1 前言
　　顆粒增強鋁合金復(fù)合材料，其價格低廉，性能優(yōu)良，生產(chǎn)工藝簡單，成為新材料研究的一個重要領(lǐng)域和發(fā)展方向。特別是顆粒增強鑄造鋁合金復(fù)合材料，其性能可用選擇不同的基體合金，改變加入物的數(shù)量、大小和分布來進行調(diào)整。由于硬的碳化硅等顆粒分布在較軟的鋁合金基體中，使復(fù)合材料的切削加工性能同基體合金差別較大。目前用刀具切削仍然是金屬基復(fù)合材料的重要加工方法，研究復(fù)合材料的切削加工性能對保證零件的加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率等有著非常重要的意義。但顆粒增強鑄造鋁合金復(fù)合材料切削加工性能的研究報導(dǎo)很少。影響材料切削加工性能的因素較多，而材料對刀具的磨損速度及工件表面的粗造度是表征其切削加工性能的重要方面。本文用硬質(zhì)合金YG6和高速鋼W18Cr4V為切削刀具，研究了碳化硅顆粒增強ZL201合金復(fù)合材料的切削加工性能，探討了切削加工機理，以便為正確制定顆粒增強鑄造鋁合金復(fù)合材料的切削加工工藝提供依據(jù)。
　　2 試驗方法
　　復(fù)合材料用熔體攪拌法制取，基體合金及復(fù)合材料用金屬模澆鑄成?40mm坯料，基體合金為ZL201，試樣經(jīng)淬火+完全人工時效處理。碳化硅顆粒平均直徑為14μm和80μm，選用四種復(fù)合材料進行試驗：5%SiC-wt(14μm)、10%SiC-wt(14μm)、5%SiC-wt(80μm)、10%SiC-wt(80μm)。
　　切削刀具選用硬質(zhì)合金YG6和高速鋼W18Cr4V車刀。刀具幾何參數(shù)為g=6°，a=8°，Kr=90°，K′r=15°，ls=0°。
　　在C6132普通車床上進行干切削試驗。選用兩組參數(shù)： ① vc＝28m/min，ap=0.4mm，f=0.2mm/r。② vc=72m/min，ap=0.2mm，f=0.1mm/r。用讀數(shù)顯微鏡測量車刀后刀面的磨損值VB，用JSG—1型光切法顯微鏡測量復(fù)合材料己加工表面的粗糙度。
　　3 試驗結(jié)果及討論
　　1、碳化硅顆粒尺寸對切削性能的影響
　　在不同的切削參數(shù)條件下，用硬質(zhì)合金和高速鋼刀具切削復(fù)合材料和基體合金。試驗材料對刀具后刀面的磨損曲線如圖1、圖2所示?？梢姛o論是高速鋼還是硬質(zhì)合金刀具，在相同切削參數(shù)下，復(fù)合材料對其后刀面的磨損量均比基體合金大。為了比較不同復(fù)合材料對刀具后刀面的磨損速度，把圖中曲線進行一元線性回歸處理，其回歸方程的斜率即為該曲線對應(yīng)復(fù)合材料對刀具的磨損速度(mm/min)。
　　
　　比較各圖曲線1、3和2、4的回歸方程斜率可知，碳化硅顆粒尺寸越大，復(fù)合材料對刀具后刀面的磨損速度也越快。特別是高速鋼切削10%SiC(80μm)復(fù)合材料時，刀具磨損很快，切削不到3分鐘，磨損量就超過0.2mm(圖1)。說明高速鋼切削粗顆粒碳化硅增強鋁合金復(fù)合材料是不合適的。切削細碳化硅顆粒復(fù)合材料時，其對刀具的磨損速度遠小于切削粗顆粒復(fù)合材料。特別是對5%SiC(14μm)復(fù)合材料，高速鋼和硬質(zhì)合金刀具均可對其連續(xù)切削較長時間，而且允許比較高的切削速度。比較圖1和圖2相同切削參數(shù)下的同號曲線可知，復(fù)合材料對高速鋼刀具的磨損速度大于硬質(zhì)合金刀具。說明切削碳化硅顆粒增強ZL201合金復(fù)合材料時，硬質(zhì)合金刀具的耐磨性要比高速鋼優(yōu)良。這是因為碳化硅顆粒具有很高的硬度(HV2800)，顆粒在基體合金中的分布是無方向性、呈不連續(xù)分布。因此顆粒增強鑄造鋁合金復(fù)合材料具有各向同性。當(dāng)碳化硅顆粒粗大時，切削過程中易受刀刃的擠壓、撞擊而轉(zhuǎn)動、破碎、甚至脫落。