黃樹濤，焦可如， 許立福

(1沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159；2沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院 ,遼寧 沈陽 110159)*

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SiCp/Al復(fù)合材料加工技術(shù)綜述

黃樹濤1，2，焦可如1， 許立福1

(1沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159；2沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院 ,遼寧 沈陽 110159)*

SiCp/Al復(fù)合材料以其優(yōu)異的物理力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于眾多高科技領(lǐng)域，但實(shí)現(xiàn)其高效精密加工的困難性嚴(yán)重制約了SiCp/Al復(fù)合材料的推廣應(yīng)用.目前SiCp/Al復(fù)合材料的高效精密加工技術(shù)已成為一項(xiàng)重要的研究課題.在綜合分析國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對SiCp/Al復(fù)合材料的切削加工、磨削加工、特種加工以及具有較好發(fā)展前景的復(fù)合加工等主要加工技術(shù)的特點(diǎn)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析論述，以期為SiCp/Al復(fù)合材料加工技術(shù)的研究提供參考.

SiCp/Al復(fù)合材料；加工技術(shù)；特種加工；磨削加工；復(fù)合加工；切削加工

0 引言

SiCp/Al復(fù)合材料是以鋁合金為基體，SiC顆粒為增強(qiáng)相的一種金屬基復(fù)合材料，它具有比強(qiáng)度、剛度和比模量高、耐高溫、耐磨損、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、先進(jìn)武器制造、汽車、光學(xué)精密儀器、電子等高科技領(lǐng)域[1-5].SiCp/Al復(fù)合材料中的增強(qiáng)相SiC顆粒具有高模量、高強(qiáng)度、高硬度(2 800 HV)和良好的耐高溫性能，彌散地分布在鋁基體中.SiC顆粒的強(qiáng)化作用使復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度提高，但卻造成增強(qiáng)顆粒周圍應(yīng)力分布狀態(tài)很不均勻，而且SiC顆粒幾乎不發(fā)生塑性變形，因此在切削加工過程中基體材料發(fā)生塑性變形而SiC顆粒只發(fā)生彈性變形、脆性破壞或脫落[6-7].正是由于這些基體材料和增強(qiáng)相材料的截然相反的力學(xué)特性，使得其后續(xù)加工困難，加工機(jī)理也更為復(fù)雜[8-9].這些瓶頸問題嚴(yán)重制約了SiCp/Al復(fù)合材料的應(yīng)用，因此，中外學(xué)者在SiCp/Al復(fù)合材料的加工方面開展了大量的研究工作.

目前研究所涉及的SiCp/Al復(fù)合材料的加工方法主要有切削加工、磨削加工和特種加工和復(fù)合加工等.其中特種加工方法主要包括電火花加工、激光加工、超聲波振動加工和磨料水射流加工等幾種形式.復(fù)合加工主要有超聲振動切削加工、超聲振動輔助磨削加工、在線電解磨削加工和電化學(xué)輔助磨削加工等方法.目前對SiCp/Al復(fù)合材料切削(車、銑、刨、鉆等)加工的研究相對較多，如切削力、切削溫度，表面形成及表面質(zhì)量、切屑形成機(jī)制、刀具磨損等方面進(jìn)行了大量的研究[10-15]，而在磨削加工、特種加工和復(fù)合加工方面的研究相對較少.本文對SiCp/Al復(fù)合材料特種加工、磨削加工、切削加工及幾種技術(shù)綜合在一起的復(fù)合加工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述.介紹了各種加工方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及國內(nèi)外研究進(jìn)展情況，為SiCp/Al復(fù)合材料的加工技術(shù)研究提供參考.

1 SiCp/Al復(fù)合材料的特種加工

1.1 電火花加工

電火花加工(Eletrical Discharge Machining)是在一種電介質(zhì)中電極和工件之間所發(fā)生的，通過精確控制電火花的放電來加工導(dǎo)電材料的加工方法，其加工原理如圖1所示.

