摘要：通過用CVD金剛石薄膜涂層刀具切削加工SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的試驗(yàn)同嚷，研究了切削參數(shù)蔬聚、刀具材料、刀具幾何參數(shù)和工件材料對CVD金剛石薄膜涂層刀具磨損的影響規(guī)律赠魂，同時研究了SiCp/Al復(fù)合材料的切削加工性能麸档。

1 引言

　　SiCp/Al復(fù)合材料是一種剛性顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料，由于它具有比強(qiáng)度和比剛度高缆刁、線膨脹系數(shù)小乃沙、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨耐熱性好诗舰、可重熔性好以及價格低廉等優(yōu)點(diǎn)警儒，很適合制作耐磨、耐熱眶根、強(qiáng)度高蜀铲、重量輕的零部件(如發(fā)動機(jī)活塞、車輛剎車器等)属百，因此在航空记劝、航天、汽車诸老、摩托車隆夯、儀器儀表、兵器等工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力别伏。該材料中由于加入了高強(qiáng)度的硬脆SiC陶瓷顆粒蹄衷，極大地提高了基體材料的力學(xué)性能，并且具有復(fù)合材料宏觀各向同性厘肮。但同時也給切削加工帶來了很大的困難愧口，使得切削SiCp/Al復(fù)合材料時刀具的磨損率大，加工精度和表面質(zhì)量難以保證咆杯。研究表明幌瓦，采用高速鋼和硬質(zhì)合金刀具加工此類材料的效果都很差，聚晶金剛石刀具和金剛石厚膜刀具加工此類材料的效果雖然比較好终太，但刀具成本過高苫担。而CVD金剛石薄膜涂層刀具制造工藝簡單，成本低廉辰丛，在高硅鋁合金等耐磨材料及有色金屬材料的加工中已得到廣泛應(yīng)用滓层，本文將探討其對切削加工SiCp/Al復(fù)合材料的適應(yīng)性。

2 CVD金剛石薄膜涂層刀具及其特性

　　CVD金剛石薄膜涂層刀具是通過化學(xué)氣相沉積(ChemicAlVapor Deposition向酝，CVD)法在硬質(zhì)合金禁糖、陶瓷等刀具材料基體上沉積一層極薄(50μm 以下)的金剛石膜制成的刀具。金剛石薄膜材料具有單晶金剛石優(yōu)良的熱力學(xué)性能(如極高的硬度盖疾、高導(dǎo)熱性狞穗、低摩擦系數(shù)和低膨脹系數(shù)等)概丢，因而CVD金剛石薄膜涂層刀具亦具有很高的耐磨性和良好的韌性，已成為加工有色金屬及其合金民轴、非金屬硬脆材料攻柠、高硅鋁、高耐磨材料等難加工材料的首選刀具之一杉武。

3 切削試驗(yàn)

　　試驗(yàn)刀具采用廣州有色金屬研究院研制的CVD金剛石薄膜刀具：基體為YG6辙诞；采用直流等離子射流CVD法涂層，反應(yīng)氣體為甲烷轻抱、氫氣飞涂、氬氣的混合氣體；涂層之前進(jìn)行脫鈷祈搜、脫碳等基體表面處理较店。涂層工藝參數(shù)為：氣壓5～20kPa，Ar 流量為3l/min容燕，H2流量為6l/min梁呈，CH4為120SCCM，溫度為800～8500℃蘸秘，有偏壓官卡，沉積時間為1.5h。

3.1 試驗(yàn)條件

1) 工件材料及試驗(yàn)刀具
　　試驗(yàn)采用的工件材料為編號1#～4#的不同顆粒和體積百分比的SiCp/Al材料(見表1)僚洋；試驗(yàn)用刀具為硬質(zhì)合金YG6和CVD金剛石薄膜刀具(分別標(biāo)記為CVD-1剥乍、CVD-2、CVD-3)候赏，各種刀具的幾何參數(shù)見表2斧炎。

表1 工件材料

編號	名稱	顆粒大小	體積百分比
1#	SiCp/Al	14μm	10%
2#	SiCp/Al	28μm	10%
3#	SiCp/Al	28μm	20%
4#	SiCp/Al	40μm	20%

表2 試驗(yàn)刀具及幾何參數(shù)

刀具	前角g0 (°)	后角a0 (°)	主偏角Kr (°)	副偏角Kr' (°)	刀尖re (mm)
YG6	-8～-9	8～9	45	45	1.0
CVD-1	-8～-9	8～9	45	45	1.0
CVD-2	0	8～9	45	45	1.0
CVD-3	8～9	8～9	45	45	1.0

2) 試驗(yàn)設(shè)備、儀器及測量參數(shù)

·試驗(yàn)機(jī)床：CM6140普通臥式車床盯媚；
·測量儀器：工具顯微鏡铝寿；測量參數(shù)：刀具后刀面(刀尖處)磨損值VC。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1) 切削參數(shù)對刀具磨損的影響

