荊 露 牛秋林 李樹健 邱新義 李鵬南

（湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201）

文 摘 SiCp／Al復(fù)合材料中增強(qiáng)相SiC顆粒的存在降低了該材料的加工性能，使得其切削加工時產(chǎn)生一系列加工損傷。本文綜述了SiCp／Al復(fù)合材料的加工缺陷類型、缺陷形成機(jī)理、缺陷控制策略和切削刀具的磨損機(jī)理與優(yōu)選策略，并對今后SiCp／Al復(fù)合材料加工損傷研究進(jìn)行了展望。

0 引言

SiCp／Al復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、線脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好等特點，被廣泛應(yīng)用于軍事、汽車、高鐵、飛機(jī)、電子及化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域［1］。SiCp／Al復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)相SiC顆粒分布在鋁基體中，如圖1所示，SiC顆粒在增強(qiáng)材料物理力學(xué)性能的同時增加了它的切削加工難度［2］，使其在加工中常產(chǎn)生凸起、裂紋、坑洞等表面缺陷［3］；在工件邊緣出現(xiàn)毛刺、崩邊、碎裂及剝落等棱邊損傷［4］；此外，SiC增強(qiáng)顆粒的高頻刻劃及斷續(xù)沖擊易導(dǎo)致刀具發(fā)生晶粒脫落、磨粒磨損、崩刃、剝落等現(xiàn)象［5］，從而加劇SiCp／Al復(fù)合材料的加工損傷。

為此，本文從SiCp／Al復(fù)合材料切削加工缺陷類型、缺陷形成機(jī)理、缺陷控制策略、刀具磨損機(jī)理與優(yōu)選方面進(jìn)行闡述，為SiCp／Al復(fù)合材料的加工損傷研究提供參考。

圖1 SiCp／Al復(fù)合材料金相圖［2］Fig.1 Micrograph of SiCp／Al composites

1 SiCp／Al復(fù)合材料切削加工缺陷類型

SiCp／Al復(fù)合材料加工表面和棱邊缺陷經(jīng)過長時間的演變，會嚴(yán)重影響材料的穩(wěn)定性、耐磨性和耐疲勞性等力學(xué)性能，可能導(dǎo)致材料在使用過程中出現(xiàn)故障，降低使用壽命。了解該材料的加工缺陷類型是進(jìn)一步探究其缺陷形成機(jī)理的基礎(chǔ)。

通過切削試驗，CHAN［6］發(fā)現(xiàn)凹坑、裂紋及刀具痕跡是導(dǎo)致SiCp／Al復(fù)合材料表面質(zhì)量下降的主要原因。TENG［7］等通過銑削SiCp／Al復(fù)合材料，得出刀具-顆粒相互作用時，大多數(shù)顆粒從基體中被拔出，形成空腔；在基體中嵌有SiC碎裂顆粒；刀具切削路徑上剝落的SiC顆粒，使得加工表面形成劃痕。圖2為SiCp／Al復(fù)合材料加工表面形貌。仿真建模方面，CHINMAYA［8］等基于顆粒、基質(zhì)和顆粒-基質(zhì)界面的獨特特性，提出一種多步驟3D加工模型，預(yù)測了所有失效現(xiàn)象：顆粒斷裂、顆粒-基體界面脫膠和基體空隙形成。綜上，SiCp／Al復(fù)合材料加工表面缺陷與SiC增強(qiáng)顆粒的形狀、尺寸、體積及分布有很大關(guān)系，主要有坑洞、犁溝和凸起幾種形式。上述缺陷主要是由SiC硬質(zhì)顆粒造成，SiC體積分?jǐn)?shù)較低時，加工表面上Al基體的微裂紋較多，而類似劃痕、坑洞等缺陷較少，隨著SiC體積分?jǐn)?shù)增大，表面損傷加劇。

圖2 SiCp／Al復(fù)合材料加工表面形貌［7］Fig.2 Surfacemorphology ofmahininal SiCp／Al composites