圖1 EDM加工原理圖[16]

與普通金屬材料的電火花加工不同，Hung[17]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料中不導(dǎo)電的SiC顆粒對鋁基體有“屏蔽”作用，這種“屏蔽”作用降低了材料的去除率，并且隨著SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大這種“屏蔽”作用加強(qiáng).因此，對于高體分的SiCp/Al復(fù)合材料，采用電火花加工效率極低.另外，由于SiC顆粒的存在，使得放電沒有規(guī)律性，熔化的鋁附在脫落的增強(qiáng)顆粒上，會在電極間形成通路，引起電弧異常，這樣使加工表面粗糙度提高[18].Mohan[19]等用黃銅旋轉(zhuǎn)管電極對SiC/6025Al進(jìn)行放電加工，對電火花加工復(fù)合材料的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，研究了SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)對材料去除率、電極損耗率的影響；Dhar[20]等進(jìn)一步建立了一種優(yōu)化SiCp/Al復(fù)合材料的材料去除率和電極損耗率及表面粗糙度的電火花加工特性的數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了放電電流、脈沖寬度及SiCp/Al材料中SiC顆粒的含量，其結(jié)論與Mohan研究結(jié)果一致，即SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)越大，電極損耗率就越大，材料去除率越小.

國內(nèi)的一些學(xué)者在SiCp/Al復(fù)合材料電火花加工方面，主要研究了加工時峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔等工藝參數(shù)對加工效率、表面粗糙度的影響，得到電火花加工SiCp/Al復(fù)合材料合理的工藝參數(shù).哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王棟[21]利用混粉電火花加工方法研究了各電加工參數(shù)、鋁粉粉末對加工效果的影響，形成了一整套的工藝方案；沈陽理工大學(xué)的周家林[22]研究了上述各電參數(shù)對加工速度和電極損耗的影響，得出體積分?jǐn)?shù)為56%的SiCp/Al復(fù)合材料電火花加工的合理的電加工參數(shù).

采用EDM方法加工SiCp/Al復(fù)合材料加工的突出問題是電極損耗嚴(yán)重，表面質(zhì)量差.為解決這一問題，Yan等[23]使用帶有通孔的旋轉(zhuǎn)電極代替普通電極，并在電極上安裝ZrO2磨光球，即采用鋼球拋光電火花加工后的SiCp/Al復(fù)合材料，使得加工表面粗糙度有了很大改善，稱這種方法為B-EDM方法，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 B-EDM加工原理圖[23]

采用該裝置加工SiCp/Al復(fù)合材料，比單純采用EDM方法進(jìn)行加工，表面粗糙度情況有了很大改善，但仍滿足不了該材料精密加工的要求.圖3為采用EDM和B-EDM方法加工的材料表面，顯然，B-EDM方法的表面質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于EDM方法的表面.

圖3 EDM和B-EDM方法加工表面對比[23]

目前電火花加工多用于加工SiCp/Al復(fù)合材料的微細(xì)陣列孔、盲孔、復(fù)雜型腔、槽及該材料的切割加工，但加工中存在的電極迅速磨損，表面質(zhì)量差等問題限制了它的推廣應(yīng)用.Kandpal[16]SiCp/Al復(fù)合材料的電火花加工研究現(xiàn)狀作以綜述，認(rèn)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰度關(guān)聯(lián)和遺傳算法等可用于優(yōu)化其加工參數(shù)，且電火花加工技術(shù)與表面磨削、磨料水射流和電化學(xué)加工方法相結(jié)合能夠更好地用于SiCp/Al復(fù)合材料的加工.

1.2 激光加工

目前，對SiCp/Al復(fù)合材料的激光加工技術(shù)的研究主要集中在孔、型腔加工、材料切割及焊接加工[24]等方面，激光加工SiCp/Al復(fù)合材料的研究相對較少.Müller[18]對激光加工和電火花加工的特性進(jìn)行了對比，認(rèn)為激光加工比電火花加工方法具有更高的金屬去除率，并且激光加工時加工材料承受更大的熱負(fù)荷，切口寬度和表面粗糙度的大小是激光加工最重要的質(zhì)量標(biāo)識之一.而使用激光加工SiCp/Al復(fù)合材料的表面存在典型的條紋，如圖4所示.通過改變進(jìn)給率能夠改善被加工材料的表面粗糙度，減小進(jìn)給速率能使加工表面變得更為光滑.采用較大的激光功率和較低的進(jìn)給速率，能夠引起被加工材料側(cè)面燒蝕，使切口寬度變大[25].

