此，与切削单相材料及轻金 属基复合材料相比，在如图所示的切削用量范围内，切削力曲线“驼峰型”特征 不明显1 3 9 ，4 0 1 。 2 3 2 2 进给量的影响 进给量是影响切削力的重要因素。当切削速度圪= 4 8 m m i n 、背吃刀量 口。= 0 1 5 m m 、进给量发生变化时三向切削力r 、b 、足的测试结果如图2 1 5 所示： 一4 0 0 弓 u - 3 0 0 1 2 p 耄2 0 0 。 1 0 0 00 8o1 2 01 602 00 2 4 f e e dr a t e ，( m m ，r ) 图2 1 5 进给量对切削力的影响 f j g 2 - 15t n f i u e n c eo ff e e dr a t eo nc u 砌n gf o r c e 2 6 一zk20也巴ui#ju 第二章颗粒增强铁基粉末冶金复合材料的切削力研究 从上图可看出，相较于切削速度，进给量厂对切削力的影响比较显著。三向 切削力均随进给量的增加而增大。此外，当n b c 颗粒的质量分数为15 时，采 用锋利c n 2 5 涂层刀具进行切削时切深抗力r 和主切削力足的大小没有明显的差 异，其值约为进给力b 的2 倍。 2 3 2 3 背吃刀量的影响 背吃刀量口。变化时，三向切削力也同时发生显著的变化。在图2 1 6 所示的 切削条件下，由o 0 5 m m 增加到o 2 5 m m 时，r 由7 1 n 增加到1 6 9 n ，增加了约 1 倍；凡由1 2 6 n 增加到3 3 7 n ，足由1 0 7 n 增加到3 5 0 n ，增加了约2 倍。这说明 一方面即对三向切削力的影响均很显著，切削力随着的增加而显著增加；另 一方面，对r 及疋的影响要大于对足的影响。这主要从颗粒增强铁基粉末冶 金复合材料的组织特点来进行解释，增强颗粒脆性大、硬度高，背吃刀量越大，刀具 与增强颗粒碰撞、刮擦的几率越大，所受的阻力也越大，因而三向切削力越高。 图2 1 6 背吃刀量对切削力的影响 f i g 2 1 6i n f l u e n c eo f d e p t ho f c u to nc u t t i n gf o r c e 2 3 3 刀具磨损的影响 2 3 3 1 对切削力的影响 经历了较短的切削时间后，涂层刀具发生了快速的磨损，从而引起切削力的 大幅度增加。与单相材料相比，切削铁基粉末冶金复合材料时刀具磨损对切削力 的影响有着不同的规律。 图2 1 7 所示为c n 2 5 刀具的最大后刀面磨损量吼。对切削力的影响曲线。可 见，随着吼。的增加，切削力逐渐增大。但吼。，对b 、r 和疋的影响程度并不 相同。吼。工0 6 m m 时，虽然三向切削力增长幅度比较平稳，但仍可看出，对 凡的影响要明显大于对凡、足的影响，具体表现为切深抗力的增长快过主切削力 的增长。当隰。p 0 6 m m 后，三向切削力急剧增大，但f v 增加的幅度更为剧烈。 一苔u m20：iac霉：o 华南理工大学博十学位论文 宝1 0 0 0 u - 8 0 0 童6 0 0 墨4 0 0 u 2 0 0 00o3 0609 1 21 5 怕( m m ) 图2 - 1 7 r 、毋、r 随刀具磨损的变化曲线 f i g 2 - 1 7c u t t i n gf o r c e sv s t o o ln a j l kw e a r 刀具磨损会使得后刀面与工件之间的接触变为面接触，而且随后刀面磨损量 的增大，接触面积增加，因而材料剪切变形抗力以及硬质颗粒对切削刃挤压、摩 擦及耕犁作用加剧，反映在切削力上便是三向平均切削力增大。 