高體積分數SiCp/A1復合材料電解-機械組合低磨損加工方法研究

關鍵詞：鋁基碳化硅復合材料；電解加工；工具磨損；金剛石磨棒

中圖分類號：TG662

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.012 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Low Wear Machining Method of High Volume Fraction SiCp/Al Composite Materials by ECM-mechanical Combined Machining Processes Method

HE Bin*ZHOU Xingyu LU Hongyu ZHANG Junfei DING Kai LI Qilin LEI Weining School of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou，Jiangsu，213001

Abstract： To improve the problems of tool wear，poor surface quality and low machining efficiency of aluminum-based silicon carbide（SiCp/Al） composites with high volume fraction under conventional machining，an ECM-mechanical combined machining method was proposed，and the ECMmechanical combined machining experiments of 60% volume fraction SiCp/Al composites were carried out. The results show that SiC particles are exposed on the surfaces with the removal of aluminum matrix.There is a certain depth of transition zone between the surface of the workpiece and the matrix after ECM，the aluminum matrix in the transition zone is locally removed，and the binding force of SiC particles is reduced. When the diamond grinding rod is used for machining the transition zone，the aluminum matrix adhesion phenomenon is not observed，the diamond grinding rod has almost no wear，and the surface damages are obviously reduced. The machinability of high volume fraction SiCp/Al composites may be improved by ECM-mechanical machining processes.

Key words： aluminum-based silicon carbide composites（SiCp/Al）； electrochemical machining （ECM） ；tool wear;diamond grinding rod

0 引言

鋁基碳化硅（SiCp/AI）復合材料以鋁（AI）金屬為基體，碳化硅（SiC）顆粒為增強相，具有強度高、耐磨性優、密度小、膨脹率低、導熱性強等特性，廣泛應用于航空航天、汽車工業、機械設備制造、電子電氣、輕量化應用等領域[1-4]。然而，SiCp/Al復合材料優異的性能也導致其精密高效加工較為困難。

國內外學者對SiCp/A1復合材料加工方法進行了大量探究。關佳亮等5對中高體積分數（號 （40%.60% ） SiCp/Al 復合材料進行精密磨削加工研究，發現隨著增強體SiC顆粒體積分數的增大，材料硬度變高，塑性變差，可加工性能降低，加工表面質量逐漸變差。GUO等[]對SiCp/Al復合材料高速磨削的材料去除機理進行研究，發現磨削速度較低時，鋁基體發生嚴重的塑性變形并發生“涂抹\"現象，而SiC顆粒容易被拔出或推開而產生表面凹坑；高速磨削可以提高鋁基體的硬度，抑制其塑性變形，從而降低表面粗糙度。向道輝等研究了高體積分數SiCp/A1復合材料磨削加工砂輪堵塞理論及原因，結果表明磨削

SiCp/Al復合材料時砂輪堵塞類型主要為黏著型堵塞，超聲輔助可以改善砂輪的堵塞狀況，延長砂輪的使用壽命。ZHANG等8對體積分數為20% 的 SiCp/Al 復合材料開展了銑削加工試驗，發現在銑削過程中刀具表面發生粘刀而形成切屑瘤，切屑瘤的不斷生成和消失使切削力不斷變化，導致加工表面形成不規則的缺陷。LIU等通過對體積分數為 45% 的 SiCp/Al 復合材料進行微銑削加工，研究了不同進給率對鋁基體與SiC顆粒去除機制的影響，發現較小的進給率會導致鋁基質未完全去除，而較大的進給率會使SiC顆粒發生脆性斷裂，導致表面缺陷的形成。LIU等[10]對體積分數為 15%.30%.45% 的 SiCp/Al復合材料進行了鉆削試驗，發現隨著碳化硅顆粒體積分數的增大，切削加工性能變差；加工體積分數為 45% 的SiCp/A1復合材料時，孔出口處損傷較為嚴重。