(工件材料: AA2618/SiC/20p; PRC CO2 Laser; PL=1.6 kW; v=600 mm/min; Ra=6.6 μm)圖4 激光切割表面的條紋模型[25]

激光加工主要用于SiCp/Al復(fù)合材料的切割加工，雖然能得到非常小的切縫寬度和近乎于平行的切縫側(cè)面，且加工效率高于電火花加工，但熱損傷較大[25]，因此其應(yīng)用具有較大局限性.

1.3 超聲振動加工

超聲加工(Ultra Sound Machining)是由超聲發(fā)生器產(chǎn)生高頻電振蕩，由超聲換能器將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成超過聲頻振動，并通過變幅桿將振動的振幅放大， 驅(qū)動以一定的靜壓力壓在工件表面的刀具產(chǎn)生相應(yīng)頻率的振動，刀具端部的磨料不斷捶擊工件，使加工區(qū)工件材料被粉碎成很細(xì)的微粒，被循環(huán)的磨料懸浮液帶走，從而加工出工件上和工具相對應(yīng)的形狀，其加工原理如圖5所示.

圖5 超聲加工原理[26]

與電火花加工不同，超聲加工不受被加工材料是否導(dǎo)電的限制，這種加工方法常與其他加工方法相結(jié)合來加工SiCp/Al復(fù)合材料.如超聲振動切削、超聲電火花加工[27]和超聲電解加工等等.

江希龍[28]等研制了超聲振動切削加工設(shè)備，即將超聲振動系統(tǒng)(如圖6)安裝在機(jī)床主軸上進(jìn)行SiCp/Al復(fù)合材料切削加工，研究了體積分?jǐn)?shù)為55%的SiCp/Al復(fù)合材料在普通切削和超聲振動切削條件下，切削力和已加工表面質(zhì)量的變化情況及兩種切削條件下材料的去除機(jī)理和加工表面形貌的差異，認(rèn)為超聲振動切削具有切削力小，加工表面質(zhì)量好，刀具磨損小等優(yōu)點(diǎn).

圖6 超聲振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[28]

徐可偉等[29]使用超聲振動方法切削SiCp/Al復(fù)合材料，從切屑形態(tài)、切屑變形系數(shù)、剪切角、表面微觀形貌、表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力幾方面與普通切削進(jìn)行比較分析，得出超聲振動切削SiCp/Al復(fù)合材料具有切屑變形小，表面粗糙度低等特點(diǎn)，加工過程更為穩(wěn)定，是適于SiCp/Al復(fù)合材料精密切削的一種加工方法.

焦峰等[30]使用PCD刀具車削SiCp/Al復(fù)合材料，對超聲振動車削和普通車削條件下的切削力進(jìn)行對比，并通過正交實(shí)驗(yàn)得到了超聲振動切削條件下主切削力的公式.在進(jìn)給量f=0.08mm/r，ap=0.3 mm保持不變，改變機(jī)床轉(zhuǎn)速的條件下，比較了超聲振動和普通切削切削力的大小，得出結(jié)論：在較小的進(jìn)給量下，超聲振動切削的主切削力遠(yuǎn)小于普通車削.

綜上所述，與普通切削相比，超聲振動加工能夠降低切削力改善切削狀況，加工表面粗糙度更低，減少表面損傷和切屑變形，PCD超聲振動銑削SiCp/Al復(fù)合材料的銑削力低于普通銑削[31]，是實(shí)現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料精密加工的最有前途的方法之一，有望用于SiCp/Al復(fù)合材料薄壁件的加工.

1.4 磨料水射流加工

磨料水射流的切割原理就是利用幾十至幾百兆帕的磨料(碳化硅、金剛砂、石英砂等)水通過特殊設(shè)計的孔徑極小的噴嘴，圖7為噴嘴結(jié)構(gòu)組件示意圖.通過每秒幾百米高速噴出的磨料水射流的沖擊、剪切及浸蝕作用進(jìn)行切割的.