刀具后刀面磨损量存在一个临界值，在临界值之前切削状态是稳定的，超过 临界阂值，刀具对工件材料不再是正常切削。具体表现形式为刀具快速磨损，切 削力急剧增大。过大的切削力会引起工件系统的颤振，从而影响到刀具寿命和已 加工表面质量。从图2 1 7 可看出，对于铁基粉末冶金复合材料的切削加工，当 吼。达到o 6 咖后，刀具发生磨损失效。 精车铁基粉末冶金复合材料时，可将凡( = 足，足) 和r 。( = 尼) 定义为切 削力分力比【9 0 。92 1 。刀具磨损对切削力分力比如、凰的影响如图2 1 8 所示。可见， 随吼。，的增加，凡基本不变，r ，急剧增大，说明刀具磨损对进给力r 和主切削 力疋的影响程度基本相同，而对切深抗力凡的影响尤为显著。如当吼。，达到 1 5 m m 时，胄，超过2 o ，与锋利刀具相比，r ，整整增加了1 倍多，因而可用切削 力分力比来描述切削这种复合材料时刀具磨损的程度。 叱 芷 图2 - 1 8 刀具磨损过程中r 凡、叫疋的比值 f i g 2 - 1 8c u t t i n gf o r c er a t i ov s t 0 0 1f l a n kw e a r 第二章颗粒增强铁基粉末冶金复合材料的切削力研究 2 3 3 2 对切削力波动状况的影响 由于复合材料中大量硬质颗粒及微观孔隙的存在，材料微观硬度不均匀。在 切削加工中，刀尖所接触到的工件材质瞬时硬度的巨大差异，以及硬质颗粒对刀 刃的碰撞、刮擦、颗粒的脱落或界面开裂引起切削力上升或突降，从而导致切削 力产生大幅波动。在平稳的切削状态下，切削力最大峰值与最小峰值的差值可看 作其波动幅度4 f ，4 f 与平均切削力的比值定义为波动率r ，( = 凹f ) 。当增强 相质量分数不很高时，尽管平均切削力较小，但切削力波动率相对较大。 图2 1 9 所示为n b c 。质量分数为1 5 、切削参数为：以= 4 8 m m i n 、厂_ o 1 2 m m r 、 口。= o 1 5 m m 时，刀具磨损对切削力波动状况的影响。 1 0 c 0 8 06 04 0 00 30609121 5 v 8 ( m m ) 图2 - 1 9 刀具磨损时b ，r 、疋波动率变化趋势 f 1 9 2 1 9c u t t i n gf o r c en u c t u a t i n gr a t ev s t 0 0 1n a n kw e a r 可见，刀具磨损后，除切削力增加外，切削力波动率明显增大，尤其当 吼户0 6 m m 后，切削力波动率更是急剧增加。虽然三向切削力波动率的差异没有 明显的规律，但当吼。p o 6 m m 后，切削力波动率达到最大值，随后维持在平稳 状态，这说明刀具磨损达到临界阈值后，切削力波动幅度与切削力同等程度大幅 增加，刀具进入剧烈磨损阶段已不再适宜继续切削。同样，切削力波动率r ，可用 作表征切削铁基粉术冶会复合材料时刀具磨损的一个测度。 采用c n 2 5 刀具切削复合材料不久即能感受到加工系统产生振动。由于f v 是 影响振动的主要因素，而刀具磨损后r 又远大于其它两个分力，从而导致系统产 生振动。此外，切削力峰值与平均切削力的差值可表示为【9 3 】： 蚋【( 一】 ( 2 - 1 2 ) 式中，h 为工件材料的平均硬度( k g ，m m 2 ) ，h ，为某具体位置区间材料的微 观硬度值( k g m m 2 ) ，m 是泰勒指数，表示材料微观硬度变化对切削力的影响。 由于己磨损的刀刃的后刀面接触到的增强颗粒增多，日，增加：同时，硬颗粒 对刀具的挤压、撞击及随机微切削刀具的机会增多而使瞬时切削力峰值及f 增 华南理工大学博士学位论文 大，因此，复合材料中硬度分布的不均匀，在一定程度上也加剧了振动。 