CN112756673B - 一种TiB₂/7050Al铝基复合材料铣削加工方法 - Google Patents

一种TiB₂/7050Al铝基复合材料铣削加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法，属于难加工材料铣削加工技术领域；首先通过线切割TiB2/7050Al铝基复合材料得到加工样件；然后采用刀尖圆弧半径r＝0.2mm，并做过钝化处理的PCD平底铣刀对样件进行铣削加工，采用不添加冷却液的干式铣削，铣削方式为顺铣，同时将铣削工艺参数进行设定；最后通过全自动刀具扫描仪测量铣刀后刀面磨损量；直到铣刀4个齿中有一个齿侧刃的后刀面磨损量VB达到0.3mm或刀具出现崩刃现象时，停止该铣刀的加工。采用本发明的加工方法，在难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工中刀具寿命在50min～70min，是硬质合金刀具寿命的4～6倍，刀具寿命得到明显提高；并且TiB2/7050Al铝基复合材料铣削表面粗糙度较小而加工残余压应力较大，加工表面质量得到提高。

Description

一种TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法
技术领域
本发明属于难加工材料铣削加工技术领域，具体涉及一种TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法。
背景技术
TiB2/7050Al铝基复合材料是一种近年来研究和发展的新型原位自生颗粒增强铝基复合材料，与纤维增强及外加型颗粒增强铝基复合材料相比，TiB2/7050Al铝基复合材料的增强颗粒通过化学反应在铝基体材料内部直接原位生成，其增强相更加细小(亚微米甚至纳米级尺寸)，增强颗粒外形更圆整、尖角少，增强相与基体结合界面更干净、界面相容性更好，这使得增强颗粒分布更加均匀，易于材料的塑性变形和机械加工。同时，TiB2/7050Al铝基复合材料密度低、比强度高、比模量高、耐磨损，在航空航天、汽车制造、交通运输等行业领域表现出了极具吸引力的应用前景，是当前颗粒增强铝基复合材料的研究热点之一。
然而，由于TiB2/7050Al铝基复合材料中硬质TiB2增强颗粒的存在，使其在机械加工中存在刀具磨损严重、加工表面质量不高等问题，属于典型的难加工材料。Yifeng Xiong等研究人员在International Journal of Advanced Manufacturing Technology，86(2016)3517-3526发表的论文“Tool wear mechanisms for milling in situTiB2particle-reinforced Al matrix composites”，采用硬质合金平底铣刀对TiB2/7050Al铝基复合材料进行铣削加工并研究刀具磨损，发现硬质合金铣刀磨损十分严重，刀具加工15min左右即已磨钝，刀具寿命短。汪文虎、刘晓芬等研究人员公开的专利“原位自生型TiB2颗粒增强铝基复合材料超声振动辅助加工方法，CN10948298B，中国”，采用超声振动辅助加工技术对原位自生型TiB2颗粒增强铝基复合材料进行铣削，可以提高刀具的使用寿命；然而，超声振动辅助加工需要特定的硬件设备及技术来支撑，这在一定程度上限制了该方法在企业工厂中的使用和推广。此外，Yifeng Xiong等研究人员在InternationalJournal of Refractory Metals and Hard Materials，54(2016)407-416发表的论文“Surface integrity of milling in-situ TiB2 particle reinforced Al matrixcomposites”，采用硬质合金平底铣刀对TiB2/7050Al铝基复合材料进行铣削加工并研究加工表面完整性，发现加工表面粗糙度普遍偏高，且加工表面残余压应力值不大，甚至出现残余拉应力，TiB2/7050Al铝基复合材料的加工表面质量不高。在上述专利对TiB2/7050Al铝基复合材料进行铣削加工时，存在硬件设备、技术门槛等限制问题，限制了新型TiB2/7050Al铝基复合材料在工业上的快速推广和工程化应用。而在以上两篇文章中对TiB2/7050Al铝基复合材料进行铣削加工时，则存在刀具磨损严重、加工表面质量不高的问题。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法，能够在不具备超声振动辅助加工条件的环境中进行TiB2/7050Al铝基复合材料的铣削加工，并降低刀具的磨损；同时，为了获得TiB2/7050Al铝基复合材料加工表面较小的表面粗糙度和较大的加工残余压应力，本发明提出难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法来实现TiB2/7050Al铝基复合材料在普通机械加工条件下减小刀具磨损、提高加工表面质量的目的。
聚晶金刚石(PCD)刀具具有极高的硬度和耐磨性、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、低热膨胀系数，刀具寿命为硬质合金刀具的10～500倍，主要用于加工各种有色金属、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑材料、陶瓷、金属基复合材料等难加工材料；然而，切削加工时的主要切削参数如切削速度、进给速度和切削深度等需要根据工件材料及硬度进行优化选择。PCD刀具的成功国产化制造使得该刀具的成本大幅降低，因此，采用国产PCD刀具进行难加工TiB2/7050Al铝基复合材料的铣削加工，可以在不具备超声振动辅助加工条件下降低刀具磨损、延长刀具寿命、实现TiB2/7050Al铝基复合材料的普通机械加工；同时，合理选择切削参数能够获得较小的表面粗糙度和较大的加工表面残余压应力。此外，由于金刚石涂层硬且脆，铣削加工这类间断加工方式会对刀具产生周期性冲击，需要对刀尖部位进行优化处理。
