SiCp/Al復合材料高速切削去除機理及表面質量研究

房玉鑫，王優強，張平，王雪兆

SiCp/Al復合材料高速切削去除機理及表面質量研究

房玉鑫1,2，王優強1,2，張平3，王雪兆1,2

（1.青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266525；2.工業流體節能與污染控制教育部重點實驗室，山東 青島 266520；3.華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237）

探究高速加工下SiCp/2024Al復合材料切屑形成機理及加工表面質量情況，為改善該材料加工性能提供理論依據。設計高速正交銑削實驗，對SiCp/2024Al復合材料進行不同切削速度下的高速加工，并通過對切屑形態、切削力、切削能耗、加工表面形貌及加工硬化情況進行分析，探明高速加工下材料去除機理及加工表面質量變化。在較低速度下復合材料的切屑形成過程為第一變形區的剪切變形和SiC顆粒破碎，切屑形態為鋸齒狀；切削速度在300～800 m/min時，隨著速度的提高復合材料切屑連續性下降，切削速度在1 000 m/min時，復合材料韌脆性能發生轉變，切屑呈現崩碎狀；切削力在切削速度300～1 000 m/min時，隨速度提高明顯減小，主切削力由300 m/min時的320 N左右下降至1 000 m/min時的180 N左右，切削能耗顯著降低；失效的SiC顆粒破壞加工表面質量，而高速加工對表面質量有一定改善，切削速度由300 m/min 提高到1 000 m/min時，表面粗糙度由0.68 μm下降至0.47 μm，加工硬化深度也隨切削速度提高而減小。在一定條件下，高速加工有助于改善SiCp/2024Al復合材料的加工性能，其動態力學性能將發生變化，切削力和切削能耗下降，加工表面變形程度降低、質量提高。

SiCp/Al復合材料；高速加工；表面質量；加工硬化

SiCp/Al復合材料作為一種顆粒增強鋁基復合材料，具有高的比強度和比模量，優良的導電導熱性及低熱膨脹系數等特性，在航空航天、汽車及電子封裝等領域有著廣闊的應用前景[1-3]。碳化硅（SiC）增強顆粒的加入使得復合材料的力學性能有明顯改善，但在加工中也相應導致了嚴重的刀具磨損和差的加工表面質量，使得該材料加工難度大、成本高。目前，SiCp/Al復合材料主要應用于航空航天領域，這對加工表面質量和尺寸精度提出了更高的要求。同時，零部件的表面質量對服役壽命有著重要影響，而SiCp/Al復合材料的加工表面廣泛存在因顆粒失效導致的缺陷，這是一直以來阻礙該材料推廣的難點之一，并且在中高體積分數的SiCp/Al復合材料中更為嚴重（見圖1）。因此，需要探索一種先進加工技術以改善SiCp/Al復合材料的加工性能，這對推廣該材料的工業應用，推進該材料精密加工技術的進一步發展具有積極意義。

圖1 SiCp/Al復合材料加工表面（300 m/min，切深0.05 mm）

通過實驗方法觀察材料動態變形過程存在一定局限性，由此有限元技術被廣泛用于研究復合材料的切屑形成機理。Teng等[4]和Wu等[5]通過仿真方法研究了SiCp/Al復合材料在100 m/min左右切削速度下切屑形成過程中的應力應變場及變形機制，認為SiC尺寸影響切屑的連續性，顆粒破碎是影響表面完整性的主要原因，強化了對復合材料變形和去除機制的理解；葛英飛等[6]研究了SiCp/Al復合材料在超精密車削條件下的切屑形成機制，其切削實驗速度為117 m/min，發現切屑呈現鋸齒狀，認為微裂紋的形成和擴展，以及剪切角的周期變化是形成這種切屑的主要機制。表面質量決定加工精度，影響表面疲勞壽命，SiCp/Al復合材料與傳統勻質材料相比，SiC顆粒在加工中會與刀具產生更復雜的接觸，導致嚴重的刀具磨損并損傷加工表面[7-8]。Wang等[9-10]對固定加工速度（100 m/min左右）下SiC顆粒的破碎過程進行了模擬研究，并討論了顆粒失效對表面形貌的影響，認為顆粒失效是形成表面缺陷的重要原因；Wang等[11]對SiCp/Al復合材料高速銑削后的三維粗糙度進行了實驗研究，其最高實驗速度為450 m/min，認為切削速度是主要影響因素，進給率和切削深度對粗糙度影響不大，但在該研究中銑削速度仍然較低。此外，對高速銑削SiCp/Al復合材料溫度場和刀具磨損的研究表明，切削速度對切削溫度的影響最為顯著，切削深度次之，通過合理選擇切削參數可以延長刀具壽命[12]，改善加工表面質量。可以看出，盡管前人對SiCp/Al復合材料切削性的研究推動了該材料加工工藝的進步，但目前對SiCp/Al復合材料的車銑加工性能及材料變形和失效機理的研究還主要集中在較低的加工速度，對SiCp/Al復合材料的高速加工性能研究并不全面，其高速加工性能的機理研究尚處于起步階段，加工速度主要集中在500 m/min[13-16]以下。

