高體積分?jǐn)?shù)SiCp/A1復(fù)合材料電解-機(jī)械組合低磨損加工方法研究

關(guān)鍵詞：鋁基碳化硅復(fù)合材料；電解加工；工具磨損；金剛石磨棒

中圖分類號(hào)：TG662

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.012 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(fù)合材料以鋁（AI）金屬為基體，碳化硅（SiC）顆粒為增強(qiáng)相，具有強(qiáng)度高、耐磨性優(yōu)、密度小、膨脹率低、導(dǎo)熱性強(qiáng)等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械設(shè)備制造、電子電氣、輕量化應(yīng)用等領(lǐng)域[1-4]。然而，SiCp/Al復(fù)合材料優(yōu)異的性能也導(dǎo)致其精密高效加工較為困難。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SiCp/A1復(fù)合材料加工方法進(jìn)行了大量探究。關(guān)佳亮等5對(duì)中高體積分?jǐn)?shù)（號(hào) （40%.60% ） SiCp/Al 復(fù)合材料進(jìn)行精密磨削加工研究，發(fā)現(xiàn)隨著增強(qiáng)體SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)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(zhì)量逐漸變差。GUO等[]對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料高速磨削的材料去除機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)磨削速度較低時(shí)，鋁基體發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形并發(fā)生“涂抹\"現(xiàn)象，而SiC顆粒容易被拔出或推開(kāi)而產(chǎn)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?jǐn)?shù)SiCp/A1復(fù)合材料磨削加工砂輪堵塞理論及原因，結(jié)果表明磨削

SiCp/Al復(fù)合材料時(shí)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(zhǎng)砂輪的使用壽命。ZHANG等8對(duì)體積分?jǐn)?shù)為20% 的 SiCp/Al 復(fù)合材料開(kāi)展了銑削加工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在銑削過(guò)程中刀具表面發(fā)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(dǎo)致加工表面形成不規(guī)則的缺陷。LIU等通過(guò)對(duì)體積分?jǐn)?shù)為 45% 的 SiCp/Al 復(fù)合材料進(jìn)行微銑削加工，研究了不同進(jìn)給率對(duì)鋁基體與SiC顆粒去除機(jī)制的影響，發(fā)現(xiàn)較小的進(jìn)給率會(huì)導(dǎo)致鋁基質(zhì)未完全去除，而較大的進(jìn)給率會(huì)使SiC顆粒發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致表面缺陷的形成。LIU等[10]對(duì)體積分?jǐn)?shù)為 15%.30%.45% 的 SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著碳化硅顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，切削加工性能變差；加工體積分?jǐn)?shù)為 45% 的SiCp/A1復(fù)合材料時(shí)，孔出口處損傷較為嚴(yán)重。

為了避免機(jī)械加工中切削力大、鋁基體黏附、工具磨損等問(wèn)題，可以采用非接觸式加工方法對(duì)SiCp/A1復(fù)合材料進(jìn)行加工，如電解加工和激光加工。AO等[11]開(kāi)展了 20% SiCp/Al復(fù)合材料電解加工試驗(yàn)研究，結(jié)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(fù)合材料電解加工特性，由于碳化硅顆粒不導(dǎo)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(fù)合材料納秒激光燒蝕行為，結(jié)果表明由于碳化硅的熱導(dǎo)率較高，熱量會(huì)迅速傳給鋁基體，導(dǎo)致鋁基體優(yōu)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(zhì)量較差。查慧婷等[14]開(kāi)展了高體積分?jǐn)?shù)鋁基碳化硅復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲銑磨加工試驗(yàn)研究，結(jié)果表明超聲振動(dòng)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(kāi)展了激光輔助微細(xì)銑削高體積分?jǐn)?shù)鋁基碳化硅復(fù)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(duì)刀具的磨損，實(shí)現(xiàn)了微小結(jié)構(gòu)的加工，但加工存在一定的熱影響區(qū)。

綜合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，目前SiCp/Al復(fù)合材料加工方法依然存在各種不足，尤其是高體積分?jǐn)?shù)SiCp/A1復(fù)合材料的精密高效加工依然是挑戰(zhàn)。為了解決高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料加工難題，本文提出了SiCp/Al復(fù)合材料的電解一機(jī)械組合加工方法，利用電解加工去除復(fù)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(xù)機(jī)械加工中的作用力和工具磨損，改善高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料的加工質(zhì)量。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用工件為碳化硅顆粒體積分?jǐn)?shù)占比為 60% 的SiCp/Al復(fù)合材料板材，使用電火花線切割將板材分割為 10mm （長(zhǎng)） ×10mm （寬） ×8 mm （高）的工件，采用400號(hào)、800號(hào)、1200號(hào)砂紙進(jìn)行打磨，然后進(jìn)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(yàn)方法

