随着我国科技的飞速发展，零部件等产品的质量得到了大大提高，航空航天和汽车等领域对产品零部件的加工精度和产品质量的要求也越来越高。因此，对于切削加工行业有必要提高零件的品质。SiCp/Al材料作为一种金属基复合材料，具有良好的物理力学性能，能够满足精密和超精密应用场合的技术要求，在航空航天等高端领域首先获得了应用。同时，其制备工艺日益完善，可靠性不断增加，制造成本较低，在汽车、电子封装、武器系统、光学精密仪器等行业逐渐取代了传统的金属材料，应用也越来越广泛。超声振动切削技术加工是一种结合了普通切削工艺和超声技术的新型加工方法，具有对工件的作用力和热影响小、可获得较好的表面质量、提高加工精度和延长刀具寿命等特点。近些年来，关于超声振动切削的实际应用逐渐得到认可，在硬脆材料(如微晶玻璃和陶瓷等)和塑性材料(如钛合金和高温合金)的加工中得到了应用。本文主要围绕SiCp/Al复合材料的超声振动辅助切削加工的现状和存在的问题从刀具材料与刀具磨损、切屑与切削力和表面质量三个方面进行阐述。1  SiCp/Al复合材料切削加工存在的问题由于SiCp/Al材料中存在大量的SiC颗粒硬质相，同时具有塑性较差和微观组织结构不均匀等特点，因此，SiCp/Al复合材料的加工表面质量较差，表面缺陷多，切削加工性很差。这对SiCp/Al复合材料在许多关键零部件的最终使用性能会产生不利影响，阻碍了其在实际应用上的大范围推广。同时，对于SiCp/Al复合材料的切削加工，学者们主要从刀具材料的选择、刀具磨损、加工表面质量、切削效率、切削力与切削温度等方面做了大量研究，取得了许多成果，但是关于SiCp/Al切屑的产生和表面缺陷等方面还需做进一步的分析。由于SiCp/Al的难加工性，传统加工存在刀具磨损剧烈和加工表面质量差等缺陷，有研究将超声振动与传统加工过程相结合，发现超声辅助加工在降低SiCp/Al刀具后刀面磨损和加工损伤等方面具有明显优势，加工前景广阔。但是超声振动辅助切削技术还处于不断改进和完善的阶段，研究工作多集中于超声振动系统的设计开发和测试。有研究将超声加工运用于CFRP复合材料的钻削加工中，而运用于SiCp/Al的研究较少。并且，采用超声振动辅助加工时SiCp/Al材料表面缺陷的产生与控制、表面精度的控制方法、刀具磨损严重性的可控性等方面还存在诸多未解决的问题。2  SiCp/Al复合材料超声振动辅助切削加工作为特种加工方式的超声振动切削技术在难加工材料和高精度零件加工方面相对于普通切削加工所具有的特性引起了各国学者们的广泛兴趣。大量的实验研究表明，采用普通刀具对复合材料进行切削加工时刀具磨损严重，并会影响到切削力、加工精度和表面质量等。此外，由于振动切削改变了刀具与工件的时空关系，使切削加工机理发生变化，因此超声振动辅助切削可以减小切削力和切削温度、提高加工精度和质量，同时还具有良好的断屑和排屑效果。(1)刀具材料与刀具磨损在SiCp/Al复合材料切削过程中，常采用PCD刀具、涂层刀具、PCBN刀具、高速钢刀具和硬质合金刀具。吉国强通过PCD、PVD涂层、CBN和YG6X四种刀具对SiCp/Al材料进行切削加工试验，结果表明：采用YG6X刀具切削产生的表面粗糙度最小，其次是PVD涂层刀具和PCD刀具，CBN刀具切削加工得到的表面最粗糙，但 PCD刀具加工产生的切削应力最小，综合分析可知，PCD刀具是切削加工SiCp/Al材料的最佳刀具。Gao G.F.等使用不同刀具材料分别在普通铣削和超声铣削情况下对SiCp/Al材料做了试验，发现普通铣削方式下加工温度和铣削力更高、刀具寿命更短，普通加工比超声辅助铣削加工效率低。对SiCp/Al复合材料磨损机理的研究结果显示，由于SiCp/Al材料内部存在的SiC颗粒属于硬质相，会造成严重的刀具磨损，因此其主要磨损形式为磨粒磨损。图1为PCD刀具铣削SiCp/Al复合材料在超声铣削和普通铣削加工中观察到的前刀面磨粒磨损图。Xiang D.H.等在不同铣削参数下采用传统铣削技术和超声铣削技术对SiCp/Al复合材料铣削刀具的磨损机理进行了分析，发现采用超声铣削SiCp/Al复合材料时的刀具磨损低于传统铣削。Sahoo A.K.