對高效高質量加工的需求促進了高速切削技術的發展，不斷涌現的新型高強度材料對加工工藝也提出了更高的要求，新型顆粒增強復合材料等非勻質材料的高速加工性能研究仍需擴展，研究非勻質材料的高速加工性能已成為高質量高效加工技術的一大發展方向[17]。而更高的切削速度對應更高的應變率，高應變率下材料的動態力學響應存在差異，表面加工質量也會受影響，因此，復合材料在更高應變率即更高切削速度下的加工性能及去除機理需要進一步探究。為此，旨在探究SiCp/Al復合材料在更高切削速度下的材料去除機制及表面質量情況，對高速加工下的切屑形態、表面形貌和粗糙度、加工硬化情況進行比較分析，討論該材料的高速加工性能，為該材料加工工藝的優化，提高效率、降低成本提供一定的參考。

1 實驗條件及方案

研究所用材料為SiCp/2024Al復合材料，其微觀結構見圖2，SiC顆粒體積分數為45%，平均粒徑為5 μm，工件尺寸為30 mm × 20 mm × 3 mm。加工設備采用三菱MV820數控銑削機床，采用干切削加工。采用正交高速銑削加工，使刀片的切削刃與主軸方向平行，并保證切削刃的寬度大于工件厚度。使用TPMN2204型PCD刀片進行高速銑削加工，刀具前角為0°，后角為11°，加工示意見圖3。高速加工實驗方案見表1，在固定切削深度和每齒進給量下，通過改變切削速度，探究復合材料的高速加工性。

對高速加工后的SiCp/2024Al復合材料材料去除機理以表面質量進行分析，搜集不同切削速度下的切屑并進行鑲嵌，利用掃描電子顯微鏡觀察分析其斷裂機制；利用JD520型表面粗糙度儀測量加工表面粗糙度；用HV-1 000顯微硬度計測量亞表層顯微硬度。

圖2 SiCp/Al復合材料微結構

圖3 高速切削實驗配置

表1 高速銑削方案

Tab.1 Experimental scheme of high-speed milling

2 結果與分析

2.1 切屑成型機制

圖4所示為不同銑削速度下切屑的宏觀和微觀形貌，可見切屑呈現出鋸齒狀形貌，并且鋸齒化程度隨切削速度提高逐漸加劇，至切削速度為1 000 m/min時切屑形貌表現為單個鋸齒節的崩碎狀。隨著切削速度提高，剪切帶逐漸從切屑自由表面延伸至切屑內部，切屑的連續性隨切削速度提高而下降。

在加工中，SiCp/2024Al復合材料受刀具的擠壓，在較低的加工速度下刀具前刀面上材料受擠壓而產生堆積變形，同時，剪切面自刀尖處開始形成并不斷擴展。另外，在中高體積分數的SiCp/Al復合材料中包含更多的SiC顆粒，位于第一變形區的顆粒因自身缺陷或承受基體剪切變形而發生破碎，觀察圖4中切屑微觀形貌（1 000×）可知，剪切帶內存在更細小的SiC顆粒，表明顆粒發生了更劇烈的破碎，導致剪切面內產生更多微觀缺陷，從而加速第一變形區失穩。由于切屑自由表面不受外力作用，并且受前刀面上材料堆積的影響，沿剪切面與自由表面交匯處會產生隆起并導致韌性斷裂，產生的裂紋從自由表面沿剪切面向切屑內部擴展，而由于受刀具的擠壓，裂紋在靠近刀尖處停止擴展，這樣周而復始最終形成鋸齒狀切屑，其鋸齒狀切屑形成機理符合周期性斷裂理論[18]。同時，在剪切變形過程中產生的溫升會使材料強度下降，SiC顆粒破碎產生的局部微觀缺陷及熱軟化作用共同使第一變形區剪切抗力下降，促進了剪切滑移，導致切屑呈現鋸齒狀形貌。