采用自主設(shè)計(jì)的電解加工裝置進(jìn)行SiCp/Al復(fù)合材料電解加工試驗(yàn)。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(zhǎng)） 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(tái)表面對(duì)應(yīng)區(qū)域被加工；通過(guò)調(diào)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 的NaC1水溶液作為電解液，采用側(cè)向沖液方式。利用該裝置開(kāi)展不同參數(shù)下電解加工試驗(yàn)，通過(guò)電流傳感器和示波器對(duì)加工中電流變化過(guò)程進(jìn)行測(cè)量和記錄。

電解加工后的工件使用自主搭建的立銑機(jī)進(jìn)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(zhuǎn)速為 18000r/min 。每次試驗(yàn)采用試切法保證磨削加工與電解加工的區(qū)域重合。加工后的工件通過(guò)掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對(duì)加工表面形貌及加工深度進(jìn)行測(cè)量和分析。

2試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 SiCp/Al 復(fù)合材料電解加工結(jié)果

為了探究SiCp/A1復(fù)合材料電解加工規(guī)律，開(kāi)展了 10V，30V，50V，70V 不同電壓下電解加工試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程采用恒壓模式。圖3所示為不同加工電壓下電流變化過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)加工電壓為 10V 時(shí)，加工電流基本無(wú)變化；隨著加工電壓的增大，電流呈現(xiàn)先下降后保持基本穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是因?yàn)榧庸ぶ袖X基體被去除，工件表面不導(dǎo)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(wěn)定。本研究中，以每次加工結(jié)束前10s內(nèi)的平均電流值為參考線確定加工電流趨于穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)。以此方法得到加工電壓 30V，50V，70V 下加工電流進(jìn)入穩(wěn)定的時(shí)間分別為 40s，60s，70s，

圖4和圖5所示為不同電壓下電流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)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(shí)，工件表面加工區(qū)不明顯，表明在低電壓下電解作用去除材料較少。當(dāng)加工電壓為 30V 時(shí)，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(qū)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(dāng)加工電壓增大到 50V 和 70V 時(shí)，加工區(qū)的深度明顯大于 30V 時(shí)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(dǎo)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(qū)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(guò)圖6所示的不同電壓下的加工深度和寬度分布可以發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)。

為了進(jìn)一步研究電解加工SiCp/Al復(fù)合材料的材料去除過(guò)程，選擇低電壓 10V 和高電壓70V 開(kāi)展不同加工時(shí)間下的電解加工試驗(yàn)，觀察工件加工形貌的變化過(guò)程。如圖7所示，在 10V 電壓下，加工時(shí)間較短時(shí)僅局部發(fā)生基體溶解。隨著加工時(shí)間的增加，基體溶解面積逐漸增大；當(dāng)加工時(shí)間增加到120s時(shí)，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(dāng)加工時(shí)間為2s時(shí)，表層鋁被明顯去除；加工10s時(shí)，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(shí)間的進(jìn)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(fù)合材料機(jī)械加工結(jié)果

為了探究電解加工后SiCp/A1復(fù)合材料的機(jī)械加工性能，采用直徑為 2mm 的電鍍金剛石磨棒對(duì)電解加工后的工件進(jìn)行加工。為了保證加工的一致性，選擇同一個(gè)電解加工后的工件進(jìn)行多次銑削加工。選擇對(duì)圖4d中電解加工（電壓70V 、加工時(shí)間 70s） 獲得的凹槽進(jìn)行3次機(jī)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(jié)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(dāng)?shù)谝淮我?0.25mm 的加工深度進(jìn)行加工時(shí)，由圖9b可以發(fā)現(xiàn)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(dāng)?shù)诙我愿蟮募庸ど疃冗M(jìn)行加工時(shí)，加工表面出現(xiàn)平整區(qū)域（圖9c），僅局部存在凹坑，表面粗糙度值 Ra=1.178μm 。當(dāng)加工深度增大到 0.45mm 時(shí)，加工表面均平整（圖9d），表面粗糙度值 Ra=0.423μm 。可以發(fā)現(xiàn)，電解加工后的工件隨著機(jī)械加工深度的增大表面粗糙度值逐漸減小，表面質(zhì)量逐漸改善。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是因?yàn)殡娊饧庸ぷ鳛橐环N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(nèi)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(guò)渡區(qū)，只有當(dāng)機(jī)械加工深度足夠時(shí)才可以將過(guò)渡區(qū)完全去除，獲得平整的加工表面。