棱邊缺陷是指工件在經(jīng)過切削加工后，其棱、邊及角部位幾何形態(tài)的損傷。CAO［9］認(rèn)為棱邊產(chǎn)生崩邊現(xiàn)象的三個區(qū)域，分別為刀具入口／出口處、加工內(nèi)棱邊，如圖3所示。除崩邊外，牛秋林［10］指出在加工SiCp／Al復(fù)合材料中會出現(xiàn)毛刺和表面剝落現(xiàn)象，如圖4所示。趙鵬［11］進(jìn)行鉆孔棱邊形成機(jī)理分析，得出鉆削SiCp／Al復(fù)合材料入口棱邊缺陷主要有宏觀斷裂缺口、顆粒脫落、顆粒斷裂及破碎、塑性凸起四種形式；出口處有大范圍沖裂、基體韌性斷裂、顆粒脫落等缺陷，如圖5。胡芳［12］鉆孔得出該材料主要缺陷在鉆入的上表面，表現(xiàn)為Al基體斷裂脫落，部分區(qū)域發(fā)生SiC顆粒脫落。綜上，SiCp／Al復(fù)合材料加工后產(chǎn)生的棱邊缺陷主要有毛刺、崩邊、碎裂及剝落等形貌。

圖3 三類崩邊區(qū)域示意圖［9］Fig.3 Schematic of three types of edge chipping

圖4 SiCp／Al復(fù)合材料的棱邊形貌缺陷圖［10］Fig.4 Edge shape defect diagram of SiCp／Al composite

圖5 鉆孔出口棱邊缺陷［11］Fig.5 Hole outlet edge defect

2 SiCp／Al復(fù)合材料切削加工缺陷形成機(jī)理

SiCp／Al復(fù)合材料加工表面和棱邊缺陷的存在會惡化表面質(zhì)量，進(jìn)而限制該材料的應(yīng)用和發(fā)展。因此，了解其表面及棱邊缺陷形成機(jī)理，進(jìn)而制定出缺陷控制策略是一重要課題。

PRAMANIK等［13］對20%SiCp／Al復(fù)合材料進(jìn)行正交切削仿真，將SiC顆粒與刀具的位置關(guān)系分為三類：顆粒沿著切削路徑、顆粒在切削路徑上方、顆粒在切削路徑下方，由此分析刀具-顆粒的相互作用，如圖6所示。得出該材料中應(yīng)力應(yīng)變的大小和分布及顆粒與刀具的相互作用是SiC顆粒斷裂和脫粘的主要原因。王陽俊［14］在此基礎(chǔ)上提出顆粒剝落后的行為是加工表面缺陷形成的主要因素。WAGN等［15］建立了多邊形SiC模型，得出SiC顆粒旋轉(zhuǎn)、拔出、大解理、微裂紋和顆粒貫穿是缺陷形成的主要機(jī)制。

綜上，在目前的建模分析中，多數(shù)學(xué)者把SiC顆粒簡化為圓形或其他規(guī)則形狀，這與真實材料的構(gòu)建有所差異，影響了建模的精確性；且多數(shù)學(xué)者以刀具-顆粒的角度對其進(jìn)行研究，顆粒-顆粒和顆粒-基體角度的研究有待深入。因此，目前仍缺乏關(guān)于SiCp／Al復(fù)合材料加工表面損傷機(jī)理的多角度精準(zhǔn)分析。

圖6 顆粒相對于切削路徑的位置［13］Fig.6 Particle locations with respect to the cutting path particles

SiCp／Al復(fù)合材料棱邊缺陷的形成可分為七個階段：初始接觸、切屑形成、連續(xù)切削、負(fù)剪切角形成、裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和棱邊缺陷形成［16］。杜玉真［17］從等效應(yīng)力變化的角度分析了棱邊缺陷的形成過程，認(rèn)為在拉應(yīng)力作用下切屑及一部分鋁基體一起崩落形成棱邊缺陷。

毛刺作為典型棱邊缺陷受到了研究學(xué)者的重點關(guān)注。羅蒙［18］指出毛刺形成是因為在最末段加工時工件背靠支撐強(qiáng)度不夠，材料顆粒發(fā)生滑移、位錯，切屑圍繞某點旋轉(zhuǎn)而沒有折斷殘留在工件上。TOROPOV［19］建立了車削加工過程中進(jìn)給方向形成毛刺的機(jī)理模型，指出在刀具出口位置處主要形成翻轉(zhuǎn)毛刺。AURICH［20］等通過對毛刺的大量研究得出，工件材料及結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)、走刀路徑等均對毛刺的生成和類型有所影響。