等用无涂层的碳化钨刀片对SiCp/Al材料进行了切削加工，分析其切削参数对后刀面磨损的影响，发现切削速度是影响后刀面磨损的最重要的参数，并用Taguchi方法对SiCp/Al材料进行了建模和参数优化。Jiao K.R.等用PCD刀具对SiCp/Al复合材料铣削过程进行了仿真，分析了切削速度对刀具磨损的影响，发现切削速度越大刀具磨损越大。Zhang H.使用PCD刀具对比研究了传统车削和超声辅助车削SiCp/Al复合材料刀具的后刀面磨损，研究表明超声振动可显著降低刀具后刀面磨损，提高刀具寿命。Bushlya V.等使用不同含量的PCD刀具和不同涂层的CBN刀具对体积分数为20%的SiCp/Al材料的刀具磨损问题进行了分析研究，得出PCD刀具的主要磨损是SiC粘结相上的磨料。

(a)超声铣削          (b)传统铣削图1  PCD铣刀的前刀面磨损(2)切屑与切削力切屑和切削力均是加工SiCp/Al材料中产生的极有研究价值的产物，因此研究切屑和切削力在SiCp/Al材料切削加工中的影响非常重要。Joshi S.S.等指出了获知材料加工特性的最有效、最省事的途径是研究这种材料的切屑变形。Dabade U.A.等基于Taguchi方法对SiCp/Al材料切削加工切屑形成机理进行了实验研究分析，认为在切削速度较低时，切屑大多为针形，在切削速度较高时，切屑一般会形成半连续、带状和管状形切屑。在给定的切削速度和切削深度下，切屑长度和切屑卷曲数量随着进给速率的增加而增加。Ge Y.F.等使用单晶金刚石(SCD)和多晶金刚石(PCD)工具对SiCp/2009Al和SiCp/ZL101A复合材料进行了超精密车削，研究了切屑形成和产生机制。结果表明：加工表面存在凹坑、空洞、微裂纹、凹槽、隆起和基体撕裂等缺陷。一般情况下，切屑的主要形貌为锯齿状，由工件材料的非均匀变形所导致的动态微裂纹行为和应变集中所引起。Sahoo A.K.在用涂层刀具车削AA6061Al/SiC材料时观察到了连续性锯齿状切屑的产生，发现其与高切削温度和材料的低热导率导致的剪切区高应变率有关。岳广喜研究了超声加工和普通铣削SiCp/Al复合材料的切屑形态，发现超声加工SiCp/Al材料的切屑主要为半连续形锯齿状切屑，如图2所示。

图2  超声铣削切屑对于金属基复合材料来说，切削力的产生是一个复杂现象，许多学者讨论了不同切削速度下采用PCD刀具切削金属基复合材料时的切削力。同切削普通金属性材料类似，SiCp/Al材料的切削力随着刀具磨损的加重而增大。河南理工大学较早开展了SiCp/Al超声辅助切削方面的研究工作，分析了超声车削SiCp/Al时获得的切削力和工件表面特征，研究结果认为超声加工中的车削力小于普通加工所得到的力，加工表面也得到了改善。王进峰等利用ABAQUS软件对SiCp/Al材料做了仿真建模，并通过车削试验验证此模型，结果发现，切削速度增大，切削力减小，切削深度增大，切削力增大，试验结果与仿真结果相吻合。在SiCp/Al材料超声铣削方面，利用超声振动进行铣削可以减小铣削力和刀具磨损。河南理工大学Xiang D.H.分析了高速铣削和超声辅助铣削中SiCp/Al材料的加工性能。结果表明，超声辅助铣削SiCp/Al时切削力会下降，与高速铣削相比，超声加工方式是一种更高效的硬切削方式。KadivarM.A.等采用TiN涂层高速钢钻头在超声振动钻削和常规钻削SiCp/Al材料孔时的振幅对切削效率的影响，认为超声振动辅助钻削通过选择合适的振幅可以减少毛刺，获得更好的表面粗糙度和更高的钻削力，提高加工效率。(3)表面质量SiCp/Al材料的塑性较低，微观结构不均匀，导致其所用刀具的磨损比较严重，其切削加工获得的加工表面也会出现许多缺陷。因此，关于该材料的加工表面质量人们做了许多研究工作。由于存在硬质相和基体的协同变形问题，硬质相的颗粒粒度大小和其与基体的结合强度都会对切削加工表面的微观组织结构产生影响。相对于普通钻削而言，在使用超声钻削SiCp/Al复合材料时，工件的粗糙度和表面形貌也会得到明显改善，钻削力会随着SiC颗粒含量的增加而变大，其表面缺陷主要包括犁沟、凹坑、划痕、黏附和涂抹等。Xu X.X.等对比了超声钻削和传统加工SiCp/Al材料时的钻削特性，分析了两种不同钻削情况下SiCp/Al材料的钻削力和孔表面质量。研究表明，相对于常规钻削试验，使用超声辅助钻削SiCp/Al情况下该材料的钻削力更小，加工表面质量更好。