接下來(lái)開(kāi)展常規(guī)機(jī)械加工與電解-機(jī)械組合加工對(duì)比試驗(yàn)。常規(guī)機(jī)械加工選擇加工深度為0.25mm 、進(jìn)給速度為 60mm/min 、加工長(zhǎng)度為

10mm 。電解-機(jī)械組合加工分別選用 70V，70 S的電解加工參數(shù)和加工深度為 0.45mm 進(jìn)行機(jī)械加工。加工后對(duì)兩種方法獲得的加工溝槽結(jié)果和加工后的磨棒形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖10所示。常規(guī)機(jī)械加工獲得溝槽底面存在明顯的磨棒旋轉(zhuǎn)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(jī)械組合加工獲得溝槽底面平整且無(wú)飛邊缺陷，底面粗糙度值 Ra= 0.364μm ，表面質(zhì)量明顯優(yōu)于常規(guī)機(jī)械加工。

由圖11可以發(fā)現(xiàn)：常規(guī)機(jī)械加工的磨棒磨損嚴(yán)重，底端的金剛石鍍層完全脫落；在加工區(qū)的上端，雖然金剛石鍍層沒(méi)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?yàn)殇X基體具有較強(qiáng)的黏附性，容易黏附在金剛石表面，導(dǎo)致磨棒失去鋒利的切削刃，磨削產(chǎn)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(jī)械組合加工后的磨棒較為完整，未發(fā)生鍍層和金剛石顆粒脫落現(xiàn)象，但金剛石磨粒的切削刃發(fā)生輕微磨損。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電解-機(jī)械組合加工的有效性，對(duì)不同加工方法獲得的凹槽底面微觀形貌進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖13所示。可以發(fā)現(xiàn)：在常規(guī)機(jī)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(jī)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(xiàn)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(tuán)簇熔融產(chǎn)物，表面質(zhì)量較差。因此，對(duì)于高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料，電解-機(jī)械組合加工的工件表面損傷明顯小于常規(guī)機(jī)械加工、電火花線切割和納秒激光加工。

2.3 中 電解-機(jī)械組合加工機(jī)理討論

由上述研究結(jié)果可明晰電解-機(jī)械組合加工機(jī)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(dāng)加工電壓較小時(shí)，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(duì)于更深層的材料，電場(chǎng)可以透過(guò)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(guò)渡區(qū)，同時(shí)導(dǎo)致電解加工后表面較為粗糙。后續(xù)通過(guò)機(jī)械加工對(duì)過(guò)渡區(qū)進(jìn)行加工，可去除電解加工的影響，提高加工表面質(zhì)量。在加工過(guò)渡區(qū)材料時(shí)，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(shí)發(fā)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(guī)加工。因此，相較于常規(guī)方法，電解-機(jī)械組合加工方法可以顯著減少工具磨損，延長(zhǎng)刀具壽命，提高高體積分?jǐn)?shù)SiCp/A1復(fù)合材料的加工質(zhì)量。

3結(jié)論

本文提出了高體積分?jǐn)?shù)SiCp/A1復(fù)合材料電解-機(jī)械組合加工方法，探究了該方法電解加工規(guī)律和電解加工后的機(jī)械加工特性，并對(duì)組合加工機(jī)理進(jìn)行了討論，主要結(jié)論如下：

1）電解加工高體積分?jǐn)?shù)SiCp/A1復(fù)合材料時(shí)，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(qiáng)，加工深度越大。

2）電解加工后的SiCp/A1復(fù)合材料工件表面與基體之間存在一定深度的過(guò)渡區(qū)，該過(guò)渡區(qū)的鋁基體被局部去除，機(jī)械加工時(shí)碳化硅顆粒更容易被去除。

3）電解-機(jī)械組合加工SiCp/A1復(fù)合材料中，機(jī)械加工的深度應(yīng)依據(jù)電解加工后過(guò)渡區(qū)的深度來(lái)確定。

4）相較于常規(guī)機(jī)械加工，電解-機(jī)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?jǐn)?shù)SiCp/A1復(fù)合材料的可加工性。

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（編輯 王艷麗）

作者簡(jiǎn)介：何斌，男，1992年生，講師。研究方向?yàn)殡娊饧捌鋸?fù)合加工方法。E-mail：binhe06@163.com。

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何斌，周星雨，陸洪昱，等.高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料電解-機(jī)械組合低磨損加工方法研究[J].中國(guó)機(jī)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.