SiCp/Al復合材料超聲振動復合切削加工技術研究

江希龍 呂寵 肖正航

（北京空間機電研究所，北京 100076）

1 引言

航空航天飛行器的輕量化、高性能化發展要求材料具有低密度、高比強度、高比剛度、低膨脹、高熱導率等優異的綜合性能[1-2]，傳統的輕質結構材料如鋁合金和鈦合金很難全面滿足上述要求。例如，鋁合金較低的剛度和較大的熱膨脹系數，鈦合金較大的密度和極差的導熱系數等，這些材料部分性能的不足極大地限制了在應力載荷和溫度交變載荷作用下關鍵零部件的選材。

近年來，SiC顆粒增強鋁基復合材料引起了廣泛的關注，SiC顆粒與鋁合金的復合使顆粒增強鋁基復合材料展現出優異的性能，如低密度、高的比強度和比剛度、高彈性模量、耐磨性能好、高熱導率和低熱膨脹系數，在航空航天領域得到廣泛關注[3-5]。

SiCp/Al復合材料中的增強顆粒SiC硬度高（HV2800～3000），高于常用的刀具硬度，屬于典型的難加工材料。目前，國內對該類鋁基復合材料切削加工工藝的研究十分薄弱，現有的國內外文獻僅對碳化硅含量在20%左右的復合材料加工工藝進行了研究。而對體積含量在40%～70%的高體積分數SiCp/Al復合材料的精密加工工藝研究在國內還是個空白點，國外也未見詳實的報道[6]。

本文利用自行研制的超聲振動復合切削加工設備，對55%體積分數SiCp/Al復合材料的精密切削加工工藝進行了研究。

2 SiCp/Al復合材料加工特點

SiCp/Al復合材料以顆粒狀SiC為增強相，以鋁及其合金為基體材料，其中的SiC顆粒增強體的硬度很高，高于常用的刀具硬度，加工時刀具后刀面磨損嚴重，切削力和摩擦力大，加工工藝性差，主要表現在以下幾個方面[7-8]：

1）刀具磨損劇烈，加工成本高；

2）在已加工表面上存在各種缺陷，難以獲得高質量的加工表面；

3）干式切削加工中會產生積屑瘤，影響加工精度及表面質量；

4）切削過程中脫落、破碎的硬質增強顆粒與切削液混合，對機床產生不良影響；

5）磨削加工時其中的鋁合金基體容易膩死砂輪；

6）電火花加工等特種加工技術的應用范圍有限，且加工效率低。

目前，切削加工仍然是對顆粒增強金屬基復合材料的主要加工方法；磨削加工應用于SiCp/Al復合材料加工的報導不多；電火花、激光加工等特種加工技術在顆粒增強金屬基復合材料加工方面有一定應用，但在加工質量和效率上還有待進一步提高[9]。加工效率低下、成本高昂、加工質量難以控制等問題在很大程度上限制了此類材料的推廣應用。

3 超聲振動復合加工機理

旋轉超聲振動切削加工技術是在傳統超聲加工技術基礎上發展起來的一種新型加工方法，該方法不同于傳統超聲加工技術，采用拷貝式加工法——即利用形狀拷貝原理，通過懸浮磨料對工件的沖擊、拋磨及由此產生的空化作用來去除材料，將工具的形狀復制在工件上[10]。旋轉超聲振動切削加工技術采用燒結或電鍍金剛石刀具，磨粒固著在刀具表面，加工過程中不再使用懸浮磨粒，刀具既作超聲振動，同時又繞本身軸線高速旋轉（加工示意見圖1）。在加工過程中，刀具中的金剛石磨粒不斷地沖擊和劃擦工件表面，把工件材料粉碎成很小的微粒，用切削液來帶走被加工材料微粒。超聲振動復合切削加工技術具備加工效率及加工精度高、適應性強（不受加工特征形狀限制）等特點，能夠解決復雜型腔加工難題。