綜上，SiCp／Al復(fù)合材料棱邊損傷的形成與多種因素有關(guān)，主要是切削參數(shù)與刀具共同作用的結(jié)果。由于毛刺形成具有普遍性，現(xiàn)有研究大多數(shù)集中在塑性材料毛刺形成機(jī)理方面，針對SiCp／Al復(fù)合材料棱邊缺陷形成機(jī)理的研究較少，關(guān)注度不夠。

3 SiCp／Al復(fù)合材料切削加工缺陷控制策略

關(guān)于SiCp／Al復(fù)合材料加工表面和棱邊缺陷的控制方法，主要從切削參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)兩因素進(jìn)行考慮。

MUTHUKRISHNAN［21］等認(rèn)為，切削速度在該材料的加工中影響顯著，高切削速度下能獲得更好的表面。LIU等［22］對SiCp／Al復(fù)合材料進(jìn)行微銑削試驗，得出進(jìn)給量小時，鋁基體會涂覆已形成的缺陷；進(jìn)給量較大時，顆粒斷裂增多，使表面缺陷增多。由此，建立了一個判斷進(jìn)給量臨界值的準(zhǔn)則，用來優(yōu)化進(jìn)給量以形成最佳表面。DABADE［23］采用兩種不同結(jié)構(gòu)的CBN刀具進(jìn)行切削試驗，對比發(fā)現(xiàn)CBN刀具上的Wiper幾何結(jié)構(gòu)可顯著減少加工表面的痕跡、凹坑和裂紋的數(shù)量。焦可如［24］銑削SiCp／Al復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)順銑比逆銑更容易獲得較好的表面質(zhì)量。因此，為了減少SiCp／Al復(fù)合材料加工表面損傷，可以從切削參數(shù)、加工方式和刀具結(jié)構(gòu)等多個角度采取措施。為獲得SiCp／Al復(fù)合材料低粗糙度的加工表面，需要選用具有合理結(jié)構(gòu)的高硬度刀具。目前對加工表面有效控制策略的研究日漸成熟，但關(guān)于刀具開發(fā)方面仍有發(fā)展空間。

同樣，優(yōu)化切削參數(shù)也可控制棱邊缺陷形成。ZHOU［25］等利用PCD刀具正交切削SiCp／Al復(fù)合材料，得出切削深度對邊緣缺陷尺寸有顯著影響，而切削速度對邊緣缺陷的形成影響很小。刀具前角小、切削速度快、切削深度小可以在SiCp／Al復(fù)合材料精密加工中得到良好的出口邊緣。牛秋林［10］認(rèn)為在低速或高速銑削速度、較小進(jìn)給量和適中軸向切深的情況下，出口棱邊形貌較好。此外，刀尖圓弧半徑增加會導(dǎo)致SiCp／Al復(fù)合材料棱邊缺陷隨之增大［21］。

SiCp／Al復(fù)合材料在使用中常需要加工連接孔，因此如何控制孔出口處產(chǎn)生的毛刺、崩邊等缺陷是研究人員所關(guān)注的話題。BASAVARAJAPPA［26］等提出可以將少量石墨加入鋁基體中以減少鉆孔出口處的毛刺高度，提高鋁系金屬基復(fù)合材料的切削加工性。V.SCHULZE［27］等得到進(jìn)給量對孔的缺陷影響最大，進(jìn)給量大則會產(chǎn)生大的棱邊缺陷。曹波［28］等對該材料建立了制孔缺陷-崩邊體積比μ的評價指標(biāo)，這對優(yōu)化加工參數(shù)具有指導(dǎo)意義。

綜上，選擇合適的切削參數(shù)、合理的刀具條件，對加工方式進(jìn)行優(yōu)化，是SiCp／Al復(fù)合材料棱邊缺陷的有效控制策略，其中選用合理的刀具是關(guān)鍵因素之一。制孔時棱邊缺陷的產(chǎn)生與控制是一個熱點，而采用其他加工方式時棱邊缺陷的控制研究有待加強(qiáng)。

