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外語文獻翻譯
系 別 機電工程系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
Machine design theory
The machine design is through designs the new product or improves the old product to meet the human need the application technical science. It involves the project technology each domain, mainly studies the product the size, the shape and the detailed structure basic idea, but also must study the product the personnel which in aspect the and so on manufacture, sale and use question.
對金屬基復合材料的高速車削實驗
L. Iuliano a, L. Settineri a and A. Gatto b ,*
a. Politecnico di Torino, Dipartimento di Sistemi di Produzione ed Economia dell’Azienda, C. so Duca degli Abruzzi, 24-10129 Torino, Italy
b. Universita` di Ancona—Dipartimento di Meccanica, Via Brecce Bianche-60131 Ancona, Italy (Received 1 October 1997; 12 May 1998)
摘 要
在機加工操作中，由機械特性增加了的金屬基復合材料（MMC）組成的硬磨料陶瓷元件，會引起快速磨損和刀具過早失效。本文的目的就是將高前角的硬質合金刀具和有金剛石涂層的硬質合金刀具，在對Al2O3 Al 6061金屬基復合材料（MMC）高速加工時的特性，進行比較。關于刀具磨損和表面光潔度對切削參數的影響，尤其是切削進給量和切削速度，進行了研究。另外，涂層的高耐磨性，會使刀具壽命和切削成形機理得到提高。（1998年，由Elsevier科學有限公司出版并保留所有權利。）
關鍵詞：金屬基復合材料（MMC）；高速切削；刀具磨損
簡介
使用復合材料的益處以及越來越多采用它們的原因是尋找，具有獲取很多增益優(yōu)勢的，特性組合體。其中包括：增加強度，減少重量，更高的服務溫度，耐磨性的提高及較高的彈性模量。
復合材料的主要優(yōu)勢：在于它們的機械性能和物理性能可以根據特定的設計標準進行調整。
近年來，一種被稱為新一代金屬基復合材料（MMC）1,2的材料已被開發(fā)出來，用以滿足高強度和高韌性材料的需求，且能在惡劣的條件下有效地工作。
這些材料的發(fā)展，始于20世紀60年代硼、石墨和芳族聚酰胺纖維復合材料的引入。對在金屬基復合材料的研究中，也引出了一些硼/鋁復合材料的零部件。然而，20世紀70年代早期隨著聚合物基復合材料逐漸占據主導地位，有關金屬基復合材料的收益便減少了。到上世紀80年代末，新的纖維增強材料的引進，再一次促進了金屬基復合材料的發(fā)展。
這些材料通常是由一種，可由任何合適的金屬（鋁，鎂，鈦的形成和一些高溫合金應用最多）組成的，基質形成；且由構成陶瓷材料的連續(xù)或非連續(xù)的纖維、晶須或顆粒組成的SiC和Al2O3來增強的。