SiCp/Al復合材料的晶相組織如圖2所示，圖中的黑色物質即為SiC顆粒，從圖中可看出，SiC顆粒彌散分布在鋁合金基體中。SiC顆粒的存在使SiCp/Al復合材料難以切削加工，是造成刀具的快速磨損甚至損壞的直接原因。采用超聲振動復合加工，刀具在超聲頻的作用下快速沖擊加工表面，使SiC顆粒粉碎成很小的微粒，最終通過切削液及刀具的旋轉帶走微粒，實現該材料的切削加工。

4 超聲振動復合加工試驗

4.1 試驗設備及組成

為解決SiCp/Al復合材料常規切削加工精度及表面質量差的問題，研制了專用的超聲振動復合切削加工設備，該設備由超聲波發生器、超聲振動系統、機床本體等3部分組成。

4.1.1超聲波發生器

超聲波發生器亦稱為超聲電源或超聲頻率發生器，其作用是將220V、50Hz的交流電轉變為一定功率的超聲頻電振蕩信號，以提供工具往復運動和去除被加工材料所需的能量。本文選用的超聲波發生器功率在0～300W范圍內可調，通過調節超聲波發生器輸出功率，可以獲得相應的刀尖振幅。

4.1.2超聲振動系統

超聲振動系統是將超聲波發生器產生的超聲頻電能轉換成超聲振動機械能的裝置，主要由刀柄、換能器、變幅桿等幾部分組成，結構如圖3所示。

圖3 超聲振動系統結構示意圖Fig.3 Sketch of ultrasonic vibrational system structure

該系統中錐柄的主要功能是實現整個裝置與機床主軸的連接、旋轉加工扭矩的傳遞及超聲振動系統的固定，本文采用的錐柄規格為SK50標準錐柄；換能器采用夾心式壓電陶瓷換能器；變幅桿采用圓錐過渡的復合式階梯變幅桿。

4.1.3刀具

不同于常規切削加工采用高速鋼、硬質合金、CBN材料的刀具或金剛石鑲片刀具，超聲振動復合加工采用的是電鍍聚晶金剛石（PCD）刀具。該刀具采用電鍍方法在刀桿表面沉積一層（或多層）含有金剛石磨粒的鍍層。因鍍層中的金剛石磨粒硬度極高，加工時可將切削刃對材料的切削轉化為金剛石磨粒對材料的磨削作用，非常適合SiCp/Al復合材料的加工。

4.1.4機床本體

本試驗機床本體采用DMU125P數控加工中心，該設備為帶有B軸的4軸4聯動數控加工中心，主要技術參數如下：

1）主軸轉速：0～12 000r/min；

2）主軸回轉精度：0.01mm；

3）定位精度：0.008mm；

4）重復定位精度0.005mm。

4.2 試驗方案

本試驗選用體積分數為55%的SiCp/Al復合材料作為研究對象，通過切削加工試驗，重點研究超聲加工與普通加工切削力的變化及兩種加工方法對加工表面質量的影響，最終采用兩種方法分別加工典型樣件，對樣件的加工精度進行比對及分析。

5 試驗結果分析與討論

5.1 切削力試驗研究

在切削加工中，切削力是決定加工質量的最根本因素。本文對超聲切削與普通切削加工Sip/Al復合材料時的切削力進行了分析，分別給出了切削速度、進給速度、切削深度與切削力的關系曲線。為了便于測量和分析，本文采用周向切削力和軸向力來表征切削力。