圖4 SiCp/Al復合材料切屑形貌

隨著切削速度提高，去除層材料內會產生更高的應變率，并影響材料的屈服強度、拉伸強度和工件的散熱等。已有研究表明，隨應變率的提高，材料的屈服強度和抗拉強度會提高并不斷接近，材料的屈服強度與抗拉強度比逐漸接近1，導致材料的塑性下降，脆性增強，從而逐漸發生韌脆性能轉變[19-20]。而切屑形態是復合材料動態力學響應的結果，當切削速度提高到1 000 m/min時，高應變率下材料的動態力學性能發生轉變，去除層材料的塑性下降，脆性增強，并且剪切變形區內顆粒破碎也會產生更多微觀缺陷，這樣在高應變率和微觀缺陷共同作用下，切屑連續性下降，切屑形態由鋸齒狀變為單個鋸齒節的崩碎狀。由圖4可知，在切削速度為1 000 m/min時，復合材料發生韌脆性能轉變，SiCp/Al復合材料進入超高速切削狀態。可見，在較低加工速度下SiCp/Al復合材料切屑形成機制為第一變形區材料的局部剪切變形和SiC顆粒的破碎，隨切削速度提高，切屑逐漸脆斷，切削形貌也由鋸齒狀切屑逐漸變為崩碎狀。

2.2 切削速度對切削力的影響

通過壓電式三向測力儀采集整個加工期間的切削力數據，即切削力隨時間的變化，在穩定切削階段內，不同切削速度下切削力和單位切削能隨時間的變化規律見圖5。由圖5可知，切削速度對切削力有顯著影響，在一個切削周期中切削力峰值隨切削速度增加而不斷減小，在且隨切削速度增加切削力的變化周期越來越短。從動力學角度講，切削力降低和主軸轉速的提高都有利于提高機床的穩定性，這有利于提高工件的加工質量。一般認為，在更高切削速度下，第一變形區產生的熱量沒有足夠的時間向外傳導，使去除層材料因溫升導致的熱軟化效果增強，流動應力下降；同時，刀屑接觸面之間的摩擦加劇，摩擦界面的溫度升高，摩擦力下降[21-22]，這導致剪切角增大，且在高應變率下材料逐漸脆化，塑性變形帶來的應變硬化效果減弱。綜合上述作用，切削力表現出隨切削速度提高而減低的趨勢。此外，根據單位切削能計算公式，見式（1），可得出在每齒進給量和切削寬度固定的條件下，切削力隨切削速度提高而降低，使單位切削能降低（圖5d），由此可知高速加工可顯著降低能耗。

圖5 不同切削速度下切削力變化

式中：e為單位切削能；為切削速度；0為切削功率；c為切削力（切削力峰值）；c為切削深度；w為切削寬度。

2.3 高速切削對表面粗糙度的影響

圖6所示為不同切削速度下的加工表面形貌，可見加工表面有大量的凹坑、劃痕及基體撕裂，且隨著切削速度增大，表面大凹坑數量減少，表面質量得到一定的改善。SiC顆粒在加工中與刀具存在復雜的相互作用[7]，處于切削路徑的顆粒會與刀具發生直接接觸或者間接作用而失效，失效的顆粒一部分隨著切屑被去除，另一部分遺留在加工表面，導致表面出現顆粒碎片和凹坑，并且脫落的顆粒碎塊在加工表面的滑動會產生劃痕，因此認為，表面缺陷主要是由顆粒破碎、脫落及基體撕裂導致的。在圖6中，右側為左側對應的加工表面局部放大圖，其中的大凹坑為團聚的顆粒斷裂后集中脫落導致的，并且凹坑內部殘留有開裂的顆粒，這會在加工表面引入亞表面損傷，斷裂后的顆粒碎塊在去除過程中也會對基體進行犁削，從而在表面引起犁溝和劃痕，因此顆粒失效會惡化表面質量。