2 3 4 刀具材料的影响 采用y s 8 超细晶粒刀具、c n 2 5 涂层刀具、a 1 2 0 3 ( w ，t i ) c 陶瓷刀具切削n b c 。 增强铁基粉末冶金复合材料时的三向切削力测试结果如图2 2 0 所示。可见，刀具 材料对复合材料的切削力也有一定的影响，总体上讲，采用陶瓷刀具时切削力最 大，而c n 2 5 刀具的切削力比y s 8 刀具略小。 2 。0 1 5 0 一 r 1 0 0 5 0 q 1 00 1 5蚴q 2 5a 3 0 娜0 f q t 毛 ( a ) 刀具材料对进给抗力的影响 ( a ) i n n u e n c eo ft o o lm a t er a lo nf e e df o r c e d 白p m 吖o 幢a d ( 吖m ( b ) 刀具材料对切深抗力的影响 ( b ) i n f l u e n c eo ft o o lm a t e r i a io np l u n g ef o r c e d 印m 睇叫a d ( 删 ( c ) 刀具材料对主切削力的影响 ( c ) i n f l u e n c eo ft o o lm a t e r i a lo nt a n g e n t i a lf o r c e 图2 2 0 刀具材料对切削力的影响 f i g 2 2li n f l u e n c eo ft o o lm a t e r i a lo nc u m n gf o f c e 与其它两种刀具相比，所选的陶瓷刀具具有较大的刀尖圆弧半径，e 及刃口钝 圆半径h ，加工过程中对工件表面具有熨平作用，因而受到硬质颗粒的挤压也更 剧烈：当背吃刀量口。较小时陶瓷刀具采用负前角进行切削，切削区材料剪切变形 大，同时，刃口圆弧对复合材料的挤压和摩擦加剧，单位切削力增大，因而切削 力尤其是切深抗力凡较大( 见图2 2 0 b ) 。相较于y s 8 刀具，c n 2 5 涂层具有更高 的硬度及耐磨性、切削时刀屑摩擦系数小，硬质颗粒对涂层表面的微切削程度降 低，切削力略微下降。从图2 2 0 还可推得，采用陶瓷刀具切削时，切削力分力比 第二章颗粒增强铁基粉末冶金复合材料的切削力研究 如( = 眦) 最大，这说明刀具的几何参数对切削力分力比具有一定的影响。从 降低切削力的角度考虑，c n 2 5 涂层刀具更适合精加工铁基粉末冶金复合材料。 2 3 5 刀具几何角度的影响 2 3 5 1 刀具前角的影响 图2 2 1 给出了采用y t l 5 焊接刀片切削1 0 n b c 。增强铁基粉末冶金复合 材料时，刀具前角v o 对切削力的影响曲线。 相较而言，采用y o = 1 2 。的刀具进行精车加工时，三向切削力最小；而采用5 0 前角刀具切削时，切削力最大。可见，车削这种难加工材料时刀具前角y o 对切削 力的影响规律与车削4 5 钢、铸铁等单相金属材料基本相同【8 ，切削力随刀具前 角y o 的增大而降低，这也间接说明采用三种不同刀具进行精车时陶瓷刀具切削力 最大的原因。 尽管刀具前角y o 对降低切削力有正面影响，前角增大时也成为影响刀具寿命 的不利因素。由于n b c 。增强铁基粉末冶金复合材料切屑塑性变形小，断屑容易， 为了尽可能提高刀具耐用度，精车这类难加工材料时，刀具前角不必过大，推荐 采用o 前角或正前角刀具。 