圖7 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖[25]

與其它特種加工技術(shù)相比較，磨料水射流具有很多優(yōu)點(diǎn)，加工過程中不產(chǎn)生高溫，因此不象電火花和激光加工那樣被加工材料上會產(chǎn)生熱影響帶，同時高的進(jìn)給速率使磨料水射流成為一種有效率的加工方法.Müller[25]等研究了體積分?jǐn)?shù)為20%的SiCp/Al復(fù)合材料的水射流加工的表面質(zhì)量情況，采用300 MPa的水壓，比較不同進(jìn)給速度參數(shù)加工表面粗糙度大小.結(jié)果表明，隨著進(jìn)給速度的增加，材料的切口寬度減小，表面粗糙度增大.圖8為一定參數(shù)下磨料水射流切削表面形貌.

(水壓=300 MPa; v=450 mm/min; 工件材料: AA2618/SiC/20p)圖8 磨料水射流切削表面形貌[25]

磨料水射流加工工件時，是通過數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)精確地驅(qū)動切割槍運(yùn)動，這使得加工尺寸誤差小，切縫僅1 mm左右，因此該方法具有效率高，加工表面質(zhì)量好，材料利用率高，通用性好，無熱影響區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，但目前使用磨料水射流方法來加工SiCp/Al復(fù)合材料的研究較少，有待于進(jìn)一步開展此方面的研究.

2 SiCp/Al復(fù)合材料的磨削加工

SiCp/Al復(fù)合材料已經(jīng)成為高科技領(lǐng)域最有前途獲得廣泛應(yīng)用的材料之一，這必將對其加工精度和表面質(zhì)量提出更高的要求，而磨削加工是機(jī)械領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)精密及超精密加工最為重要、高效的加工方法，因此，將磨削加工應(yīng)用于SiCp/Al復(fù)合材料精密加工具有重要的實(shí)際意義.相對于切削加工，SiCp/Al復(fù)合材料磨削加工的研究相對較少，且主要集中在對不同砂輪的磨削性能的比較，磨削參數(shù)對磨削力和表面粗糙度的影響及磨削的典型形貌方面[32-35]. Di Ilio[36]等人通過磨削實(shí)驗(yàn)對體積分?jǐn)?shù)為15%～20%SiCp/Al復(fù)合材料的磨屑形態(tài)、表面粗糙度和磨削力進(jìn)行了研究；Ronald[37]等采用兩種不同的砂輪磨削SiCp/Al2124復(fù)合材料，綜合考慮兩種砂輪對磨削特性的影響后得出結(jié)論：樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪優(yōu)于電鍍金剛石砂輪.江蘇科技大學(xué)的張春燕[38]等利用有限元軟件對單顆粒金剛石磨粒磨削SiCp/Al復(fù)合材料的過程進(jìn)行了模擬仿真，研究了磨削速度和磨削深度等參數(shù)對于磨削力的影響.Zhang Weizhong[39]等人的研究表明，在一定微加工參數(shù)的磨削條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料無損傷表面加工，是實(shí)現(xiàn)金屬基復(fù)合材料精密、超精密加工很有前途的一種加工方法.