為了避免機械加工中切削力大、鋁基體黏附、工具磨損等問題，可以采用非接觸式加工方法對SiCp/A1復合材料進行加工，如電解加工和激光加工。AO等[11]開展了 20% SiCp/Al復合材料電解加工試驗研究，結果表明在高電壓下可以獲得較高的加工效率，但加工表面較為粗糙，可以觀察到裸露的碳化硅顆粒。LIU等[12]研究了 65% SiCp/A1復合材料電解加工特性，由于碳化硅顆粒不導電，主要被電解液沖刷去除，獲得的加工表面粗糙度值較大。ZHANG等[13]研究了 45% SiCp/Al復合材料納秒激光燒蝕行為，結果表明由于碳化硅的熱導率較高，熱量會迅速傳給鋁基體，導致鋁基體優先于碳化硅顆粒被去除，加工表面形成碳化硅顆粒凸起而鋁基體凹陷的特征，加工表面質量較差。查慧婷等[14]開展了高體積分數鋁基碳化硅復合材料旋轉超聲銑磨加工試驗研究，結果表明超聲振動可有效減小切削力從而減少刀具磨損，但加工表面存在SiC顆粒破碎脫落形成的眾多凹坑。ZHAO等[15]開展了激光輔助微細銑削高體積分數鋁基碳化硅復合材料研究，利用激光照射工件表面使碳化硅顆粒軟化，減少碳化硅對刀具的磨損，實現了微小結構的加工，但加工存在一定的熱影響區。

綜合上述研究可以發現，目前SiCp/Al復合材料加工方法依然存在各種不足，尤其是高體積分數SiCp/A1復合材料的精密高效加工依然是挑戰。為了解決高體積分數SiCp/Al復合材料加工難題，本文提出了SiCp/Al復合材料的電解一機械組合加工方法，利用電解加工去除復合材料中的鋁基體，使碳化硅顆粒裸露在工件表面，減少后續機械加工中的作用力和工具磨損，改善高體積分數SiCp/Al復合材料的加工質量。

1試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗所用工件為碳化硅顆粒體積分數占比為 60% 的SiCp/Al復合材料板材，使用電火花線切割將板材分割為 10mm （長） ×10mm （寬） ×8 mm （高）的工件，采用400號、800號、1200號砂紙進行打磨，然后進行超聲清洗。圖1所示為加工前工件的微觀形貌，可以清晰地觀察到碳化硅顆粒和鋁基體的分布。

1.2 試驗方法

采用自主設計的電解加工裝置進行SiCp/Al復合材料電解加工試驗。如圖2所示，工具陰極材料為304不銹鋼，其底端面尺寸為 10mm （長） x 1.5mm （寬）；絕緣套上端裝在工具陰極的工作段，底端壓緊在工件表面，確保工件只與陰極凸臺表面對應區域被加工；通過調整絕緣套高度控制工具陰極底部與工件表面之間的距離為 2mm ，即初始加工間隙為 2mm 。使用質量分數為 5% 的NaC1水溶液作為電解液，采用側向沖液方式。利用該裝置開展不同參數下電解加工試驗，通過電流傳感器和示波器對加工中電流變化過程進行測量和記錄。

電解加工后的工件使用自主搭建的立銑機進行精加工，所用工具為直徑 2mm 的金剛石磨棒，粒度為120目，主軸轉速為 18000r/min 。每次試驗采用試切法保證磨削加工與電解加工的區域重合。加工后的工件通過掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對加工表面形貌及加工深度進行測量和分析。

2試驗結果及討論

2.1 SiCp/Al 復合材料電解加工結果

為了探究SiCp/A1復合材料電解加工規律，開展了 10V，30V，50V，70V 不同電壓下電解加工試驗，試驗過程采用恒壓模式。圖3所示為不同加工電壓下電流變化過程，可以發現加工電壓為 10V 時，加工電流基本無變化；隨著加工電壓的增大，電流呈現先下降后保持基本穩定的趨勢。這是因為加工中鋁基體被去除，工件表面不導電的碳化硅顆粒比例增加，加工電流逐漸減小，從而電解加工作用逐漸減弱而趨于穩定。本研究中，以每次加工結束前10s內的平均電流值為參考線確定加工電流趨于穩定的時間點。以此方法得到加工電壓 30V，50V，70V 下加工電流進入穩定的時間分別為 40s，60s，70s，

