隨著我國科技的飛速發(fā)展，零部件等產(chǎn)品的質(zhì)量得到了大大提高，航空航天和汽車等領域?qū)Ξa(chǎn)品零部件的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。因此，對于切削加工行業(yè)有必要提高零件的品質(zhì)。SiCp/Al材料作為一種金屬基復合材料，具有良好的物理力學性能，能夠滿足精密和超精密應用場合的技術要求，在航空航天等高端領域首先獲得了應用。同時，其制備工藝日益完善，可靠性不斷增加，制造成本較低，在汽車、電子封裝、武器系統(tǒng)、光學精密儀器等行業(yè)逐漸取代了傳統(tǒng)的金屬材料，應用也越來越廣泛。超聲振動切削技術加工是一種結合了普通切削工藝和超聲技術的新型加工方法，具有對工件的作用力和熱影響小、可獲得較好的表面質(zhì)量、提高加工精度和延長刀具壽命等特點。近些年來，關于超聲振動切削的實際應用逐漸得到認可，在硬脆材料(如微晶玻璃和陶瓷等)和塑性材料(如鈦合金和高溫合金)的加工中得到了應用。本文主要圍繞SiCp/Al復合材料的超聲振動輔助切削加工的現(xiàn)狀和存在的問題從刀具材料與刀具磨損、切屑與切削力和表面質(zhì)量三個方面進行闡述。1? SiCp/Al復合材料切削加工存在的問題由于SiCp/Al材料中存在大量的SiC顆粒硬質(zhì)相，同時具有塑性較差和微觀組織結構不均勻等特點，因此，SiCp/Al復合材料的加工表面質(zhì)量較差，表面缺陷多，切削加工性很差。這對SiCp/Al復合材料在許多關鍵零部件的最終使用性能會產(chǎn)生不利影響，阻礙了其在實際應用上的大范圍推廣。同時，對于SiCp/Al復合材料的切削加工，學者們主要從刀具材料的選擇、刀具磨損、加工表面質(zhì)量、切削效率、切削力與切削溫度等方面做了大量研究，取得了許多成果，但是關于SiCp/Al切屑的產(chǎn)生和表面缺陷等方面還需做進一步的分析。由于SiCp/Al的難加工性，傳統(tǒng)加工存在刀具磨損劇烈和加工表面質(zhì)量差等缺陷，有研究將超聲振動與傳統(tǒng)加工過程相結合，發(fā)現(xiàn)超聲輔助加工在降低SiCp/Al刀具后刀面磨損和加工損傷等方面具有明顯優(yōu)勢，加工前景廣闊。但是超聲振動輔助切削技術還處于不斷改進和完善的階段，研究工作多集中于超聲振動系統(tǒng)的設計開發(fā)和測試。有研究將超聲加工運用于CFRP復合材料的鉆削加工中，而運用于SiCp/Al的研究較少。并且，采用超聲振動輔助加工時SiCp/Al材料表面缺陷的產(chǎn)生與控制、表面精度的控制方法、刀具磨損嚴重性的可控性等方面還存在諸多未解決的問題。2? SiCp/Al復合材料超聲振動輔助切削加工作為特種加工方式的超聲振動切削技術在難加工材料和高精度零件加工方面相對于普通切削加工所具有的特性引起了各國學者們的廣泛興趣。大量的實驗研究表明，采用普通刀具對復合材料進行切削加工時刀具磨損嚴重，并會影響到切削力、加工精度和表面質(zhì)量等。此外，由于振動切削改變了刀具與工件的時空關系，使切削加工機理發(fā)生變化，因此超聲振動輔助切削可以減小切削力和切削溫度、提高加工精度和質(zhì)量，同時還具有良好的斷屑和排屑效果。(1)刀具材料與刀具磨損在SiCp/Al復合材料切削過程中，常采用PCD刀具、涂層刀具、PCBN刀具、高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具。吉國強通過PCD、PVD涂層、CBN和YG6X四種刀具對SiCp/Al材料進行切削加工試驗，結果表明：采用YG6X刀具切削產(chǎn)生的表面粗糙度最小，其次是PVD涂層刀具和PCD刀具，CBN刀具切削加工得到的表面最粗糙，但 PCD刀具加工產(chǎn)生的切削應力最小，綜合分析可知，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別在普通銑削和超聲銑削情況下對SiCp/Al材料做了試驗，發(fā)現(xiàn)普通銑削方式下加工溫度和銑削力更高、刀具壽命更短，普通加工比超聲輔助銑削加工效率低。對SiCp/Al復合材料磨損機理的研究結果顯示，由于SiCp/Al材料內(nèi)部存在的SiC顆粒屬于硬質(zhì)相，會造成嚴重的刀具磨損，因此其主要磨損形式為磨粒磨損。圖1為PCD刀具銑削SiCp/Al復合材料在超聲銑削和普通銑削加工中觀察到的前刀面磨粒磨損圖。Xiang D.H.等在不同銑削參數(shù)下采用傳統(tǒng)銑削技術和超聲銑削技術對SiCp/Al復合材料銑削刀具的磨損機理進行了分析，發(fā)現(xiàn)采用超聲銑削SiCp/Al復合材料時的刀具磨損低于傳統(tǒng)銑削。Sahoo A.K.等用無涂層的碳化鎢刀片對SiCp/Al材料進行了切削加工，分析其切削參數(shù)對后刀面磨損的影響，發(fā)現(xiàn)切削速度是影響后刀面磨損的最重要的參數(shù)，并用Taguchi方法對SiCp/Al材料進行了建模和參數(shù)優(yōu)化。Jiao K.R.等用PCD刀具對SiCp/Al復合材料銑削過程進行了仿真，分析了切削速度對刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)切削速度越大刀具磨損越大。Zhang H.使用PCD刀具對比研究了傳統(tǒng)車削和超聲輔助車削SiCp/Al復合材料刀具的后刀面磨損，研究表明超聲振動可顯著降低刀具后刀面磨損，提高刀具壽命。Bushlya V.等使用不同含量的PCD刀具和不同涂層的CBN刀具對體積分數(shù)為20%的SiCp/Al材料的刀具磨損問題進行了分析研究，得出PCD刀具的主要磨損是SiC粘結相上的磨料。

