SiCp/Al复合材料超声振动复合切削加工技术研究

江希龙 吕宠 肖正航

（北京空间机电研究所，北京 100076）

1 引言

航空航天飞行器的轻量化、高性能化发展要求材料具有低密度、高比强度、高比刚度、低膨胀、高热导率等优异的综合性能[1-2]，传统的轻质结构材料如铝合金和钛合金很难全面满足上述要求。例如，铝合金较低的刚度和较大的热膨胀系数，钛合金较大的密度和极差的导热系数等，这些材料部分性能的不足极大地限制了在应力载荷和温度交变载荷作用下关键零部件的选材。

近年来，SiC颗粒增强铝基复合材料引起了广泛的关注，SiC颗粒与铝合金的复合使颗粒增强铝基复合材料展现出优异的性能，如低密度、高的比强度和比刚度、高弹性模量、耐磨性能好、高热导率和低热膨胀系数，在航空航天领域得到广泛关注[3-5]。

SiCp/Al复合材料中的增强颗粒SiC硬度高（HV2800～3000），高于常用的刀具硬度，属于典型的难加工材料。目前，国内对该类铝基复合材料切削加工工艺的研究十分薄弱，现有的国内外文献仅对碳化硅含量在20%左右的复合材料加工工艺进行了研究。而对体积含量在40%～70%的高体积分数SiCp/Al复合材料的精密加工工艺研究在国内还是个空白点，国外也未见详实的报道[6]。

本文利用自行研制的超声振动复合切削加工设备，对55%体积分数SiCp/Al复合材料的精密切削加工工艺进行了研究。

2 SiCp/Al复合材料加工特点

SiCp/Al复合材料以颗粒状SiC为增强相，以铝及其合金为基体材料，其中的SiC颗粒增强体的硬度很高，高于常用的刀具硬度，加工时刀具后刀面磨损严重，切削力和摩擦力大，加工工艺性差，主要表现在以下几个方面[7-8]：

1）刀具磨损剧烈，加工成本高；

2）在已加工表面上存在各种缺陷，难以获得高质量的加工表面；

3）干式切削加工中会产生积屑瘤，影响加工精度及表面质量；

4）切削过程中脱落、破碎的硬质增强颗粒与切削液混合，对机床产生不良影响；

5）磨削加工时其中的铝合金基体容易腻死砂轮；

6）电火花加工等特种加工技术的应用范围有限，且加工效率低。

目前，切削加工仍然是对颗粒增强金属基复合材料的主要加工方法；磨削加工应用于SiCp/Al复合材料加工的报导不多；电火花、激光加工等特种加工技术在颗粒增强金属基复合材料加工方面有一定应用，但在加工质量和效率上还有待进一步提高[9]。加工效率低下、成本高昂、加工质量难以控制等问题在很大程度上限制了此类材料的推广应用。

3 超声振动复合加工机理

旋转超声振动切削加工技术是在传统超声加工技术基础上发展起来的一种新型加工方法，该方法不同于传统超声加工技术，采用拷贝式加工法——即利用形状拷贝原理，通过悬浮磨料对工件的冲击、抛磨及由此产生的空化作用来去除材料，将工具的形状复制在工件上[10]。旋转超声振动切削加工技术采用烧结或电镀金刚石刀具，磨粒固着在刀具表面，加工过程中不再使用悬浮磨粒，刀具既作超声振动，同时又绕本身轴线高速旋转（加工示意见图1）。在加工过程中，刀具中的金刚石磨粒不断地冲击和划擦工件表面，把工件材料粉碎成很小的微粒，用切削液来带走被加工材料微粒。超声振动复合切削加工技术具备加工效率及加工精度高、适应性强（不受加工特征形状限制）等特点，能够解决复杂型腔加工难题。

SiCp/Al复合材料的晶相组织如图2所示，图中的黑色物质即为SiC颗粒，从图中可看出，SiC颗粒弥散分布在铝合金基体中。SiC颗粒的存在使SiCp/Al复合材料难以切削加工，是造成刀具的快速磨损甚至损坏的直接原因。采用超声振动复合加工，刀具在超声频的作用下快速冲击加工表面，使SiC颗粒粉碎成很小的微粒，最终通过切削液及刀具的旋转带走微粒，实现该材料的切削加工。