圖4和圖5所示為不同電壓下電流達到穩定時的工件表面形貌。由圖4a和圖5a可以看出，在加工電壓為 10V 時，工件表面加工區不明顯，表明在低電壓下電解作用去除材料較少。當加工電壓為 30V 時，從圖4b中可以清晰地觀察到電解加工范圍，但加工深度較淺；圖5b中的加工區形貌顯示工件表層的鋁已被完全去除，碳化硅顆粒裸露分布在工件表面。當加工電壓增大到 50V 和 70V 時，加工區的深度明顯大于 30V 時的加工深度，表明一定深度的鋁基體和碳化硅顆粒均被去除。由于碳化硅顆粒不導電，因此加工中碳化硅顆粒不可能被溶解去除，而更可能是被電解液沖刷去除。由于電解液沖刷作用有限，故加工區表面依然被裸露的碳化硅顆粒覆蓋。相較于低電壓，高電壓下碳化硅顆粒暴露更充分，且加工表面以大尺寸碳化硅顆粒為主。通過圖6所示的不同電壓下的加工深度和寬度分布可以發現，隨著加工電壓的增大，加工深度和寬度均逐漸增大，表明高電壓下電解加工去除材料的能力增強。

為了進一步研究電解加工SiCp/Al復合材料的材料去除過程，選擇低電壓 10V 和高電壓70V 開展不同加工時間下的電解加工試驗，觀察工件加工形貌的變化過程。如圖7所示，在 10V 電壓下，加工時間較短時僅局部發生基體溶解。隨著加工時間的增加，基體溶解面積逐漸增大；當加工時間增加到120s時，加工表面依然可以觀察到未溶解的鋁基體，碳化硅裸露不明顯。與低電壓下加工不同，在 70V 高電壓下，當加工時間為2s時，表層鋁被明顯去除；加工10s時，加工表面完全被碳化硅顆粒覆蓋，觀察不到鋁基體；隨著加工時間的進一步增加，加工表面殘留較大尺寸的碳化硅顆粒，碳化硅顆粒分布疏松，且顆粒間存在明顯縫隙。

2.2 電解加工后 SiCp/Al 復合材料機械加工結果

為了探究電解加工后SiCp/A1復合材料的機械加工性能，采用直徑為 2mm 的電鍍金剛石磨棒對電解加工后的工件進行加工。為了保證加工的一致性，選擇同一個電解加工后的工件進行多次銑削加工。選擇對圖4d中電解加工（電壓70V 、加工時間 70s） 獲得的凹槽進行3次機械加工，每次磨棒的加工深度相較于工件初始表面分別為 0.25mm，0.35mm 和 0.45mm ，加工結果如圖9所示。由圖6可知，電解加工后凹槽平均深度為 0.17mm ，當第一次以 0.25mm 的加工深度進行加工時，由圖9b可以發現電解加工后疏松分布的SiC顆粒已被去除，但依然可以觀察到裸露的碳化硅顆粒，加工表面粗糙度值 Ra=2.913 μm 。當第二次以更大的加工深度進行加工時，加工表面出現平整區域（圖9c），僅局部存在凹坑，表面粗糙度值 Ra=1.178μm 。當加工深度增大到 0.45mm 時，加工表面均平整（圖9d），表面粗糙度值 Ra=0.423μm 。可以發現，電解加工后的工件隨著機械加工深度的增大表面粗糙度值逐漸減小，表面質量逐漸改善。出現上述現象是因為電解加工作為一種非接觸式加工，不僅可以去除工件表層的鋁基體，還可以去除更深層的鋁基體。由于碳化硅顆粒的阻礙作用，越往材料內部，電解作用越弱，因此，電解加工后的工件加工表面與基體材料之間存在一定的過渡區，只有當機械加工深度足夠時才可以將過渡區完全去除，獲得平整的加工表面。

接下來開展常規機械加工與電解-機械組合加工對比試驗。常規機械加工選擇加工深度為0.25mm 、進給速度為 60mm/min 、加工長度為

10mm 。電解-機械組合加工分別選用 70V，70 S的電解加工參數和加工深度為 0.45mm 進行機械加工。加工后對兩種方法獲得的加工溝槽結果和加工后的磨棒形貌進行觀察，結果如圖10所示。常規機械加工獲得溝槽底面存在明顯的磨棒旋轉痕跡，粗糙度值 Ra=0.634μm ，溝槽上表面存在明顯的飛邊缺陷；電解-機械組合加工獲得溝槽底面平整且無飛邊缺陷，底面粗糙度值 Ra= 0.364μm ，表面質量明顯優于常規機械加工。

由圖11可以發現：常規機械加工的磨棒磨損嚴重，底端的金剛石鍍層完全脫落；在加工區的上端，雖然金剛石鍍層沒有整體脫落，但可以觀察到金剛石顆粒脫落剩下的凹坑，并且局部金剛石存在磨損破碎。這是因為鋁基體具有較強的黏附性，容易黏附在金剛石表面，導致磨棒失去鋒利的切削刃，磨削產生的熱量增加，使磨棒的磨損加劇[16-17]。然而，圖12顯示電解-機械組合加工后的磨棒較為完整，未發生鍍層和金剛石顆粒脫落現象，但金剛石磨粒的切削刃發生輕微磨損。