(a)超聲銑削? ? ? ? ? (b)傳統(tǒng)銑削圖1? PCD銑刀的前刀面磨損(2)切屑與切削力切屑和切削力均是加工SiCp/Al材料中產(chǎn)生的極有研究價值的產(chǎn)物，因此研究切屑和切削力在SiCp/Al材料切削加工中的影響非常重要。Joshi S.S.等指出了獲知材料加工特性的最有效、最省事的途徑是研究這種材料的切屑變形。Dabade U.A.等基于Taguchi方法對SiCp/Al材料切削加工切屑形成機理進行了實驗研究分析，認為在切削速度較低時，切屑大多為針形，在切削速度較高時，切屑一般會形成半連續(xù)、帶狀和管狀形切屑。在給定的切削速度和切削深度下，切屑長度和切屑卷曲數(shù)量隨著進給速率的增加而增加。Ge Y.F.等使用單晶金剛石(SCD)和多晶金剛石(PCD)工具對SiCp/2009Al和SiCp/ZL101A復合材料進行了超精密車削，研究了切屑形成和產(chǎn)生機制。結果表明：加工表面存在凹坑、空洞、微裂紋、凹槽、隆起和基體撕裂等缺陷。一般情況下，切屑的主要形貌為鋸齒狀，由工件材料的非均勻變形所導致的動態(tài)微裂紋行為和應變集中所引起。Sahoo A.K.在用涂層刀具車削AA6061Al/SiC材料時觀察到了連續(xù)性鋸齒狀切屑的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)其與高切削溫度和材料的低熱導率導致的剪切區(qū)高應變率有關。岳廣喜研究了超聲加工和普通銑削SiCp/Al復合材料的切屑形態(tài)，發(fā)現(xiàn)超聲加工SiCp/Al材料的切屑主要為半連續(xù)形鋸齒狀切屑，如圖2所示。