本发明的技术方案是：一种TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：对难加工TiB2/7050Al铝基复合材料进行线切割，得到所需尺寸的加工样件，再将样件表面磨削、抛光处理后装夹在四轴数控铣床上；
步骤二：选择国产PCD平底铣刀进行TiB2/7050Al铝基复合材料的铣削加工；所述铣刀的刀尖圆弧半径r＝0.2mm，并做钝化处理；
步骤三：对装夹好的TiB2/7050Al铝基复合材料样件进行铣削加工；铣削工艺参数设定：铣削速度为50～200m/min，每齿进给量为0.01～0.1mm/z，切削深度为0.4～1.6mm，切削宽度为4～10mm；
步骤四：加工过程中，采用全自动刀具扫描仪测量铣刀的4个齿侧刃在每间隔相同时间的后刀面磨损量；
步骤五：所述步骤四中测量结果显示，PCD平底铣刀4个齿中有一个齿侧刃的后刀面磨损量VB达到0.3mm或刀具出现崩刃现象时，停止该铣刀的加工，并记录该铣刀的铣削加工时间；
步骤六：将TiB2/7050Al铝基复合材料样件已加工表面采用酒精棉球进行擦拭，并在X射线衍射仪上测量样件已加工表面残余应力值；
步骤七：在残余应力测量完成之后，采用探针接触式表面轮廓仪测量样件已加工表面粗糙度值。
本发明的进一步技术方案是：所述铣刀的基体为硬质合金材质，刀具涂层为PCD涂层。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中铣刀的几何参数为：刀具直径D＝12mm，刀具齿数z＝4，刀具总长l＝83mm，切削刃长l0＝26mm，螺旋角β＝40°，侧刃前角γ＝21°，侧刃后角α＝14°，底刃前角δ＝21°，底刃后角λ＝14°，底刃倾角η＝4°。
本发明的进一步技术方案是：在TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工过程中，采用不添加冷却液的干式铣削，铣削方式为顺铣。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤四中，PCD平底铣刀每加工10min后，将刀具取下在IFM G4全自动刀具扫描仪上测量刀具4个齿侧刃的后刀面磨损量，每个齿测量3次取平均值。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明的难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法，选用国产PCD平底铣刀，将刀尖圆弧半径制作为0.2mm并做钝化处理，可以有效避免硬脆性PCD铣刀铣削过程中的刀具刀尖崩刃现象，提高刀具寿命；同时，通过选择合理的铣削加工参数(铣削速度为50～200m/min，每齿进给量为0.01～0.1mm/z，切削深度为0.4～1.6mm，切削宽度为4～10mm)，在难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工中能够获得较小的表面粗糙度Ra＝0.21μm和较大的加工表面残余压应力σ＝175MPa。
采用本发明的加工方法，在难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工中刀具寿命在50min～70min，是硬质合金刀具寿命的4～6倍，刀具寿命得到明显提高；并且TiB2/7050Al铝基复合材料铣削表面粗糙度较小而加工残余压应力较大，加工表面质量得到提高。
附图说明
图1为本发明对比实施例一刀尖崩刃示意图。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例提出的难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法适用于原位自生型TiB2颗粒增强铝基复合材料，本实施例中仅以TiB2/7050Al复合材料进行说明。
本实施例的难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法，包括以下主要技术措施：
步骤一：准备加工样件。将难加工TiB2/7050Al铝基复合材料线切割成80mm×40mm×20mm的块状，并在磨床上将其表面进行磨削抛光，得到难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削样件，最后把该样件装夹在YH-VY850Z四轴数控铣床上。
步骤二：选择加工刀具。选择国产PCD平底铣刀进行难加工TiB2/7050Al铝基复合材料的铣削加工，并装在YH-VY850Z四轴数控铣床上。选择的铣刀几何参数为：刀具基体为硬质合金材质，刀具涂层为PCD涂层，刀具直径D＝12mm，刀具齿数z＝4，刀具总长l＝83mm，切削刃长l0＝26mm，螺旋角β＝40°，侧刃前角γ＝21°，侧刃后角α＝14°，底刃前角δ＝21°，底刃后角λ＝14°，刀尖圆弧半径r＝0.2mm并做钝化处理，底刃倾角η＝4°。
步骤三：选择冷却液。在难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工过程中，采用不添加冷却液的干式铣削。