4 超声振动复合加工试验

4.1 试验设备及组成

为解决SiCp/Al复合材料常规切削加工精度及表面质量差的问题，研制了专用的超声振动复合切削加工设备，该设备由超声波发生器、超声振动系统、机床本体等3部分组成。

4.1.1超声波发生器

超声波发生器亦称为超声电源或超声频率发生器，其作用是将220V、50Hz的交流电转变为一定功率的超声频电振荡信号，以提供工具往复运动和去除被加工材料所需的能量。本文选用的超声波发生器功率在0～300W范围内可调，通过调节超声波发生器输出功率，可以获得相应的刀尖振幅。

4.1.2超声振动系统

超声振动系统是将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动机械能的装置，主要由刀柄、换能器、变幅杆等几部分组成，结构如图3所示。

图3 超声振动系统结构示意图Fig.3 Sketch of ultrasonic vibrational system structure

该系统中锥柄的主要功能是实现整个装置与机床主轴的连接、旋转加工扭矩的传递及超声振动系统的固定，本文采用的锥柄规格为SK50标准锥柄；换能器采用夹心式压电陶瓷换能器；变幅杆采用圆锥过渡的复合式阶梯变幅杆。

4.1.3刀具

不同于常规切削加工采用高速钢、硬质合金、CBN材料的刀具或金刚石镶片刀具，超声振动复合加工采用的是电镀聚晶金刚石（PCD）刀具。该刀具采用电镀方法在刀杆表面沉积一层（或多层）含有金刚石磨粒的镀层。因镀层中的金刚石磨粒硬度极高，加工时可将切削刃对材料的切削转化为金刚石磨粒对材料的磨削作用，非常适合SiCp/Al复合材料的加工。

4.1.4机床本体

本试验机床本体采用DMU125P数控加工中心，该设备为带有B轴的4轴4联动数控加工中心，主要技术参数如下：

1）主轴转速：0～12 000r/min；

2）主轴回转精度：0.01mm；

3）定位精度：0.008mm；

4）重复定位精度0.005mm。

4.2 试验方案

本试验选用体积分数为55%的SiCp/Al复合材料作为研究对象，通过切削加工试验，重点研究超声加工与普通加工切削力的变化及两种加工方法对加工表面质量的影响，最终采用两种方法分别加工典型样件，对样件的加工精度进行比对及分析。

5 试验结果分析与讨论

5.1 切削力试验研究

在切削加工中，切削力是决定加工质量的最根本因素。本文对超声切削与普通切削加工Sip/Al复合材料时的切削力进行了分析，分别给出了切削速度、进给速度、切削深度与切削力的关系曲线。为了便于测量和分析，本文采用周向切削力和轴向力来表征切削力。

（1）切削速度对切削力的影响

切削参数：进给速度100mm/min，切削深度0.2mm，刀具直径8mm。切削速度对切削力的影响如图4所示，分别给出了周向切削力和轴向力随主轴转速的变化曲线。

试验结果表明，随主轴转速增大，周向切削力和轴向力减小，这是因为主轴转速增大，切削线速度增加，刀具每转切削量减小，切削阻力减小，切削力随之减小。

（2）进给速度对切削力的影响

切削参数：主轴转速3 000r/min，铣削深度0.2mm，刀具直径8mm。进给速度对切削力的影响如图5所示。

试验结果表明，随进给速度增加，超声切削与普通切削的切削力都相应上升，这是因为进给速度增加，刀具每转切削量增大，铣削抗力也增大。

（3）切削深度对切削力的影响

切削参数：主轴转速3 000r/min，进给速度100mm/min，刀具直径8mm。切削深度对切削力的影响如图6所示。

试验结果表明，随切削深度增加，切削力也随之增大。

通过对图4～6的分析可知，超声切削的切削力尤其是轴向力比普通切削低20%～60%。这说明加入超声振动的切削加工可以大大降低切削力，这对于降低切削温度，提高加工表面质量，延长刀具使用寿命具有非常重要的作用。为了控制切削力，提高加工表面质量，超声振动铣削应提高切削速度，减小进给速度和切削深度，但是要综合考虑加工效率问题，合理选择切削参数，同时满足加工效率和表面质量要求。