圖2? 超聲銑削切屑對于金屬基復合材料來說，切削力的產(chǎn)生是一個復雜現(xiàn)象，許多學者討論了不同切削速度下采用PCD刀具切削金屬基復合材料時的切削力。同切削普通金屬性材料類似，SiCp/Al材料的切削力隨著刀具磨損的加重而增大。河南理工大學較早開展了SiCp/Al超聲輔助切削方面的研究工作，分析了超聲車削SiCp/Al時獲得的切削力和工件表面特征，研究結果認為超聲加工中的車削力小于普通加工所得到的力，加工表面也得到了改善。王進峰等利用ABAQUS軟件對SiCp/Al材料做了仿真建模，并通過車削試驗驗證此模型，結果發(fā)現(xiàn)，切削速度增大，切削力減小，切削深度增大，切削力增大，試驗結果與仿真結果相吻合。在SiCp/Al材料超聲銑削方面，利用超聲振動進行銑削可以減小銑削力和刀具磨損。河南理工大學Xiang D.H.分析了高速銑削和超聲輔助銑削中SiCp/Al材料的加工性能。結果表明，超聲輔助銑削SiCp/Al時切削力會下降，與高速銑削相比，超聲加工方式是一種更高效的硬切削方式。KadivarM.A.等采用TiN涂層高速鋼鉆頭在超聲振動鉆削和常規(guī)鉆削SiCp/Al材料孔時的振幅對切削效率的影響，認為超聲振動輔助鉆削通過選擇合適的振幅可以減少毛刺，獲得更好的表面粗糙度和更高的鉆削力，提高加工效率。(3)表面質(zhì)量SiCp/Al材料的塑性較低，微觀結構不均勻，導致其所用刀具的磨損比較嚴重，其切削加工獲得的加工表面也會出現(xiàn)許多缺陷。因此，關于該材料的加工表面質(zhì)量人們做了許多研究工作。由于存在硬質(zhì)相和基體的協(xié)同變形問題，硬質(zhì)相的顆粒粒度大小和其與基體的結合強度都會對切削加工表面的微觀組織結構產(chǎn)生影響。相對于普通鉆削而言，在使用超聲鉆削SiCp/Al復合材料時，工件的粗糙度和表面形貌也會得到明顯改善，鉆削力會隨著SiC顆粒含量的增加而變大，其表面缺陷主要包括犁溝、凹坑、劃痕、黏附和涂抹等。Xu X.X.等對比了超聲鉆削和傳統(tǒng)加工SiCp/Al材料時的鉆削特性，分析了兩種不同鉆削情況下SiCp/Al材料的鉆削力和孔表面質(zhì)量。研究表明，相對于常規(guī)鉆削試驗，使用超聲輔助鉆削SiCp/Al情況下該材料的鉆削力更小，加工表面質(zhì)量更好。在傳統(tǒng)銑削SiCp/Al材料中，Wang等介紹了體積分數(shù)為65％SiCp/Al銑削時產(chǎn)生的表面粗糙度，選擇典型的2D(Ra和Rz)和3D(Sa和Sq)參數(shù)來評估銑削參數(shù)對表面質(zhì)量的影響。結果表明，三維參數(shù)(Sa和Sq)更能描述銑削參數(shù)對表面質(zhì)量的影響，SiCp/Al復合材料的粗糙度大小隨著進給速率的增大和銑削速度的減小呈線性增加。但相對于常規(guī)銑削加工，超聲振動銑削更適合于SiCp/Al材料的加工，其表面粗糙度值和加工質(zhì)量更好。Zhi X.T.等利用PCD銑刀在超聲輔助方式下對SiCp/Al材料進行了加工實驗，分析了SiCp/Al材料的去除機理，研究結果表明由于刀具和切屑分離特性以及超聲對該材料的沖擊作用，SiCp/Al的去除機理與塑料材料接近，在超聲銑削條件下能形成更好的表面質(zhì)量。WangT.等在銑削過程幾何分析的基礎上建立了由硬質(zhì)SiC顆粒和軟質(zhì)鋁基體組成的二維尺度有限元模型，對SiCp/Al材料的加工表面缺陷形成機理進行了模擬分析，結果表明，SiC的旋轉(zhuǎn)、拔出、撕裂、微裂縫和穿透是主要的缺陷形成機制。在超聲切削SiCp/Al中，HungN.P.等對SiCp/Al進行了切削試驗，發(fā)現(xiàn)已加工表面存在界面分層和SiC顆粒破碎現(xiàn)象，表面損傷的形式有分層、顆粒拔出和基體硬化等。Wang M.等在傳統(tǒng)的磨削模型和超聲輔助加工的基礎上，建立了SiCp/Al薄壁結構的超聲動力學模型，采用時域分析方法對典型的SiCp/Al進行了仿真分析，利用MATLAB Simulink對SiCp/Al的切削振動進行了數(shù)值模擬，結果表明采用旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工可以優(yōu)化加工切削參數(shù)，取得良好的加工質(zhì)量。牛秋林等分析了銑削速度、進給量和軸向切深對SiCp/Al出口棱邊形貌的影響，發(fā)現(xiàn)銑削速度和軸向切深對出口形貌的影響較大，在加工中易出現(xiàn)毛刺和表面剝落等缺陷，如圖3所示，改變某單一參數(shù)并不能改善其棱邊形貌。而趙明利等利用超聲銑削方式加工對SiCp/Al復合材料的棱邊形貌進行仿真模擬分析，并與普通銑削SiCp/Al材料的對比研究發(fā)現(xiàn)超聲輔助切削方式比普通加工缺陷更少，棱邊形貌更好。ZhouL.等用ABAQUS軟件建立了SiCp/Al的多顆粒微觀元素模型，分析了正交切割出口附近邊緣缺陷的形成機理以及切割參數(shù)對邊緣尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)切削速度對邊緣缺陷尺寸影響不大，但切削深度對邊緣缺陷的高度和長度有顯著影響，在切削SiCp/Al材料時應選擇盡可能選擇較小的切深和較高的切削速度，其模型數(shù)值結果與正交切割實驗數(shù)據(jù)相吻合。

