SCD及PCD刀具超精密车削SiCp/2024Al复合材料适应性对比研究 (2009年)

选择天然单晶金刚石(SCD)和聚晶金刚石(PCD)刀具，对SiCpp/Al复合材料超精密车削时的刀具磨损、加工表面质量和切屑形态进行了对比试验研究。结果表明：刀具交替切削硬脆SiC颗粒和塑性铝合金基体而承受的交变应力，以及SiC增强颗粒对切削刃高频率的冲击作用是促使 SCD刀具发生崩刃和剥落的主要原因，而增强颗粒的磨粒磨损与铝合金基体中铜元素催化作用的共同作用则是SCD刀具后刀面发生严重化学磨损的内在机制。积屑瘤不断生长和脱落致使PCD刀具产生粘结磨损。虽然PCD和SCD刀具可获得相同或相近的Ra，但前者 ### SCD及PCD刀具超精密车削SiCp/2024Al复合材料适应性对比研究 #### 摘要与背景 本文针对SiC颗粒增强铝基复合材料（SiCp/Al）的超精密车削加工过程中的刀具磨损、加工表面质量和切屑形态进行了详细的对比研究。选用的刀具为天然单晶金刚石（Single Crystal Diamond, SCD）和聚晶金刚石（Polycrystalline Diamond, PCD）。这两种材料因其卓越的硬度和耐磨性，在超精密加工领域被广泛使用。研究发现，两种刀具在加工过程中表现出了不同的特性。 #### SCD刀具特性分析 **刀具磨损原因：** - **交变应力**：由于SiC颗粒和铝基体之间的硬度差异极大，刀具在交替切削这两种材料时会承受显著的交变应力。这种交变应力会导致SCD刀具边缘出现崩刃和剥落现象。 - **高频率冲击**：SiC颗粒对刀具切削刃的频繁冲击也是导致SCD刀具损坏的重要因素之一。 **化学磨损机制：** - **磨粒磨损**：SiC颗粒作为硬质磨料，会在切削过程中对SCD刀具后刀面造成磨损。 - **铜元素催化作用**：铝合金基体中的铜元素能够催化SCD刀具后刀面发生严重的化学磨损，即石墨化。 #### PCD刀具特性分析 **刀具磨损原因：** - 积屑瘤（Build-Up Edge, BUE）的不断生长和脱落是导致PCD刀具出现粘结磨损的主要原因。 **加工表面质量比较：** - 尽管SCD和PCD刀具都能够达到相似的表面粗糙度Ra值，但是使用PCD刀具加工得到的表面包含更多的微坑洞和划痕等缺陷。 - 相比之下，PCD刀具加工产生的切屑更为细碎。 #### 切削条件下的性能稳定性 - 在实验所采用的切削条件下，当切削距离小于7公里时，PCD刀具表现出较为稳定且有利的切削性能。 #### 结论 通过对SCD和PCD刀具在超精密车削SiCp/2024Al复合材料过程中的性能进行对比分析可以得出以下结论： - SCD刀具在加工过程中主要受到交变应力和高频率冲击的影响，导致刀具边缘出现崩刃和剥落；而后刀面则因SiC颗粒的磨粒磨损与铝合金基体中铜元素的催化作用而发生化学磨损。 - PCD刀具的主要磨损机制是由于积屑瘤的生长和脱落导致的粘结磨损。 - 在表面质量方面，虽然两种刀具均能获得接近的表面粗糙度值，但PCD刀具加工表面包含更多微坑洞和划痕。 - 在特定的切削条件下（切削路程小于7km），PCD刀具表现出了更为稳定的切削性能。 本研究不仅揭示了SCD和PCD刀具在超精密车削SiCp/2024Al复合材料过程中的特性和局限性，也为选择合适的刀具材料提供了重要的参考依据。对于提高加工效率、延长刀具使用寿命以及改善加工表面质量具有重要意义。