　　試驗(yàn)證明抖唧，用CVD金剛石薄膜涂層刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料時陷克，不同的切削參數(shù)(vc，ap瓤鬓，f)與VC值關(guān)系密切曾瞪。隨著進(jìn)給量f的增加，后刀面磨損值VC值明顯變小既憔。這是由于在其它切削參數(shù)不變的條件下，進(jìn)給量f越大骤公，切削厚度hD越厚抚官，切屑對后刀面的研磨作用越弱扬跋。當(dāng)其它切削參數(shù)不變時，隨著切削深度ap的增加凌节，VC值雖然有所增大钦听，但其變化不明顯。這是因?yàn)樵谄渌邢鲄?shù)不變時倍奢，切削深度ap越大朴上，切削層的截面積越大，切屑對后刀面的研磨作用不嚴(yán)重卒煞。在其它切削參數(shù)不變時痪宰，隨著切削速度vc的增加，VC值明顯增大畔裕，刀具磨損嚴(yán)重衣撬。其原因在于切削速度vc越高，相同時間內(nèi)切削路程就越長扮饶，從而對后刀面的磨損越嚴(yán)重具练。

　　根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，用CVD刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料時惜肃，切削速度vc越高喝壹，切削深度ap越大，進(jìn)給量f越小盲狈，刀具后刀面磨損值VC就越大旱已。

2) 刀具材料對刀具磨損的影響

　　分別采用YG6和CVD-1刀具對3#材料進(jìn)行切削加工，所得的刀具后刀面磨損值VC與加工時間t的關(guān)系曲線如圖1所示泉疆。

 
vc=30m/min派料，ap=0.1mm，f=0.1mm/r
圖1 采用不同刀具材料的VC-t曲線

　　由圖可以看出滑攘，YG6的后刀面磨損VC值是金剛石薄膜涂層刀具CVD-1的VC值的1.5～2.0倍腊匆。這是由于SiCp/Al復(fù)合材料中硬質(zhì)相SiCp的硬度高于硬質(zhì)合金，因此使YG6刀具遭受嚴(yán)重的磨料磨損超璧；而金剛石薄膜刀具CVD-1具有極高的硬度隙趣、高耐磨性、低摩擦系數(shù)和高熱導(dǎo)率嘴缓，故在加工SiCp/Al復(fù)合材料時旱万，其磨損量大大小于YG6刀具的磨損量。

3) 刀具前角對刀具磨損的影響

　　分別采用正前角吐句、負(fù)前角及零度前角的CVD-1～3刀具加工2#材料胁后，得到的后刀面磨損VC值與加工時間t的關(guān)系曲線如圖2所示。

 
vc=32m/min，ap=0.1mm攀芯，f=0.1mm/r
圖2 不同前角時的VC-t曲線

　　由圖可見屯断，刀具前角對CVD刀具的磨損有重要影響。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)侣诺，采用-8°～-9°前角的CVD刀具抗磨損能力明顯優(yōu)于0°前角和+8°～+9°前角的CVD刀具殖演，其原因在于：在采用-8°～-9°前角時，雖然切削時產(chǎn)生較大的切削力且引起排屑不暢年鸳，但刀刃和刀尖耐沖擊性較好趴久；而在0°前角和+8°～+9°前角的情況下，由于刀具刀尖楔角較小搔确，切削刃更易崩碎彼棍，從而使后刀面磨損加劇。

4) 工件材料對刀具磨損的影響

　　采用CVD-1刀具分別對SiCp含量與粒度不同的1#～3#材料進(jìn)行切削加工妥箕，所得刀具后刀面磨損VC值與加工時間t的關(guān)系曲線如圖3所示滥酥。

 
vc=30m/min，ap=0.1mm涮婿，f=0.1mm/r
圖3 加工SiCp含量與粒度不同的材料時的VC-t曲線

　　由圖可以看出棍丽，復(fù)合材料中SiCp的含量與粒度對刀具磨損的影響最大，這與其它一些文獻(xiàn)的結(jié)論是一致的掠佛。復(fù)合材料中SiCp含量越高(或粒度越粗)慈翔，不僅對普通刀具，同時對CVD金剛石薄膜涂層刀具后刀面的研磨和擦傷作用也越強(qiáng)蔽碘。

4 結(jié)論

　　用CVD金剛石薄膜涂層刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料時因镊，切削參數(shù)的選擇與刀具后刀面的磨損程度有密切關(guān)系。切削速度vc越高武慨，切深ap越大晋劫，進(jìn)給量f越小，則刀具后刀面的磨損值就越大行掰。這一點(diǎn)與CVD刀具加工傳統(tǒng)材料時的規(guī)律一致怎机。

　　用CVD金剛石薄膜涂層刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料時，工件材料中SiCp含量越高坪江，顆粒粒度越粗仲闽，工件材料的切削性能就越差，對刀具的磨損就越大僵朗。

　　用CVD金剛石薄膜涂層刀具加工SiCp/Al復(fù)合材料赖欣，當(dāng)采用適當(dāng)大小的負(fù)前角(-8°～-11°)時，刀具的耐磨性好于采用零度前角和正前角的刀具验庙。

本文作者:華南理工大學(xué) 張登友 全燕鳴 吳斌
廣州有色金屬研究院 代民江 宋學(xué)兵

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