沈陽理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在高體分(體積分?jǐn)?shù)為56%)SiCp/Al復(fù)合材料的磨削加工方面進(jìn)行廣泛而深入的研究，并取得了若干成果.趙雷、石莉等[40-41]采用金剛石和SiC砂輪對SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行平面磨削實(shí)驗(yàn)，研究了磨削深度和進(jìn)給速度等磨削參數(shù)對磨削力的影響，并對比兩種砂輪加工后的表面形貌和已加工表面質(zhì)量的影響，認(rèn)為金剛石砂輪能夠獲得較好的加工表面質(zhì)量.仿真了材料磨削后的表面形貌及SiC顆粒的五種狀態(tài).王福松等[42]基于壓痕斷裂力學(xué)的方法，建立了SiCp/Al復(fù)合材料二維實(shí)體模型，研究了壓痕深度對該材料磨削加工去除機(jī)理的影響.于曉琳等[43]研究了磨削加工高體分SiCp/Al復(fù)合材料的表面形成機(jī)制，對磨削表面的形成機(jī)理做了進(jìn)一步研究，根據(jù)磨削表面的特點(diǎn)和缺陷形式，運(yùn)用磨削表面微觀形貌的表征參數(shù)體系，對SiCp/Al材料表面質(zhì)量進(jìn)行了評價.并比較在干、濕兩種條件下，金剛石砂輪磨削SiCp/Al復(fù)合材料的表面形貌和表面粗糙度，認(rèn)為無論在已加工表面缺陷還是表面粗糙度方面，濕式磨削都優(yōu)于干式磨削；Zhou L, Zhang C Y等[44-46]對各種磨削條件溫度場分布進(jìn)行了有限元模擬，并取得了與實(shí)驗(yàn)較吻合的仿真結(jié)果；進(jìn)行了SiCp/Al復(fù)合材料的在冷凍條件下磨削特性研究.Huang等[47]研究了磨削高體分SiCp/Al復(fù)合材料的切屑形狀和切屑形成機(jī)制，通過掃描電鏡和功率譜密度來觀察切屑表面形貌并揭示切屑形成的多樣性，表現(xiàn)為鋁基體切屑、SiC切屑和Al-SiC混合切屑，其形態(tài)均表現(xiàn)為鋸齒形.

3 SiCp/Al材料的復(fù)合加工

3.1 超聲振動磨削放電復(fù)合加工

超聲振動磨削放電加工原理如圖9所示.在加工過程中，工具電極與工件分別接脈沖電源的兩個輸出端，工具電極在機(jī)床主軸的帶動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的同時進(jìn)行超聲振動.脈沖放電產(chǎn)生的瞬時高溫使工件表面金屬基材料局部熔化、氣化，同時砂輪磨削使增強(qiáng)相顆粒脫落，達(dá)到去除材料的目的.

圖9 超聲振動磨削放電加工原理圖[48]

西北工業(yè)大學(xué)的趙鎧月等[48]研究了超聲振動磨削放電復(fù)合加工SiCp/Al復(fù)合材料的方法，其實(shí)質(zhì)是在電火花和磨削加工的基礎(chǔ)上，在工具電極上疊加一個超聲振動，同時，在電極磨條的機(jī)械磨削作用下，強(qiáng)制去除硬質(zhì)顆粒，以期改善加工表面粗糙度.掃描電鏡和能譜分析結(jié)果表明：與電火花加工相比，超聲振動磨削復(fù)合放電加工的穩(wěn)定性增加，加工工件表面質(zhì)量更高.閆鵬等[49]從已加工表面粗糙度和表面形貌出發(fā)，比較了單一磨削、超聲振動輔助磨削-電火花脈沖放電復(fù)合加工和磨削-電火花脈沖放電復(fù)合加工的優(yōu)缺點(diǎn).結(jié)果表明，復(fù)合磨削可以提高加工表面質(zhì)量，減少裂紋和熱應(yīng)力的產(chǎn)生.

3.2 電化學(xué)輔助磨削加工

電化學(xué)輔助磨削加工(Grinding-electrochemical discharge machining)簡稱G-ECDM加工.它包含了電化學(xué)熔解ECM、電火花燒蝕EDM和直接的機(jī)械磨削Grinding三個過程.在G-ECDM加工中，電解質(zhì)為工具電極和工件提供有限的電流，ECM過程起到溶解增強(qiáng)相周圍金屬相的作用，從而使EDM過程在相對較大放電間隙的狀態(tài)下得以順利進(jìn)行，促進(jìn)切屑的形成和去除.一般說來，工具電極為陰極，工件為陽極.在其加工原理如圖10所示.