k = 4 8 m m i n ，产o 1 2 m m r = o 2 m m ，y t l 5t o o l ，l o w t n b c ， 图2 2 l 刀具前角对切削力的影响 f i g 2 2l i n n u e n c eo fr a k ea n g l eo fc u t t i n ge d g eo nc u t t i n gf o r c e 2 3 5 2 刀尖圆弧半径的影晌 图2 2 2 给出了在切削条件k = 4 8 1 1 1 m i n 、厂_ o 1 2 m m r 、仃口= 0 2 m m 下，采用三 种不同刀尖圆弧半径( ，。) 的陶瓷刀具精车1 0 w t n b c 。增强铁基粉末冶金复合 材料时，刀尖圆弧半径r 。与切削力的关系曲线。 可见，随着刀尖圆弧半径r 。的增加，切削力逐渐增大；相较而言，。对切深 抗力毋的影响更为显著。采用图2 - 2 2 所示的加工条件，当r 。 0 8 m m 时，b r o 8 m m 时，b 超过主切削力e 成为最大的切削力分量。 k = 6 8 m m i n ，产o 1 2 m m r ，绵= o 2 m m ，1 0 叭n b c ，a 1 3 魄( w ，t i ) c 0 0 l 图2 2 2 刀尖圆弧半径对切削力的影响 f i g 2 2 2i n f l u e n c eo f ，eo nc u t t i n gf b r c e 从降低切削力的角度考虑，应选用较小的刀尖圆弧半径。但r 。过小时对刀具 的寿命产生不利影响；此外，从图2 2 2 可看出，尽管h 增加时切削力增大，但r 。 对切削力的影响不如其它因素明显，况且，h 适当增加时还能降低复合材料的已 加工表面粗糙度。因此，实际切削加工这种难加工材料时，应综合考虑凡对切削 力、刀具寿命及已加工表面质量的影响，因此，。一般选择o 8 m m 或以上为宜。 2 3 6 增强相含量的影响 铁基粉末冶金复合材料增强相质量分数聊对切削力的影响如图2 2 3 所示。 p 穹m d e 悟葛开踟m 善 u 墨 1 2 詈 芎 c ) ( a ) 唧= 0 10 m m( b ) 唧2 0 2 0 m m 图2 2 3 、丘、e 随增强相质量分数变化的曲线 f i g 2 2 3i n n u e n c eo fn b cm a s sf r a c t i o n0 nc u t t i n gf o r c e 可见，m ，对切削力的影响非常显著，竹越高，三向切削力只、e 、e 越大。 当n b c 质量分数小于某一临界值协。时，切削力的变化趋势与切削普通金属材料有 爹一 一引 一 二 二一二 一 = 一一 一 一一 瑚 拼 仰 仰 一zu苎o：iac暑丁u 第二章颗粒增强铁基粉末冶金复合材料的切削力研究 相同之处，始终是r f 。的现象；且随着研，的增加，刀具刃口圆弧及后刀面对 复合材料的挤压和摩擦加剧，切削力b 与b 之差迅速增大，这时b 在总切削力 中所占的比例相对增大。临界值m 。与刀具的切削用量、几何参数和磨损状况有 关。从图2 2 4 可看出，采用锋利切削刃时，川r ；值为1 2 1 5 。 由于刀具刃口所受的挤压作用是引起径向力e 的重要原因，在精车复合材料 时，在切削刃钝圆半径分流点附近和以下的硬质颗粒将大部分被挤压进入已加工 表面，随批的增加，硬质颗粒的挤压力大大增加，因而造成径向力e 迅速上升。 同样，切削力分力比r ( 如= 只e 、r 。= 彤只) 可用柬描述车削铁基粉末冶金 复合材料时切削力的这一特有现象。如图2 2 4 所示，随蜥，的增高，凡、彤值逐 渐变大，当朋p 朋“时，月，迅速增大，且r ， 凡、r ， 1 ，这与切削单相金属材料的 情况截然不同。文献 4 0 ，4 4 ，5 7 】在研究s i c p 增强铝基复合材料的切削力时，得出了 与本实验相同的结论。