圖6 SiCp/Al復合材料加工表面形貌

隨著切削速度進一步提高，加工中產生的高溫及切削刃鈍圓半徑的存在，會導致切削刃及后刀面對加工表面存在一定的熨壓作用，使部分表面缺陷被重新封閉或覆蓋，這對加工表面形貌有一定的改善，而熨壓作用在高切削速度下更為明顯。此外，高應變率下材料的塑性下降，加工表面的塑性變形程度也降低，當切削速度提高到1 000 m/min時，表面大凹坑的數量明顯減少。用粗糙度計對表面平均粗糙度進行測量，結果如圖7所示，隨著切削速度提高，表面平均粗糙度明顯降低，可見提高切削速度能降低SiCp/2024Al復合材料的表面粗糙度。

圖7 加工表面粗糙度

2.4 高速切削對加工硬化的影響

加工硬化可以反應表面塑性變形程度，影響著表面疲勞性能和服役壽命。為探究切削速度對加工硬化的影響，沿垂直于加工表面向內每隔25 μm測量平均顯微硬度，直到硬度收斂于穩定值（即未受加工硬化影響的材料硬度），結果如圖8所示。由圖8可知，復合材料存在明顯的加工硬化現象，在300 m/min切削速度時硬度呈現出先增加后降低并趨于穩定的規律，在500～1 000 m/min切削速度下表層硬度呈現出隨深度增加先下降后回升再下降并趨于穩定的“W形”變化規律。切削速度為300 m/min的加工硬化峰值深度為150 μm左右，切削速度增加至500 m/min時最大硬化層深度增加，在切削速度500～1 000 m/min范圍內，加工硬化峰值層的深度逐漸降低，加工硬化層變淺，即隨切削速度提高，加工表面硬化現象減弱。

圖8 切削速度對加工硬化的影響

加工硬化是工件表面層塑性變形和切削熱共同作用的結果，由于刀具并非絕對鋒利，后刀面會對加工表面產生一定的擠壓，在切削熱的共同作用下，加工表面金屬會產生一定的彈塑性變形，在該過程中晶粒得到細化，硬度得到一定提升。

隨著切削速度從300 m/min提高到500 m/min，切削刃和后刀面對加工表面的熨壓使塑性變形程度增大，晶粒進一步細化，這導致表面加工硬化效果增強；同時，在高應變率下復合材料動態力學性能變化除了體現在切屑形貌上外，對加工表面硬化情況也存在一定的影響，應變速率提高導致材料塑性變形能力下降，加工硬化層變淺，應變硬化作用降低。另外，在加工中的變形和摩擦導致溫升也可能使表面層金屬發生回復或動態再結晶，使表層金屬的加工硬化效果得到釋放，并且在不同的加工參數下加工表面層的塑性變形和溫度會存在較大的變化梯度，因而對加工硬化的貢獻度也不同，從而出現不同程度的加工硬化。由圖8中的硬度曲線分析可知，加工硬化峰值層并不位于加工表面，這是由于加工表面映像力的作用，靠近加工表面的位錯有溢出表面的趨勢，從而導致位錯密度最大的塑性變形層出現在加工表面下一定深度的位置，該現象在文獻[23]中也有相似的解釋。隨著亞表層深度的增加，復合材料的彈塑性變形和溫度逐漸降低，硬度最終趨于穩定值。

3 結論

針對SiCp/Al復合材料進行了高速切削實驗，對其高速切削后的切屑形成機理、切削力、表面粗糙度和加工硬化規律進行了研究。

1）在較低加工速度下，SiCp/Al復合材料切屑形成機制為第一變形區材料的局部剪切變形和SiC顆粒的破碎，隨切削速度提高，切屑逐漸脆斷，切削形貌也由鋸齒狀切屑逐漸變為崩碎狀。

2）切削力隨切削速度增大逐漸減小，單位切削能隨切削速度提高顯著降低，高速加工可以有效降低切削能耗。

3）在高速加工條件下，表面形貌和加工硬化得到改善。表面粗糙度和加工硬化層深度隨切削速度增加而降低。

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High-speed Cutting Removal Mechanism and Surface Quality of SiCp/Al Composites