這些先進的復合材料被認為是用于高溫應用的良好選擇。大多數的金屬基復合材料含有約三分之一的鋼，它們的比強度和剛度相當高3。因為具有重量可減少量高達25%的潛力，所以這些屬性在汽車和航空航天方面的應用非常重要。此外，其高溫強度保留率也是一個重要的特征，使它們適于用作汽車和飛機發(fā)動機的材料。
然而，在嘗試對其進行切削時，這些吸引工程設計人員的金屬基復合材料（MMCs）的性能，卻由于它們的高脆硬性而呈現出一個巨大的挑戰(zhàn)。
例如，由于高磨損率4-7，用常規(guī)方法如車削、鉆、銑、鋸等，對硬氧化鋁顆粒的氧化鋁／鋁合金MMC材料加工是非常困難的。鑒于此，氧化鋁被作為許多刀具的基礎材料，也就不奇怪了。因此，使用這些傳統(tǒng)的方法加工MMCs時，往往涉及頻繁及昂貴的刀具變化和因此而增多的刀補次數。所以，在車削、銑削和鉆削MMCs時，需要使用硬質合金、金剛石或硬質氮化物涂層刀具。即使加工次數往往是那些未增強的基體材料8-10的兩到四倍，但由于刀具磨損的增加和MMCs的脆性要求而需要良好的表面光潔度，就有必要減少進給速率了。
圖一 Al2O3顆粒分布平行（a）和（b）垂直于擠壓方向
表1 6061鋁基表的化學成分
表2 切削條件
如果這些材料有更廣泛的用途，那么金屬基復合材料的加工困難就必須最小化。因此，金屬基復合材料的加工，目前被認為是制造科學迫切需要關注中最有意思的領域之一。由于復合材料是相對較新的材料，所以已經建立了綜合切削數據庫，并引起了人們的研究興趣5,6,8-13。
在本文中的一些調查結果的概述，包括一個用傳統(tǒng)的車削進行高速加工的10%顆粒的Al2O3／6061 T6的鋁基復合材料。幾何形狀相同的硬質合金刀具和有金剛石涂層的硬質合金刀具被用于測試和測量刀具的磨損和表面光潔度，試驗執(zhí)行時，切削速度和進給速率都在一定范圍內。
該芯片的掃描電鏡觀察，以及磨損結果的評估是在不同切削速度和進給量的切屑機理下形成的。
此前，作者已報道過13（Ti，Al）N涂層提高刀具壽命的調查結果。然而，這些結果表明：由于要實現刀具壽命上這點優(yōu)勢會耗費更多成本，所以在經濟上涂層是不可行的。
實驗裝置
車削試驗是在一臺，堅固、有剛性、由特定的滾子軸承所組成的主軸及主軸轉速可達5000轉的，數控立式車床上進行的。其主軸由一臺額定功率為80千瓦、峰值功率為120千瓦的直流電機連續(xù)提供動力。
商用的未涂層刀具和CVD金剛石涂層硬質合金刀具是以三角可轉位刀片的形式使用的，這些刀片典型的幾何形狀可用于鋁合金的加工。聚晶金剛石刀具沒有被測試，是因為與未涂層硬質合金刀具相比其成本高。一般情況下，刀具的前角，傾角。
對10%顆粒的Al2O3／6061 T6鋁基合金進行連續(xù)切削測試，其組成見表1。圖1顯示的是分布均勻的正在增強的Al2O3顆粒，平行、垂直于擠壓方向。
經過初步試驗，為避免災難性的失敗，對切削條件進行了選擇。選定的切削條件見表2。總的來說，對于每一個工具都要進行12次的測試
加工完150* 103 立方毫米的物體后，根據ANSI / ASME B94 55M標準測得的殘余磨損量VB ，所檢驗的刀具磨損模式都是一致的。對硬質合金刀具切削刃的磨損區(qū)域的SEM（掃描電鏡觀察）照片顯示，圖2中所示的后刀面磨損的模式是統(tǒng)一的。
表面粗糙度Ra是用霍梅爾T1000針式儀器在被加工表面測得的。測量是在四個圍繞工件的空間位置間隔獲得的中值及其分布。
用制備金相和使用二次電子顯微鏡檢查（SE）和背散射電子（BSE）的掃描電鏡對切屑和刀具進行分析，有時也會用能譜半定量分析。