4 SiCp／Al復(fù)合材料刀具磨損機(jī)理與優(yōu)選

SiCp／Al復(fù)合材料中SiC顆粒增強(qiáng)相的不均勻分布造成刀具磨損嚴(yán)重、刀具壽命減少，對材料的加工精度及加工質(zhì)量影響甚重。例如，刀具和加工材料的黏附性會增大工件表面粗糙度。因此，對刀具磨損機(jī)理的研究尤為重要，它在一定程度上指導(dǎo)著刀具材料及刀具結(jié)構(gòu)的選用。

4.1 刀具磨損機(jī)理

刀具磨損機(jī)理可從基體和增強(qiáng)顆粒兩個角度進(jìn)行分析。CHAMBERS［29］發(fā)現(xiàn)，軟基體優(yōu)先磨損后使得增強(qiáng)體材料暴露，導(dǎo)致刀具磨損加劇。段春爭［30］進(jìn)一步探討了鋁基體化學(xué)成分對刀具磨損的影響，采用PCD刀具加工SiCp／6063Al和SiCp／2024Al復(fù)合材料，對比發(fā)現(xiàn)加工SiCp／6063Al復(fù)合材料的PCD刀具前刀面磨粒磨損較少，這是由于6063鋁合金中Cu含量較少，金剛石碳化現(xiàn)象減弱，顆粒劃擦造成的刀具表面劃痕減少。LI［31］指出SiC顆粒含量和尺寸是影響刀具壽命的主要因素，含量超過一個臨界值后后刀面磨損率將急劇增大。

此外，刀具-切屑界面摩擦直接決定了刀具磨損的結(jié)果。切削SiCp／Al復(fù)合材料的刀具磨料磨損機(jī)理包括二體磨損和三體磨損［32］。二體磨料磨損是由刀具和SiC顆粒之間的摩擦引起的，而三體磨料磨損是由兩個滑動面之間的硬顆粒截留造成的。GHANDEHARIUN［33］建立的刀-屑界面摩擦模型是對庫侖摩擦模型的擴(kuò)展，不能揭示硬質(zhì)顆粒和基體對SiCp／Al復(fù)合材料加工中刀-屑界面摩擦的影響。DUAN［34］等開發(fā)了一個考慮刀具-基體黏附、二體磨損和三體滾動影響的三相摩擦模型，如圖7所示。通過仿真發(fā)現(xiàn)，在低體積分?jǐn)?shù)SiCp／Al復(fù)合材料加工過程中，更多的鋁基體參與刀具與切屑內(nèi)表面的摩擦，造成切削刀具的黏著磨損。加工高體積分?jǐn)?shù)SiCp／Al復(fù)合材料時，后刀面由于顆?；脸霈F(xiàn)明顯的磨粒磨損［35］。

圖7 刀-屑界面的三相摩擦［34］Fig.7 Three-phase friction at the tool-chip interface

綜上，在加工SiCp／Al復(fù)合材料時，刀具主要磨損機(jī)制為磨粒磨損，后刀面磨損相對嚴(yán)重，前刀面也存在磨損斑痕，并伴隨有黏著磨損。鋁基體成分與性能、SiC顆粒尺寸、體積分?jǐn)?shù)及分布都直接影響著刀具磨損程度。目前，國內(nèi)外學(xué)者從刀-屑摩擦角度對刀具磨損的分析相對較少，大多數(shù)刀-屑界面摩擦模型模擬精度較差、考慮因素較少。

4.2 刀具材料的選用

刀具材料的選擇是切削難加工材料的關(guān)鍵問題。一些研究人員認(rèn)為，PCD是唯一能夠加工SiCp／Al復(fù)合材料且能提供足夠刀具壽命的刀具材料。TOMAC［36］采用PCD、CVD、涂層硬質(zhì)合金刀具對SiCp／Al復(fù)合材料切削加工性進(jìn)行研究，對比得到，PCD刀具具有比碳化物高30倍的壽命。PCD刀具之所以具有良好的耐磨性，是因為它可以在刀具表面保持穩(wěn)定的TiC反應(yīng)層，控制著磨損率［37］。叢鵬泉［38］試驗得出PCD刀具主要磨損形式為磨粒磨損，磨損主要出現(xiàn)在后刀面，前刀面由于積屑瘤的存在磨損較少，圖8為PCD刀具磨損形貌。