（1）切削速度對切削力的影響

切削參數：進給速度100mm/min，切削深度0.2mm，刀具直徑8mm。切削速度對切削力的影響如圖4所示，分別給出了周向切削力和軸向力隨主軸轉速的變化曲線。

試驗結果表明，隨主軸轉速增大，周向切削力和軸向力減小，這是因為主軸轉速增大，切削線速度增加，刀具每轉切削量減小，切削阻力減小，切削力隨之減小。

（2）進給速度對切削力的影響

切削參數：主軸轉速3 000r/min，銑削深度0.2mm，刀具直徑8mm。進給速度對切削力的影響如圖5所示。

試驗結果表明，隨進給速度增加，超聲切削與普通切削的切削力都相應上升，這是因為進給速度增加，刀具每轉切削量增大，銑削抗力也增大。

（3）切削深度對切削力的影響

切削參數：主軸轉速3 000r/min，進給速度100mm/min，刀具直徑8mm。切削深度對切削力的影響如圖6所示。

試驗結果表明，隨切削深度增加，切削力也隨之增大。

通過對圖4～6的分析可知，超聲切削的切削力尤其是軸向力比普通切削低20%～60%。這說明加入超聲振動的切削加工可以大大降低切削力，這對于降低切削溫度，提高加工表面質量，延長刀具使用壽命具有非常重要的作用。為了控制切削力，提高加工表面質量，超聲振動銑削應提高切削速度，減小進給速度和切削深度，但是要綜合考慮加工效率問題，合理選擇切削參數，同時滿足加工效率和表面質量要求。

5.2 加工表面質量分析

SiCp/Al復合材料由超硬的SiC顆粒和軟質的鋁合金基體組成，兩種物質在物理、力學特性上有很大的差異，導致二者在切削加工中有不同表現，給加工帶來一定困難，并且在加工表面容易形成各種缺陷，如孔洞、裂紋、凹坑等，從而影響工件表面質量。通過對普通切削和超聲切削加工的SiCp/Al復合材料試件的表面微觀結構進行觀察和分析，證明了超聲振動切削加工技術對于提高SiCp/Al復合材料的加工表面質量具有明顯的優勢。

切削加工過程中SiCp/Al復合材料中SiC顆粒的去除方式主要有3種：直接切斷、壓入和拔出。但是對于超聲切削與普通切削加工這兩種加工方法，材料去除方式存在的概率有相當大的差別。切削加工SiCp/Al復合材料時SiC顆粒的去除方式如圖7所示。

圖7（a）為SiC顆粒直接切斷型的SEM照片，切斷現象是由于鋁基體材料強度較低，剪切力遠大于顆粒與基體之間的粘結力，并且瞬時能量高形成的。圖7（b）為SiC顆粒壓入型的SEM照片，從圖中可見，SiC顆粒被壓切粉碎之后留在了工件已加工表面上，這種顆粒去除方式多出現在刀具磨損后。圖7（c）為SiC顆粒拔出型的SEM照片，拔出現象是由于顆粒承受的剪切力大于顆粒與基體之間的粘結力而造成的，但瞬時能量較低，其剪切力不足以將硬質顆粒切斷。

圖8 SiCp/Al試件表面微觀結構的SEM照片Fig.8 SEM photo of SiCp/Al specimen surface microstructure

圖8為55%體積分數SiCp/Al試件表面微觀結構的SEM照片。從圖中可以看出，超聲切削時，SiC顆粒主要以直接切斷為主，而普通銑削時SiC顆粒主要以拔出和壓入為主。這是因為在超聲振動銑削過程中，由于附加了超聲振動，在刀尖部位聚集了極大的能量，再加上瞬時沖擊，高強度顆粒可以很容易被切斷，從而有效地避免了拔出或壓入。

另外，從圖8中還可以看出，超聲振動銑削加工的材料表面的塑性流動不明顯，而普通銑削加工的材料表面塑性流動清晰可見，這種塑性流動是由于加工過程中刀具對材料表面的擠壓力造成的。塑性流動越明顯，說明刀具對材料表面的擠壓力越大。超聲振動銑削加工由于切削力小，所以塑性流動不明顯，表面質量明顯優于普通銑削加工。

5.3 加工精度對比

為了驗證普通切削加工與超聲振動復合切削加工的差別，試驗過程中設計了典型試件進行切削加工試驗，試件結構如圖9所示。

圖9 試件結構圖Fig.9 Structure of specimen

試件加工后對圖9中A-F面進行了形位精度檢測，檢測結果如表1所示。

表1 超聲切削加工與普通切削加工精度數據對比Tab.1 Precision comparison between ultrasonic vibrational combined cutting and conventional cutting