步骤四：选择铣削加工方式。在难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工过程中，采用的铣削方式为顺铣。
步骤五：铣削加工。难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工参数：铣削速度为50～200m/min，每齿进给量为0.01～0.1mm/z，切削深度为0.4～1.6mm，切削宽度为4～10mm。在这些工艺参数范围内，进行难加工TiB2/7050Al铝基复合材料4因素4水平的单因素铣削试验和正交铣削试验。通过对单因素试验及正交试验结果的分析，本实施例中难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削参数为：铣削速度为70m/min，每齿进给量为0.02mm/z，切削深度为0.5mm，切削宽度为4mm。
步骤六：刀具磨损测量。PCD平底铣刀每加工10min后，将刀具取下在IFM G4全自动刀具扫描仪上测量刀具4个齿侧刃的后刀面磨损量，每个齿测量3次取平均值。
步骤七：判断刀具失效。PCD平底铣刀4个齿中有一个齿后刀面磨损量VB达到0.3mm时或出现崩刃等现象时刀具失效，不再使用该刀具加工。
步骤八：样件加工表面残余应力测量。将样件已加工表面采用酒精棉球擦拭干净，然后放在X衍射仪Proto LXRD MG2000上测量其表面残余压应力，在加工表面选择3个测量点进行测量，然后计算其平均值。
步骤九：样件加工表面粗糙度测量。在样件加工表面残余应力测量完成之后，在探针接触式表面轮廓仪MarSurf XT20上测量样件已加工表面粗糙度值，在加工表面选择3个测量点进行测量，然后计算其平均值。
本实施例中难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削时PCD刀具的寿命在50min～70min，刀具寿命是硬质合金刀具的4～6倍。本实施例中难加工TiB2/7050Al复合材料铣削加工表面粗糙度值为Ra＝0.21μm，样件加工表面残余压应力为σ＝175MPa，实现了获得较小加工表面粗糙度和较大加工表面残余压应力的目标。
对比实施例一：技术措施同上述实施例，仅在“步骤二：选择加工刀具”中，不做“刀尖圆弧半径r＝0.2mm并做钝化处理”操作。加工中发现铣刀刀尖崩刃，铣削加工难以进行，刀具磨损报废，如图1所示。
对比实施例二：技术措施同上述实施例，仅在“步骤五：铣削加工”中，设置不同的铣削参数做对比。具体措施如下：
步骤五：铣削加工。难加工TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工参数：铣削速度为50～200m/min，每齿进给量为0.01～0.1mm/z，切削深度为0.4～1.6mm，切削宽度为4～10mm。在这些工艺参数范围内，进行难加工TiB2/7050Al铝基复合材料4因素4水平的单因素铣削试验和正交铣削试验。通过对单因素试验及正交试验结果的分析，本对比实施例二中的铣削参数区别于上述实施例的铣削参数，具体为：铣削速度为200m/min，每齿进给量为0.07mm/z，切削深度为0.4mm，切削宽度为8mm。
加工后对对比实施例二的表面粗糙度及残余应力进行检测，结果为：表面粗糙度值为Ra＝0.71μm(实施例表面粗糙度值为Ra＝0.21μm)，表面残余压应力为σ＝94MPa(实施例表面残余压应力为σ＝175MPa)。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：对难加工TiB2/7050Al铝基复合材料进行线切割，得到所需尺寸的加工样件，再将样件表面磨削、抛光处理后装夹在四轴数控铣床上；
步骤二：选择国产PCD平底铣刀进行TiB2/7050Al铝基复合材料的铣削加工；所述铣刀的刀尖圆弧半径r＝0.2mm，并做钝化处理；
步骤三：对装夹好的TiB2/7050Al铝基复合材料样件进行铣削加工；铣削工艺参数设定：铣削速度为50～200m/min，每齿进给量为0.01～0.1mm/z，切削深度为0.4～1.6mm，切削宽度为4～10mm；
步骤四：加工过程中，采用全自动刀具扫描仪测量铣刀的4个齿侧刃在每间隔相同时间的后刀面磨损量；
步骤五：所述步骤四中测量结果显示，PCD平底铣刀4个齿中有一个齿侧刃的后刀面磨损量VB达到0.3mm或刀具出现崩刃现象时，停止该铣刀的加工，并记录该铣刀的铣削加工时间；
步骤六：将TiB2/7050Al铝基复合材料样件已加工表面采用酒精棉球进行擦拭，并在X射线衍射仪上测量样件已加工表面残余应力值；
步骤七：在残余应力测量完成之后，采用探针接触式表面轮廓仪测量样件已加工表面粗糙度值；
所述铣刀的基体为硬质合金材质，刀具涂层为PCD涂层；
所述步骤二中铣刀的几何参数为：刀具直径D＝12mm，刀具齿数z＝4，刀具总长l＝83mm，切削刃长l0＝26mm，螺旋角β＝40°，侧刃前角γ＝21°，侧刃后角α＝14°，底刃前角δ＝21°，底刃后角λ＝14°，底刃倾角η＝4°。
2.根据权利要求1所述TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法，其特征在于：在TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工过程中，采用不添加冷却液的干式铣削，铣削方式为顺铣。
3.根据权利要求1所述TiB2/7050Al铝基复合材料铣削加工方法，其特征在于：所述步骤四中，PCD平底铣刀每加工10min后，将刀具取下在IFM G4全自动刀具扫描仪上测量刀具4个齿侧刃的后刀面磨损量，每个齿测量3次取平均值。
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