1,2,1,2,3,1,2

(1. Qingdao University of Technology, School of Mechanical and Automotive Engineering, Shandong Qingdao 266525, China; 2. Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control, Ministry of Education Qingdao, Shandong Qingdao 266520, China; 3. East China University of Science and Technology, School of Mechanical and Power of Engineering, Shanghai 200237, China)

SiCp/2024Al composites, which are particle-reinforced aluminum matrix composites, have the advantages of high specific strength and specific module, high hardness, excellent wear and corrosion resistance, etc., and have a broad application prospect in the aerospace field, but they also have issues such as serious tool wear and poor surface quality in their machining due to the hard particle-reinforced phase, making them difficult to machine, whereas high-speed machining, as an advanced manufacturing technology, is a highly advantageous technical means for the machining of difficult-to-machine materials in addition to high machining efficiency and precision. Therefore, high-speed orthogonal milling experiments were conducted in this paper for 45% volume fraction SiCp/2024Al composites to compare their machinability over a wide range of cutting speeds and to analyze their chip formation mechanism and machined surface quality under high-speed machining.

High-speed orthogonal milling experiments on flake SiCp/2024Alcomposites were conducted by controlling the cutting speed in the speed range of 300-1 000 m/min. In the experiments, the cutting edge of the insert was made parallel to the spindle direction, and the width of the cutting edge was ensured to be larger than the thickness of the workpiece. The chip morphology, cutting force, cutting energy consumption, machined surface morphology and machining hardening were collected and monitored to investigate the material removal mechanism and machining surface quality changes under high-speed machining in order to analyze the high-speed machinability of SiCp/2024Al composites. The experimental results show that the chip formation process of composites at lower cutting speeds consists of shear deformation and SiC particle fragmentation in the primary deformation zone, and the chip morphology is serrated. In the cutting speed range of 300-800 m/min, the chip continuity of composites decreased as the speed increased, and the composites underwent a ductile-to-brittle transition at 1 000 m/min, and the chips gradually appeared to be fragmented. The cutting force in the cutting speed range of 300-1 000 m/min decreased significantly as cutting speed increased, and the main cutting force decreased from about 320 N at 300 m/min to about 180 N at 1 000 m/min, and the cutting energy consumption also decreases significantly with the increase of cutting speed, the cutting energy consumption decreases from 1.07 GJ/m3at 300 m/min to 0.62 GJ/m3at 1 000 m/min. The failed SiC particles damaged the machined surface, while the high-speed machining improved the surface quality. With a cutting speed of300-1 000 m/min, the surface roughness decreases from 0.68 μm to 0.47 μm, and the machining hardening depth also decreases with the increase of cutting speed.

High cutting speed corresponds to higher strain rate, summarize the above findings, the dynamic mechanical behavior of the composites changes under high-speed machining, and the material undergoes a ductile-to-brittle transition,which affects the degree of deformation of the removed layer material and the machined surface, resulting in a decrease in chip continuity, increased brittleness, and the cutting force and cutting energy consumption decrease. The deformation of the machined surface decreases, and the surface quality improves, so high-speed machining under certain conditions can help improve the machinability of SiCp/2024Al composites.

SiCp/Al composites; high-speed machining; surface quality; working hardened

TG506.1

A

1001-3660(2022)10-0293-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.031

2021–10–20；

2022–02–12

2021-10-20；

2022-02-12

國家自然科學基金項目（51575289，51705270）；山東省自然科學基金項目（ZR2019PEE028）

The National Natural Science Foundation of China (51575289，51705270); the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2019PEE028).

房玉鑫（1996—），男，碩士，主要研究方向為金屬基復合材料高速加工及摩擦學性能。

Yuxin Fang (1996-), male, M.S., is mainly interested in the high-speed machining and tribological properties of metal matrix composites.

王優強（1970—），男，博士，教授，主要研究方向為先進制造技術。

Youqiang Wang (1970-), male, Ph.D., Professor, whose main area of research is advanced manufacturing technology.

房玉鑫, 王優強, 張平, 等. SiCp/Al復合材料高速切削去除機理及表面質量研究[J]. 表面技術, 2022, 51(10): 293-300.

FANG Yu-xin, WANG You-qiang, ZHANG Ping, et al. High-speed Cutting Removal Mechanism and Surface Quality of SiCp/Al Composites[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 293-300.

責任編輯：彭颋