圖10 G-ECDM 加工原理圖[50]

由于磨削加工作用于電火花浸蝕所形成的材料層，而裂紋、孔隙等表面缺陷通常都出現(xiàn)在這一材料層，因此，這種磨削作用不僅能夠提高材料去除率，而且還能提高表面加工質(zhì)量.研究數(shù)據(jù)也表明了電化學(xué)輔助磨削加工SiCp/Al復(fù)合材料比單純電化學(xué)加工具有更高的加工效率和表面質(zhì)量，體積分?jǐn)?shù)為10%的SiCp/Al采用G-ECDM方法加工所得到已加工表面粗糙度Ra值為0.26 μm，而使用ECDM方法加工其表面粗糙度Ra為2.5 μm，約為G-ECDM電化學(xué)輔助磨削加工的10 倍.

3.3 ELID精密磨削加工

ELID磨削是實(shí)現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料精密磨削加工技術(shù)之一，加工原理如圖11 所示，金剛石砂輪與電源正極相連作為陽極，電解電極與電源負(fù)極相連作為陰極.噴嘴噴出具有電解功能的磨削液并充滿陰、陽極之間，在直流脈沖電源的作用下，整個系統(tǒng)處于電解狀態(tài)，砂輪表面的金屬結(jié)合劑被不斷去除露出新磨粒，使砂輪始終保持良好的磨削狀態(tài)，同時，砂輪表面電解形成鈍化膜，有效地抑制了砂輪的過度電解，達(dá)到平衡狀態(tài)，從而達(dá)到最佳磨削效果.

圖11 ELID平面磨削原理圖[51]

Ohmori 等[52-54]自提出 ELID方法以來,一直專注于該技術(shù)的研究，對表面形成機(jī)理進(jìn)行了磨削試驗(yàn)研究，開發(fā)了ELID專用電源、ELID專用磨削液，同時針對難加工硬脆材料(單晶硅、碳化硅、碳化鎢、碳化鈦等)的ELID鏡面磨削加工提出了硬脆材料在延性方式下的磨削理論，系統(tǒng)地討論了各種磨削工藝參數(shù)對加工性能的影響.目前該方法已成功應(yīng)用于平面反射鏡、球面、非球面透鏡及其模具的納米級加工中，并成功開發(fā)了ELID納米級磨床[55].哈爾濱工業(yè)大學(xué)對該技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究.沈陽理工大學(xué)應(yīng)用該技術(shù)對體積分?jǐn)?shù)為56%SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行了在線電解磨削特性研究，獲得了鏡面磨削效果[56]，如圖12所示.

圖12 SiCp/Al復(fù)合材料鏡面磨削表面

綜上所述，將不同加工方法合理復(fù)合在一起的復(fù)合加工技術(shù)能夠提高加工效率、獲得良好的表面質(zhì)量和加工精度，使用復(fù)合技術(shù)加工SiCp/Al復(fù)合材料是最具前途的加工方法，能夠?qū)崿F(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料的精密及超精密加工.

4 SiCp/Al復(fù)合材料切削加工研究

關(guān)于SiCp/Al復(fù)合材料的切削加工，中外學(xué)者在切削力變化規(guī)律、切屑形態(tài)、切削溫度、表面質(zhì)量和刀具磨損方面做了大量的工作，并且取得了許多成果[11,13-14,].

Pramanik[57]等建立了在切削SiCp/Al復(fù)合材料時的預(yù)測切削力的力學(xué)模型.Dabade[58]等也從刀具與切屑之間的摩擦入手，來預(yù)測切削SiCp/Al復(fù)合材料時的切削力.Jayakumar[59]等對5%、10%、15%、20%四種不同體積分?jǐn)?shù)的SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，使用紅外熱像儀來研究刀具與工件界面溫度，Dabade[60]等人在同一切削參數(shù)下比較了10%和30%的SiCp/Al材料的切削表面，發(fā)現(xiàn)較高體積分?jǐn)?shù)的材料表面存在著較多的凹坑和裂紋等缺陷.