圖二 掃描電鏡對磨損未涂層硬質合金刀具切削刃區(qū)圖片，
結果與討論
對使用未涂層刀具和金剛石涂層刀具所獲得的每組VT–F參數，使用多元線性回歸統(tǒng)計分析刀具磨損的VB和平均表面粗糙度Ra值。獨立的變量包括進給量、切削速度和它們所選定的第二階項。該模型，解釋了一部分總的變異，擬合了所觀察到的反應的主要因素和第二項。就該模型的意義和參數進行方差分析檢驗；所得的模型變異的百分比大于80%。
分析標準不允許我們排除一些變量的影響，因為他們只是指出，這些與結果的聯(lián)系性很強。應該強調的是，為了預測的目的，該模型的有效性不超過由測試的獨立變量的組合定義相關的樣本空間。注意，實驗數據排除了刀具的持續(xù)時間與切削速度符合泰勒定律的特性的初步分析。統(tǒng)計分析表明，數據擬合了一個二階多項式模型。
刀具的磨損
圖3和圖4所示的是未涂層刀具和金剛石涂層刀具的磨損特性。根據以下模型，主要影響因素有：進給量、方進、方進的切削速度以及切削速度的多次進給。
對無涂層的刀具，和
對金剛石涂層刀具。
圖三 以未涂層硬質合金刀具的切削速度和進給量為變量的后刀面磨損VB（MM）的計算模型，星號顯示實驗結果已對模型進行過計算。
使用的模型：
統(tǒng)計參數：
圖四 以金剛石涂層硬質合金刀具的切削速度和進給量為變量的后刀面磨損VB（MM）的計算模型，星號顯示實驗結果已對模型進行過計算。
使用的模型：
統(tǒng)計參數：
事實上，可以觀察到，對于一個給定的材料去除量，最小的后刀面磨損是由一個特定的組合切削速度低和相對高的進給量獲得的。另一方面，低速進給和高切削速度的組合不可取。從這兩張圖片的對比中可以看到，正如預期的那樣，金剛石涂層工具顯示了更高的耐磨性和最小的后刀面磨損是為了達到更高的切削進給和速度。圖5所示的灰色部分，代表的參數的組合區(qū)域，僅可以安全的使用金剛石涂層刀具。
圖五 灰色區(qū)域只能安全適用在金剛石涂層硬質合金刀具
涂層刀具更高的耐磨性是由于與硬質合金有關的高耐磨金剛石涂層。
表面光潔度
表面粗糙度Ra值分析清楚地表明，粗糙度不依賴于位置角的?，這是由于基體上均勻分布的Al2O3加固所致。
通過將測量各加工實驗得到的RA值與未涂層刀具進行加工以獲得平均值Ram進行統(tǒng)計分析，得到以下模型：
圖6所示的是未涂層刀具的表面粗糙度特性。切削速度-進給量兩項和他們的產品沒有明顯的影響，因此，起主導作用的是切削速度和進給量。
圖六 以切削速度和進給量為變量的，未涂層硬質合金刀具的平均表面粗糙 Ram (μm)的計算模型。星號顯示實驗結果已對模型進行過計算。
使用的模型：
統(tǒng)計參數：
然而，用金剛石涂層刀具所加工零件時并沒有顯示出切削參數與表面粗糙度之間的相關性。
切屑的形成
采用SE和BSE處理的刀具加工后，用掃描電鏡觀察切屑和工件表面。
時，由切屑的圖像分析可觀察到，基體和增強顆粒發(fā)生了脫離。這一現象，獨立于切削刀具的材料，隨著切削速度的增加變得更為明顯（圖7）。
進給率更大時，對切削速度的影響卻不是很強。時，對切屑的下表面進行掃描電鏡觀察。卻注意到當、時，二者之間并無差異（圖8）。
圖七 金剛石涂層刀具加工時，產生發(fā)的切屑下表面上顆粒清晰可見：
圖八 金剛石涂層刀具加工時，產生的切屑下表面上，可以看到堆放的粒子：
切削速度為630米/分鐘時，已注意到一些零碎的平行流速度，隨著切削速度和進給率的增加而變得更加明顯。在最后的廢料中，?？梢栽诨w上觀察到部分增強的顆粒。簡單的解釋可能是增強顆粒粘在了刀具前角和刻在切屑上的劃痕，直到消失，至少部分地在切屑基體上遠離刀具的前角。為了驗證這一點，切屑的縱向部分被切斷（圖9）。