圖3? SiCp/Al復合材料的棱邊形貌缺陷3? 小結根據(jù)目前有關SiCp/Al材料的切削研究現(xiàn)狀，可知應用超聲振動輔助切削技術是提高SiCp/Al材料加工表面質(zhì)量和改善刀具性能的有效途徑之一。但是，在材料表面缺陷、刀具磨損、切屑、切削力和表面加工質(zhì)量等方面依然存在許多問題亟待解決。因此，針對目前SiCp/Al高效精密加工過程中存在的一些難題，特別是表面質(zhì)量控制問題，有必要結合超聲振動加工的優(yōu)勢，從以下幾方面開展深入的研究工作：(1)針對關于SiCp/Al復合材料的刀具材料與刀具磨損問題，進一步研究適合于超聲輔助加工SiCp/Al復合材料的刀具材料，探索不同體積分數(shù)SiCp/Al材料的刀具磨損機理，以期找到加工SiCp/Al的規(guī)律性結論。(2)對SiCp/Al材料切屑的產(chǎn)生過程進行深入理論分析和實證，特別是對于不同碳化硅顆粒含量的SiCp/Al材料切屑的產(chǎn)生機理，目前還沒有一致性的結論；對于普通高速銑削SiCp/Al材料銑削力的研究目前已經(jīng)做了大量實驗，發(fā)現(xiàn)超聲輔助加工切削力小于普通加工，但對于超聲輔助加工仿真建模方面還相對較少，未來可對其進行進一步的探索。(3)深入探索超聲振動輔助切削過程中SiCp/Al表面質(zhì)量的控制方法和表面缺陷形成機制，開展超聲縱振、縱扭、橫振等多種振動方式研究，探索不同振動方式的加工效果。特別是對于棱邊缺陷或毛刺的有效控制和表面缺陷的產(chǎn)生過程與產(chǎn)生機制問題，目前還沒有可靠的方法或?qū)嵱玫拇胧┛梢赃\用于實際生產(chǎn)，還需要對其表面缺陷形成機制進行理論分析和實證。原載《工具技術》 作者：周柏健??書訊

??《現(xiàn)代刀具設計與應用》

??《工具熱處理技術與實踐》

??《常用孔加工刀具》?

?《高效高精度孔加工刀具》

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總結

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