南京航空航天大學(xué)邊衛(wèi)亮等通過高速正交銑削實(shí)驗(yàn)建立了切削力預(yù)測模型.葛英飛等[61]在600～1 200 m/min速度范圍內(nèi)，對高速銑削SiCp/Al復(fù)合材料的切削溫度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到銑削參數(shù)對溫度的影響；他們對SiCp/Al復(fù)合材料刀具的磨損機(jī)理也進(jìn)行了研究[12，15].Y.F. Ge[62]，R.Bian[63]等對SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行高速精密切削，得到Ra值在20～30 nm的鏡面級加工表面，但掃描電鏡和原子力顯微鏡下可以看到已加工表面仍然存在著凹坑、空洞和微裂紋等缺陷.華南理工大學(xué)的全燕鳴等對復(fù)合材料的切削加工表面結(jié)構(gòu)與表面粗糙度做了較系統(tǒng)的研究[64-66]，特別是對顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的已加工表面形貌及其影響因素做了更加深入細(xì)致的探究.

沈陽理工大學(xué)對高體分SiCp/Al復(fù)合材料的高速精密切削加工進(jìn)行了較為系統(tǒng)、深入的研究[5,7,10,67-69]，研究了車削、銑削、車銑等不同加工工藝條件下加工方式、刀具幾何參數(shù)、切削用量等因素對切削力、切削溫度、刀具磨損、已加工表面粗糙度和表面形貌的影響及變化規(guī)律，研究了不同銑削方式下SiCp/Al復(fù)合材料的表面形成機(jī)理和形貌特征.定義了二維切削狀態(tài)下棱邊缺陷的特征參數(shù)，基于聚類分析理論建立了高體分SiCp/Al復(fù)合材料棱邊缺陷的特征圖譜[5]；對SiCp/Al復(fù)合材料薄壁件的切削加工變形、損傷機(jī)理及抑制方法等進(jìn)行了研究，提出了抑制變形的方法.

5 結(jié)論

隨著SiCp/Al復(fù)合材料應(yīng)用日趨廣泛，對其加工技術(shù)的研究需求也更加迫切.目前，鑒于特種加工和復(fù)合加工在實(shí)際應(yīng)用中的局限性，切削加工仍然是當(dāng)前SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行加工的主要方法，針對具體結(jié)構(gòu)件特別是大型結(jié)構(gòu)件的高效精密切削加工工藝仍然是一個重要的研究課題；磨削加工是實(shí)現(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料高效、精密加工的重要方法，其中ELID磨削是適用于SiCp/Al復(fù)合材料的，最有前途的復(fù)合加工技術(shù)之一，能夠?qū)崿F(xiàn)SiCp/Al復(fù)合材料的鏡面加工；SiCp/Al復(fù)合材料的特種加工技術(shù)中，電火花加工研究較為廣泛和深入，而其他加工技術(shù)如激光加工、磨料水射流等還有待于進(jìn)一步深入研究；超聲振動切削、超聲振動磨削放電加工、電化學(xué)輔助磨削等復(fù)合加工技術(shù)具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，有待深入研究和發(fā)展.

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Review of SiCp/Al Composite Machining Technology

HUANG Shutao1，2, JIAO Keru1, XU Lifu1

(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China;2. School of Automotive and Traffic, Shenyang Ligong University,Shenyang 110159, China)

SiCp/Al composites have been applied widely in many high technologies owing to their excellent physical and mechanical properties. However, the popularization and application of SiCp/Al composites were limited because of the difficulty to realize efficient and precise processing. At present, the efficient and precise machining technology of SiCp/Al composites has become an important research subject. Based on the relative literatures, the characteristics of main machining technologies of SiCp/Al composites are reviewed, such as the cutting machining, abrasive machining, non-traditional machining and composites machining with a good promising etc. The domestic and foreign research status of SiCp/Al composites machining techniques are also analyzed and reviewed, which can provide reference for the study of SiCp/Al composite machining technologies.

SiCp/Al composites; machining technology; non-traditional machining; abrasive machining; combined machining

1673- 9590(2016)06- 0001- 09

2016-06-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275316)

黃樹濤(1964-)，男，教授，博士, 主要從事新材料精密及特種加工技術(shù)、高速切削加工技術(shù)的研究

A

E- mail:krjiao@aliyun.com.