試驗結果表明，超聲切削加工可獲得比普通切削加工更高的形位精度及表面粗糙度。SiCp/Al復合材料普通切削加工精度差主要是由于加工過程中刀具磨損所致，表面粗糙度差主要是由于SiC顆粒的壓入與拔出所致，超聲振動復合切削加工降低刀具切削力，延長刀具使用壽命，加工表面質量優，適合于SiCp/Al復合材料的精密加工。

6 結束語

本文研究的超聲振動復合切削加工技術即固著磨料形式的超聲振動旋轉加工技術，具有切削力小、加工表面質量好、形位精度高、刀具磨損小等優點，適合于SiCp/Al復合材料等典型硬脆材料的精密加工，解決了SiCp/Al復合材料加工精度不足、效率低下、加工質量難以控制等瓶頸問題，為此類材料在我國航天產品上的廣泛應用提供借鑒和參考。

（References）

[1] 李成功，傅恒志，于翹.航空航天材料[M].北京：國防工業出版社，2002.LI Chenggong，FU Hengzhi，YU Qiao.Aerospace Materials[M].Beijing：National Defence Industry Press，2002.（in Chinese）

[2] Geiger A L，Walker J A.The Processing and Properties of Discontinuously Reinforced Aluminum Composites[J].JOM，1991（8）：8-15.

[3] Parka B G，Crosky A G，Hellier A K.Fracture Toughness of Microsphere Al2O3-Al Particulate Metal Matrix Composites[J].Composites：Part B，2008，39：1270.

[4] Chen S H，Wang T C.Size Effects in the Particle-reinforced Metal-matrix Composites[J].Acta Mech，2001，157：113.

[5] Pandey A B，Majumdar B S，Miracle D B.Deformation and Fracture of a Particle Reinforced Aluminum Alloy Composite：PartⅠExperiments[J].Metall Mater Trans A，2000，31A：921.

[6] 王大鎮，馮培鋒，趙青亮，等.航天鋁基復合材料零部件超精密加工技術研究[J].宇航學報，2006（6）：1341-1346.WANG Dazhen，FENG Peifeng，ZHAO Qingliang，et al.Study on the Ultraprecision Machining Technology of Aluminum-matrix Composite Astronautic Parts[J].Journal of Astronautics，2006（6）：1341-1346.（in Chinese）

[7] 全燕鳴，解麗靜，于啟勛.鋁基SiC顆粒加強復合材料的切削加工研究[J].工具技術，2000，34（增）：16-19.QUAN Yanming，XIE Lijing，YU Qixun.Study on Cutting Performance of SiCp/Al Composite[J].2000，34（supplement）：16-19.（in Chinese）

[8] 李丹，閆國成.顆粒增強鋁基復合材料銑削加工實驗研究[J].現代制造工程，2007（3）：15-17.LI Dan，YAN Guocheng.Experimental Study on Milling Machining of Particle-reinforced Aluminium Matrix Composites[J].Modern Manufacturing Engineering，2007（3）： 15-17.（in Chinese）

[9] 李德溥，姚英學，袁哲俊.顆粒增強金屬基復合材料的特種加工研究現狀[J].機械制造，2006，44（10）：65-67.LI Depu，YAO Yingxue，YUAN Zhejun.Status of Research on Non-conventional Machining of Particle-reinforced Metal-base Composites[J].Machinery，2006，44（10）： 65-67.（in Chinese）

[10] 郭昉.超聲振動在非金屬硬脆材料加工中的應用[J].新技術新工藝，2009（9）：14-19.GUO Fang.The Applications of Ultrasonic Vibration on Machining Technologies for Nonmetal Hard and Brittle Materials[J].New Technology&New process，2009（9）： 14-19.（in Chinese）