為了進一步驗證電解-機械組合加工的有效性，對不同加工方法獲得的凹槽底面微觀形貌進行了觀察，結果如圖13所示。可以發現：在常規機械加工下表面（圖13a）基體涂覆不均且存在大量疏松的碎屑；采用電解-機械組合加工方法得到的表面（圖13b）鋁基體均勻涂覆，僅存在微小凹坑；電火花線切割加工表面（圖13c）呈現冷凝重鑄特征，并存在較多的孔洞；納秒激光加工表面（圖13d）存在大量的團簇熔融產物，表面質量較差。因此，對于高體積分數SiCp/Al復合材料，電解-機械組合加工的工件表面損傷明顯小于常規機械加工、電火花線切割和納秒激光加工。

2.3 中 電解-機械組合加工機理討論

由上述研究結果可明晰電解-機械組合加工機理。如圖14所示，在電解加工階段，電解作用主要去除鋁基體，當加工電壓較小時，電解作用只能去除表層較淺的鋁基體，使碳化硅顆粒部分裸露。大的加工電壓可以完全去除表層鋁基體，使碳化硅顆粒裸露并在電解液的沖刷作用下脫落，形成一定的加工深度。對于更深層的材料，電場可以透過碳化硅顆粒間的縫隙去除更深層的鋁基體，形成一定深度的過渡區，同時導致電解加工后表面較為粗糙。后續通過機械加工對過渡區進行加工，可去除電解加工的影響，提高加工表面質量。在加工過渡區材料時，由于鋁已被局部去除，碳化硅顆粒所受基體鋁的束縛較小，加工中更容易被去除，同時發生鋁黏附的概率減小，從而使加工中的切削力和切削熱均小于常規加工。因此，相較于常規方法，電解-機械組合加工方法可以顯著減少工具磨損，延長刀具壽命，提高高體積分數SiCp/A1復合材料的加工質量。

3結論

本文提出了高體積分數SiCp/A1復合材料電解-機械組合加工方法，探究了該方法電解加工規律和電解加工后的機械加工特性，并對組合加工機理進行了討論，主要結論如下：

1）電解加工高體積分數SiCp/A1復合材料時，由于表層鋁基體被完全去除，完全裸露的碳化硅顆粒被電解液沖刷帶走，形成加工深度。加工電壓越大，去除鋁基體的能力越強，加工深度越大。

2）電解加工后的SiCp/A1復合材料工件表面與基體之間存在一定深度的過渡區，該過渡區的鋁基體被局部去除，機械加工時碳化硅顆粒更容易被去除。

3）電解-機械組合加工SiCp/A1復合材料中，機械加工的深度應依據電解加工后過渡區的深度來確定。

4）相較于常規機械加工，電解-機械組合加工方法可明顯減少工具磨損和表面損傷，改善高體積分數SiCp/A1復合材料的可加工性。

參考文獻：

[1] 師祥利，王雷雷，張雷，等.碳化硅顆粒增強鋁基復 合材料在三自慣組中的精度提升研究［J].航空精 密制造技術，2024，60（4）：17-20. SHIXiangli，WANGLeilei，ZHANGLei，etal. Research on Application of Silicon Carbide Particle Reinforced Aluminum Matrix Composite to Improve Navigation Accuracy of“Three-self”Inertial Measurement Combination[J].Aviation Precision Manu facturing Technology，2024，60（4）：17-20.

[2] 陳智明，辜勇，錢靜，等.鋁基碳化硅復合材料的精 密磨削研究[J].機械制造，2021，59（12）：32-37. CHEN Zhiming，GU Yong，QIAN Jing，et al. Research on the Precision Grinding of SiCp/Al CompositeMaterial[J].Machinery，2021，59（12）：32-37.

[3]GU Peng，ZHU Chuanmin，MURA A ，et al. GrindIIg reriormance anu Ineoretical Anaiysis Iora High Volume Fraction SiCp/Al Composite[J]. Journal of Manufacturing Processes，2022，76：796- 811.

[4]MILLER F， MONAGHAN J. Non-conventional Machining of Particle Reinforced Metal Matrix Composite[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2000，41（7） ：423-427.