5.2 加工表面质量分析

SiCp/Al复合材料由超硬的SiC颗粒和软质的铝合金基体组成，两种物质在物理、力学特性上有很大的差异，导致二者在切削加工中有不同表现，给加工带来一定困难，并且在加工表面容易形成各种缺陷，如孔洞、裂纹、凹坑等，从而影响工件表面质量。通过对普通切削和超声切削加工的SiCp/Al复合材料试件的表面微观结构进行观察和分析，证明了超声振动切削加工技术对于提高SiCp/Al复合材料的加工表面质量具有明显的优势。

切削加工过程中SiCp/Al复合材料中SiC颗粒的去除方式主要有3种：直接切断、压入和拔出。但是对于超声切削与普通切削加工这两种加工方法，材料去除方式存在的概率有相当大的差别。切削加工SiCp/Al复合材料时SiC颗粒的去除方式如图7所示。

图7（a）为SiC颗粒直接切断型的SEM照片，切断现象是由于铝基体材料强度较低，剪切力远大于颗粒与基体之间的粘结力，并且瞬时能量高形成的。图7（b）为SiC颗粒压入型的SEM照片，从图中可见，SiC颗粒被压切粉碎之后留在了工件已加工表面上，这种颗粒去除方式多出现在刀具磨损后。图7（c）为SiC颗粒拔出型的SEM照片，拔出现象是由于颗粒承受的剪切力大于颗粒与基体之间的粘结力而造成的，但瞬时能量较低，其剪切力不足以将硬质颗粒切断。

图8 SiCp/Al试件表面微观结构的SEM照片Fig.8 SEM photo of SiCp/Al specimen surface microstructure

图8为55%体积分数SiCp/Al试件表面微观结构的SEM照片。从图中可以看出，超声切削时，SiC颗粒主要以直接切断为主，而普通铣削时SiC颗粒主要以拔出和压入为主。这是因为在超声振动铣削过程中，由于附加了超声振动，在刀尖部位聚集了极大的能量，再加上瞬时冲击，高强度颗粒可以很容易被切断，从而有效地避免了拔出或压入。

另外，从图8中还可以看出，超声振动铣削加工的材料表面的塑性流动不明显，而普通铣削加工的材料表面塑性流动清晰可见，这种塑性流动是由于加工过程中刀具对材料表面的挤压力造成的。塑性流动越明显，说明刀具对材料表面的挤压力越大。超声振动铣削加工由于切削力小，所以塑性流动不明显，表面质量明显优于普通铣削加工。

5.3 加工精度对比

为了验证普通切削加工与超声振动复合切削加工的差别，试验过程中设计了典型试件进行切削加工试验，试件结构如图9所示。

图9 试件结构图Fig.9 Structure of specimen

试件加工后对图9中A-F面进行了形位精度检测，检测结果如表1所示。

表1 超声切削加工与普通切削加工精度数据对比Tab.1 Precision comparison between ultrasonic vibrational combined cutting and conventional cutting

试验结果表明，超声切削加工可获得比普通切削加工更高的形位精度及表面粗糙度。SiCp/Al复合材料普通切削加工精度差主要是由于加工过程中刀具磨损所致，表面粗糙度差主要是由于SiC颗粒的压入与拔出所致，超声振动复合切削加工降低刀具切削力，延长刀具使用寿命，加工表面质量优，适合于SiCp/Al复合材料的精密加工。

6 结束语

本文研究的超声振动复合切削加工技术即固着磨料形式的超声振动旋转加工技术，具有切削力小、加工表面质量好、形位精度高、刀具磨损小等优点，适合于SiCp/Al复合材料等典型硬脆材料的精密加工，解决了SiCp/Al复合材料加工精度不足、效率低下、加工质量难以控制等瓶颈问题，为此类材料在我国航天产品上的广泛应用提供借鉴和参考。

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