之所以出现这种情况，一般认为主要原因是随增强相含量 的增加，复合材料的抗压强度函。逐渐大于其抗拉强度o b ，且增大的幅度也相应提 高，导致f v 逐渐偏离其它两个分力。当增强相含量达到一定值后，刀具会产生严 重的“让刀”现象，对工件表面产生熨压加工，并在车削过程中产生单元或崩碎 切屑，且集中在刀具附近，切屑与前刀面的接触面积小，摩擦力较小，切屑去除 的方式是脆性断裂，这些因素导致f z 的增加幅度没有f y 显著，因而月户1 。在本 实验中，当聊 1 2 一15 时，r ，大于1 ，且d 迅速偏离尼。此时，刀具难以切 入复合材料，加工精度较难保证。 叱 坌 叱 2 o 世 q 芷 m 2 o ，4 匿震噩 惫j 1 0 。o ” n s ：夕 $ ： 芝! 1 4 2 0 8 6 4 似 他 伸 华南理工大学博士学位论文 背吃刀量如较小时，刀具更不易切入工件。 2 3 7 材料子l 隙率的影响 孔隙对复合材料切酎力的影响较为复杂，虽然切削过程中，剪切区微裂纹在 进入孔隙时可磨钝裂端，孑l 隙作为应力的松弛剂，提高了裂纹尖端的应力强度因 子，在一定程度上阻碍了材料的剪切变形；但更主要的是，孔隙减小了材料的真 实断面，是应力的集中剂，因而降低材料的临界断裂应力。“。此外，氧化物、残 余润滑剂及其它杂质易于聚集在颗粒界面及孔隙周围，造成类似孔隙的薄弱区， 容易形成裂纹。 由材料断裂理论可知，铁基烧结复合材料强度与孔隙率的关系可表示如下 9 4 ： 以= 吼e x p 1 ( 2 1 3 ) t = 巳+ s i n 2 2 = 0 0 - e x p 一们- s i n 2 2 ( 2 1 4 ) 式中： 印一孔隙率盼别为s 和o 时材料的抗拉强度； 矗一孔隙率妫s 时材料的剪切强度； 口一与主应力面的夹角； 七一指数，胁o o 因此，孔隙率口增加时，蟊减小，切削区材料更易发生剪切破坏；此外，随 孔隙率的增加，材料密度下降，增强体一基体的界面结合能力减弱，n b c 、f e 3 c 及氧化物硬质颗粒易于和基体脱粘，在刀具表面形成滚动摩擦，而降低切削力。 如图2 2 5 所示，在图示范围内，三向切削力随材料孔隙率目的上升而逐渐降低。 z u - o u - o 匕 o p o r e r a f e 护 图2 2 5 材料孔隙率目对切削力的影响 f i g 2 - 2 5i n n u e n c eo fp o r er a t e 口o fc o m p o s i t e so nc u i t i n gf o r c e 2 4 切削力数学模型的建立 第二章颗粒增强铁基粉末冶金复台材料的切削力研究 上述试验已经对精加工n b c 。增强铁基粉末冶金复合材料时的切削力及其影 响因素进行了试验研究和理论分析。可见，切削力不仅与材料特性、刀具几何参 数及切削用量密切相关，而且对加工过程中切削的状态变化也非常敏感，刀具的 磨损、切削力的变化及由此产生的机床的振动都会反映到复合材料零件精加工表 面的微观形貌上来。因此，在现有条件下，如何快速地建立一个可靠的切削力预 测模型，实现加工前切削用量的优选，是当前复合材料加工工艺领域中一个亟待 解决的内容。 就切削过程中刀具的作用而言，它必须克服切屑与工件被切削层、己加工表 面层等各处剪切和摩擦变形的阻力，以维持切削过程不断进行，也就是说，金属 切削过程的完成，必须通过刀具提供足够的切削力做功，不断地为切削过程补充 能量。切削力影响着切削热的产生，并进一步影响着刀具磨损、耐用度和加工表 面粗糙度。尤其对于精加工小型、薄壁粉末冶金结构零件，切削力过大时将对 工件系统的动态性能产生影响，使加工表面质量恶化。因此，建立切削加工时的