圖九 使用未涂層刀具加工產生的切屑的縱向斷面（放大50倍）：
很明顯（圖10）如pijspanen模型所示，由其截面圖像可觀察到：增強粒子傾向于在基體沿剪切平面上下沉、堆集。有足夠多的粒子堆積起來以阻止另一粒子的下沉，最后一個則伸出了基體一部分。高速切削下產生的切屑，其效果更加明顯。切削速度更高時產生的高溫，使粒子更易于沿剪切面運輸。此外，剪切面越來越不規(guī)則，下表面上可見的劃痕和脊數變多。
圖十 增強粒子沿剪切面的擴散模型
同樣的特性是由切削速度增加而誘使的：剪切面之間的距離增大（如圖11–13）。
圖十一 時，金剛石涂層刀具加工時產生的切屑縱斷面
（放大50倍）
；
能夠清楚地觀察到粒子的堆積
圖十二 金剛石涂層刀具切削時，切屑的上表面的剪切面：
圖十三 未涂層刀具切削時，切屑的上表面的剪切面：
至于對涂層的影響，可以說，加工參數不變時，用金剛石涂層刀具產生的剪切平面之間的距離是高于使用硬質合金刀具的。當用硬質合金刀具加工時，切屑的下表面更均勻且規(guī)則。這可能是由于涂層14-16的摩擦系數低。
磨損的切削刀具
金剛石涂層的熱導率約為的硬質合金的10–20倍（1000–2000 W / mK和100 W / mK）。然而，測得沿生長方向的值卻是垂直于生長方向值的兩倍。這使得涂層和基板的借口處產生了高溫梯度以及切屑16上較低的溫度：Al2O3硬度增強值和軟基之間有一個很大的區(qū)別，所以當硬質金剛石刀具的刃口切入硬質顆粒時，這些便開始移動；而參考9對PCD刀具的描述亦有同樣的效果。所觀察到的切屑形成機理并不是參考13中作者對于一個非常不同的（Ti，Al）N涂層刀具的描述，但由于切屑的溫度較低，在此處就需要更大的局部力來移動基體上的粒子。機加工完成后，可以在金剛石涂層刀具上觀察到這些局部力和熱負載的影響（圖14）。在刀具后刀面上的一個大的材料黏附區(qū)域（白色區(qū)域）很醒目；隨著切削速度的增大，該區(qū)域便會延伸；隨著進給率的增加，黏附區(qū)域面積開始減小。很快，下方粘著帶的深色線條會變得明顯，且在刀具涂層被去除部位的平行于切削刃。涂層已消失的另一面，則可以在靠近切削刃的刀具前刀面看到。必須考慮到，金剛石涂層與基體之間的附著力仍然是關鍵的因素，特別是在硬質合金襯底17的情況下。
圖十四 機加工完成后的金剛石涂層硬質合金刀具：
結語
可以從試驗結果中得出以下結論：
（1）在形成切屑的過程中，增強的粒子沿被分割成層的變形的，切屑的剪切面堆積。因為溫度升高使氧化鋁粒子的移動更自由，所以隨著切削速度和進給量的增加，這種現象更加明顯。
（2）至于涂層對切屑形成的影響：較低的摩擦系數使得剪切面之間的距離變大 ，切屑下表面變得更均勻、規(guī)則。
（3）局部應力和熱負載的影響使得涂層，沿著切削刃的平行位置，被去除。
（4）后刀面磨損的統(tǒng)計模型顯示：當切削速度高達一定值時，后刀面的磨損會隨著進給率的增大而降低。正如在此所陳述的，刀具上的高耐磨金剛石涂層，極大地提高了耐磨性，使其成為加工耐磨材料時的優(yōu)良選擇。
（5）由于所展示的金剛石涂層硬質合金刀具的磨損有限，所以還需要更多的研究，以探討其在更嚴酷情況下加工復合材料時的行為，尤其在材料的去除量上。
致謝
在此，本文的作者們希望向，在準備這份手稿時為他們提供有見地的建議和意見的，Ancona大學的Liliana Felloni 教授和都靈理工大學的R. Ippolito教授致謝。
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