然而，由于PCD刀具的成本太高，這限制了其在生產(chǎn)現(xiàn)場的實際使用效果。低成本金剛石涂層碳化鎢（WC-Co）刀具被認(rèn)為是PCD的替代品，但在金剛石沉積過程中，鈷的擴(kuò)散導(dǎo)致涂層分層。對此，RAMASUBRAMANIAN［39］等提出了在WC-Co表面制備摻硼梯度層金剛石涂層（BDD／過渡層／NCD），以改善其加工性能。WEINERT［40］采用1 mm厚CVD刀具對20%SiCp／Al進(jìn)行切削加工，得出CVD刀具相比PCD刀具具有更高的刀具壽命。BUSHLYA［41］等采用新型超硬材料刀具對SiCp／Al復(fù)合材料進(jìn)行切削，得出金剛石／SiC材料的性能略低于PCD。

綜上，雖然PCD刀具目前仍被多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是切削SiCp／Al復(fù)合材料的最佳選擇，但其成本較高，實用性不強(qiáng)，CVD金剛石刀具及某些新開發(fā)的超硬刀具材料有望替代PCD刀具。目前在SiCp／Al復(fù)合材料的切削加工中，一般禁用高速鋼刀具，短期生產(chǎn)時選用涂層／不涂層硬質(zhì)合金刀具。

圖8 PCD刀具磨損形貌圖［38］Fig.8 PCD toolwear profile

4.3 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計合適的刀具結(jié)構(gòu)會在一定程度上減小刀具磨損，提高刀具壽命。

HAN［42］等銑削SiCp／Al復(fù)合材料，得出帶倒棱邊的PCD刀具比銳邊刀具更利于保護(hù)切削刃，倒棱刃可以有效強(qiáng)化切削刃。AGIC［43］指出適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)倒角與相對較高的前角相結(jié)合，對減振效果較好。認(rèn)為切削刃保護(hù)倒角的作用是減小刀尖附近的拉應(yīng)力、減少刀具振動，提高刀具壽命。在理論分析的基礎(chǔ)上，BENJAMIN［44］探討了切削刃載荷應(yīng)力的形成與切削刃微觀幾何形狀和材料性能的關(guān)系，認(rèn)為適當(dāng)?shù)那邢魅袌A度可以提高刀具的性能，實現(xiàn)了基于加工材料性能的切削刃圓角設(shè)計。

綜上，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計中切削刃的形貌特征是重中之重，如需設(shè)計高精度的切削刃模型，則要針對該材料的特性進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，而SiCp／Al復(fù)合材料中含有SiC硬質(zhì)顆粒，使得建模難度增大。因此，現(xiàn)有研究集中在切削刃機(jī)理分析方面，仍沒有基于SiCp／Al復(fù)合材料切削刃微幾何設(shè)計的最佳模型。

5 結(jié)語

SiCp／Al復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于各類尖端領(lǐng)域，對其加工質(zhì)量的研究日漸迫切。結(jié)合目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對今后該材料加工損傷研究進(jìn)行如下展望。

（1）多數(shù)仿真建模把SiC顆粒簡化為規(guī)則幾何形狀，并不符合真實條件。因此，需進(jìn)一步提高建模的準(zhǔn)確性，并從不同的切入點：如刀具-顆粒、顆粒-顆粒、顆粒-基體角度進(jìn)行加工損傷精準(zhǔn)分析。

（2）對SiCp／Al復(fù)合材料棱邊缺陷的研究有所欠缺，現(xiàn)有研究多集中在毛刺的產(chǎn)生與去除方面，需進(jìn)一步開展該材料棱邊損傷的系統(tǒng)性研究。

（3）進(jìn)行刀具磨損研究時，刀-屑摩擦可作為直接影響刀具磨損程度的一大方面，目前從該角度對刀具磨損的分析較少，有必要加以發(fā)展并提高其建模精度。

（4）刀具結(jié)構(gòu)中切削刃的設(shè)計是重中之重，目前研究主要從切削機(jī)理方面對其進(jìn)行優(yōu)化，因此仍需針對該材料的特性建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計。

（5）有必要通過選用最佳刀具材料與結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化切削參數(shù)來獲得SiCp／Al復(fù)合材料的低缺陷制造控制策略，從而實現(xiàn)SiCp／Al復(fù)合材料零件的形性一體化制造。