這就加強了硬的碳化硅顆粒對刀具的磨損及刮劃作用，增大了刀具后刀面的磨損速度。而碳化硅顆粒越細小，其在基體ZL201中的分布越彌散，切削時顆粒容易在切削變形區(qū)隨基體變形，也可以在切削力作用下將細的碳化硅顆粒壓進切屑中或已加工的工件表面，使刀具切削時，直接接觸碳化硅的幾率減小，從而減小對刀具的磨損速度，使常用的高速鋼W18Cr4V和硬質(zhì)合金YG6刀具也能較長時間切削細碳化硅顆粒增強ZL201基復(fù)合材料。硬質(zhì)合金比高速鋼有更高的硬度和耐磨性，在相同切削條件下，硬質(zhì)合金比高速鋼磨損速度小。
　　2、碳化硅顆粒含量對切削性能的影響
　　比較圖1、圖2中各曲線1、2和3、4可知，無論是14μm的碳化硅還是80μm的碳化硅，其復(fù)合材料中顆粒量越大，高速鋼和硬質(zhì)合金刀具的磨損速度就越快。根據(jù)圖1a和圖2b，10%SiC(80μm)復(fù)合材料對高速鋼的磨損速度是5%SiC(80μm)復(fù)合材料的1.8倍；10%SiC(14μm)復(fù)合材料對硬質(zhì)合金刀具的磨損速度是5%SiC(14μm)復(fù)合材料的1.4倍。試驗中切削80μm碳化硅顆粒復(fù)合材料時，硬質(zhì)合金刀具前刀面上有細粉生成，碳化硅含量越大，形成的細粉狀物越多。這說明在切削復(fù)合材料時，部分碳化硅粗顆粒被刀具擠壓、破碎而飛濺到刀具前刀面上，形成細粉塵粒。部分細粉也可能是硬質(zhì)合金中的硬粒被復(fù)合材料中的碳化硅擠脫而生成的，碳化硅顆粒含量越大，對刀具的磨損就越嚴(yán)重。而切削細顆粒碳化硅復(fù)合材料時，很少見到細粉出現(xiàn)。根據(jù)顆粒增強金屬基復(fù)合材料的強化機制，對細顆粒增強復(fù)合材料，碳化硅顆粒含量越大，復(fù)合材料的硬度及耐磨性越好，對刀具的磨損速度也就越快。
　　3、復(fù)合材料已加工表面的粗糙度
　　比較圖1和圖2中同號曲線可知，同一種復(fù)合材料，切削加工參數(shù)②條件下對刀具的磨損速度比參數(shù)①條件下快，碳化硅顆粒尺寸越大，這種差別越大。這是由于切削速度不同所致，切削參數(shù)②的切削速度大，碳化硅硬顆粒對刀具的撞擊、磨損機會越多，刀具的磨損速度也就越快。
　　觀察復(fù)合材料切屑表明，碳化硅顆粒尺寸對復(fù)合材料的切屑形狀也有影響。顆粒尺寸越大，切屑越短，底面越不連續(xù)，橫裂紋越多，橫向變形越明顯，切屑外觀越粗糙。碳化硅顆粒越細小，切削連續(xù)性越好，切屑底面越平整，橫裂紋越少。兩種參數(shù)條件下復(fù)合材料已加工表面的粗糙度Ra值如圖3所示。由圖可知，碳化硅顆粒尺寸越大，復(fù)合材料的表面粗糙度越大。對碳化硅粒徑為80μm的復(fù)合材料，粗糙度隨碳化硅顆粒含量的增大而增大；而碳化硅粒徑為14μm復(fù)合材料，粗糙度隨碳化硅顆粒含量增大而減小。這是因為在切削過程中，復(fù)合材料中的粗碳化硅顆粒受刀具的擠壓容易破碎和脫落，增大了切削過程中的機械摩擦，使已加工復(fù)合材料表面粗糙度增大。而復(fù)合材料中細碳化硅顆粒易被壓入切屑和已加工工件表面，且復(fù)合材料的硬度隨碳化硅含量增加而增大，使細碳化硅顆粒的復(fù)合材料粗糙度隨顆粒含量的增加而減小。
　　
　　4 結(jié)論
　　1、高速鋼或硬質(zhì)合金刀具可對細碳化硅顆粒的ZL201合金復(fù)合材料進行連續(xù)較長時間切削，而不宜切削加工粗碳化硅顆粒的ZL201合金復(fù)合材料。
　　2、碳化硅顆粒含量越大，復(fù)合材料對高速鋼和硬質(zhì)合金刀具的磨損越快。在相同條件下，復(fù)合材料對高速鋼刀具的磨損速度大于硬質(zhì)合金刀具的磨損速度。
　　3、碳化硅顆粒尺寸越大，復(fù)合材料加工表面的粗糙度越大，且隨顆粒含量的增加而增大；碳化硅顆粒細小，復(fù)合材料加工表面粗糙度小，且隨顆粒含量增加而減小。
　　4、碳化硅顆粒增強ZL201合金復(fù)合材料對高速鋼和硬質(zhì)合金刀具的主要磨損為磨粒磨損。