[5]關佳亮，張龍月，劉書君，等.不同體積分數 SiCp/ Al復合材料精密磨削試驗研究[J].工具技術， 2019，53（7）：23-26. GUAN Jialiang，ZHANG Longyue，LIU Shujun， et al. Experimental Study on Effect of Volume Fraction on Grinding Performance of SiCp/Al Composite ELID[J]. Tool Engineering，2019，53（7） ：23-26.

[6]GUO Sai，LU Shouxiang，ZHANG Bi，et al. Surface Integrity and Material Removal Mechanisms in High-speed Grinding of Al/SiCp Metal Matrix Composites[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2022，178：103906.

[7]向道輝，馬國峰，張玉龍，等.超聲輔助磨削碳化硅 鋁基復合材料改善砂輪堵塞的實驗研究[J]．制造 技術與機床，2015（6）：124-128. XIANG Daohui，MA Guofeng， ZHANG Yulong，et al. Study on the Wheel Loading during Grinding SiCp/Al Composites by the Aid of Ultrasonic Vibration[J].Manufacturing Technology amp;. Machine Tool，2015（6）：124-128.

[8］ZHANG Ke，GAO Qi，WANG Quanzhao. Miling Mechanism and Surface Quality of 20% Volume Fraction SiCp/Al Materials Treated by Natural Aging[J]. Silicon，2023，15：1883-1896.

[9］LIU Junwei，CHENG Kai，DING Hui，et al. An Investigation of the Influence of Phases Removal Ways on Surface Quality in Micro Milling SiCp/Al Composites[J]. Procedia CIRP，2018，71：59-64.

[10]LIU Chang，LI Cheng，XU Weiwei，et al. Variation Characteristics of Machinability in Drilling of SiC Particle Reinforced Aluminum Matrix（SiCp/ Al） Composite with a Wide Range of Particle Volume Fractions[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2022，121 （9/10）：6285-6302.

[11]AO Sansan，QIN Xiangyang，LI Kangbai，et al. Effects of Process Parameters on Jet Electrochemical Machining of SiC Particle-reinforced Aluminum Matrix Composites[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 112：3351-3361.

[12]LIU Zhuang，GAO Changshui，QIU Yi，et al. Investigation on Electrochemical Jet Machining of High Volume Fraction SiCp/Al Composite[J]. International Journal of Electrochemical Science， 2020，15（4）：3164-3179.

[13] ZHANGHuizhen，LIChao，ZHANGLei，etal. Effect of Laser Pulse Energy Deposition Method on Nanosecond Laser Scanning Ablation of SiCp/ AA2024 Composites[J]. Journal of Manufacturing Processes，2022，83：695-704.

[14] 查慧婷，馮平法，張建富.高體積分數SiCp/Al復 合材料旋轉超聲銑磨加工的試驗研究[J].機械工 程學報，2017，53（19），107-113. ZHA Huiting，FENGPingfa，ZHANG Jianfu.An Experimental Study on Rotary Ultrasonic Machining of High Volume Fraction Silicon Carbidereinforced Aluminum Matrix Composites（ SiCp/ Al）[J]. Journal of Mechanical Engineering，2017， 53（19），107-113.

[15] ZHAO Guolong，MAO Pengcheng，LILiang，et al.Micro-milling of SiCp/Al Composites witha Novel Laser Assisted Hybrid Process[J]. CeramicsInternational，2020，46（16）：26121-26128.

[16] REDDYKSN，KWANG-SUPS，YANGM.Experimental Study of Surface Integrity during End

[17] XIAO Han，XU Dongdong，AXINTE D，et al.On Understanding the Specific Cutting Mechanisms Governing the Workpiece Surface Integrity in Metal Matrix Composites Machining[J].Journal of Materials Processing Technology， 2021， 288： 116875.

（編輯 王艷麗）

作者簡介：何斌，男，1992年生，講師。研究方向為電解及其復合加工方法。E-mail：binhe06@163.com。

本文引用格式：

何斌，周星雨，陸洪昱，等.高體積分數SiCp/Al復合材料電解-機械組合低磨損加工方法研究[J].中國機械工程，2025，36（4）：753-759.

HE Bin，ZHOU Xingyu，LU Hongyu，et al. Study on Low WearMachiningMethod of High VolumeFraction SiCp/Al CompositeMaterials by ECM-mechanical Combined Machining ProcessesMethod[J].China Mechanical Engineering，2025，36（4）：753-759.