在传统铣削SiCp/Al材料中，Wang等介绍了体积分数为65％SiCp/Al铣削时产生的表面粗糙度，选择典型的2D(Ra和Rz)和3D(Sa和Sq)参数来评估铣削参数对表面质量的影响。结果表明，三维参数(Sa和Sq)更能描述铣削参数对表面质量的影响，SiCp/Al复合材料的粗糙度大小随着进给速率的增大和铣削速度的减小呈线性增加。但相对于常规铣削加工，超声振动铣削更适合于SiCp/Al材料的加工，其表面粗糙度值和加工质量更好。Zhi X.T.等利用PCD铣刀在超声辅助方式下对SiCp/Al材料进行了加工实验，分析了SiCp/Al材料的去除机理，研究结果表明由于刀具和切屑分离特性以及超声对该材料的冲击作用，SiCp/Al的去除机理与塑料材料接近，在超声铣削条件下能形成更好的表面质量。WangT.等在铣削过程几何分析的基础上建立了由硬质SiC颗粒和软质铝基体组成的二维尺度有限元模型，对SiCp/Al材料的加工表面缺陷形成机理进行了模拟分析，结果表明，SiC的旋转、拔出、撕裂、微裂缝和穿透是主要的缺陷形成机制。在超声切削SiCp/Al中，HungN.P.等对SiCp/Al进行了切削试验，发现已加工表面存在界面分层和SiC颗粒破碎现象，表面损伤的形式有分层、颗粒拔出和基体硬化等。Wang M.等在传统的磨削模型和超声辅助加工的基础上，建立了SiCp/Al薄壁结构的超声动力学模型，采用时域分析方法对典型的SiCp/Al进行了仿真分析，利用MATLAB Simulink对SiCp/Al的切削振动进行了数值模拟，结果表明采用旋转超声辅助加工可以优化加工切削参数，取得良好的加工质量。牛秋林等分析了铣削速度、进给量和轴向切深对SiCp/Al出口棱边形貌的影响，发现铣削速度和轴向切深对出口形貌的影响较大，在加工中易出现毛刺和表面剥落等缺陷，如图3所示，改变某单一参数并不能改善其棱边形貌。而赵明利等利用超声铣削方式加工对SiCp/Al复合材料的棱边形貌进行仿真模拟分析，并与普通铣削SiCp/Al材料的对比研究发现超声辅助切削方式比普通加工缺陷更少，棱边形貌更好。ZhouL.等用ABAQUS软件建立了SiCp/Al的多颗粒微观元素模型，分析了正交切割出口附近边缘缺陷的形成机理以及切割参数对边缘尺寸的影响，发现切削速度对边缘缺陷尺寸影响不大，但切削深度对边缘缺陷的高度和长度有显著影响，在切削SiCp/Al材料时应选择尽可能选择较小的切深和较高的切削速度，其模型数值结果与正交切割实验数据相吻合。

图3  SiCp/Al复合材料的棱边形貌缺陷3  小结根据目前有关SiCp/Al材料的切削研究现状，可知应用超声振动辅助切削技术是提高SiCp/Al材料加工表面质量和改善刀具性能的有效途径之一。但是，在材料表面缺陷、刀具磨损、切屑、切削力和表面加工质量等方面依然存在许多问题亟待解决。因此，针对目前SiCp/Al高效精密加工过程中存在的一些难题，特别是表面质量控制问题，有必要结合超声振动加工的优势，从以下几方面开展深入的研究工作：(1)针对关于SiCp/Al复合材料的刀具材料与刀具磨损问题，进一步研究适合于超声辅助加工SiCp/Al复合材料的刀具材料，探索不同体积分数SiCp/Al材料的刀具磨损机理，以期找到加工SiCp/Al的规律性结论。(2)对SiCp/Al材料切屑的产生过程进行深入理论分析和实证，特别是对于不同碳化硅颗粒含量的SiCp/Al材料切屑的产生机理，目前还没有一致性的结论；对于普通高速铣削SiCp/Al材料铣削力的研究目前已经做了大量实验，发现超声辅助加工切削力小于普通加工，但对于超声辅助加工仿真建模方面还相对较少，未来可对其进行进一步的探索。(3)深入探索超声振动辅助切削过程中SiCp/Al表面质量的控制方法和表面缺陷形成机制，开展超声纵振、纵扭、横振等多种振动方式研究，探索不同振动方式的加工效果。特别是对于棱边缺陷或毛刺的有效控制和表面缺陷的产生过程与产生机制问题，目前还没有可靠的方法或实用的措施可以运用于实际生产，还需要对其表面缺陷形成机制进行理论分析和实证。原载《工具技术》 作者：周柏健  书讯

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