李 爽 牛秋林 李常平 余 振 Ko TaeJo，

（1 湖南科技大学机电工程学院，湘潭 411201）

（2 岭南大学机械工程学院，Gyeongsan-si，Gyeongsangbuk-do，韩国）

文 摘 在加工过程中，相反的两相特性增加了SiCp/Al 复合材料加工难度，难以获得良好的表面质量。为了提高其切削性能，本文开展20vol%SiCp/Al 复合材料铣削加工试验研究，比较常温和低温条件下TiAlN 涂层和TiAlSiN 涂层两种铣刀的切削性能。结果表明，在低温条件下，两种刀具的切削力增加，铣削后表面铝基体的开裂及剥落等缺陷均显著改善，加工表面损伤减小且粗糙度降低，低温铣削能获得更好的表面质量。此外，在常温与低温条件下TiAlSiN涂层比TiAlN涂层铣刀的切削力小，低温条件下TiAlSiN涂层铣刀表面完整性和切屑形貌优于TiAlN涂层铣刀。

0 引言

SiCp/Al 具有优良的力学强度、韧性、耐磨性等，受到了航空航天、汽车制造业等高新技术领域的广泛关注［1-2］。在加工过程中，铝基体发生塑性变形，硬脆SiC 颗粒则发生弹性变形、脆性破坏，相反的两相特性增加了SiCp/Al 复合材料加工难度，难以获得良好的表面质量［3-4］。研究结果表明，表面质量取决于增强体的形状、尺寸、含量以及切削过程中SiC 颗粒的断裂和去除方式［5–9］。此外，由于基体材料的塑性变形，在颗粒周围产生的空隙和裂纹也会影响表面质量。这些缺点将对SiCp/Al复合材料的许多关键部件的最终性能产生不利影响，阻碍其在实际中的广泛应用。

SiCp/Al 复合材料的加工一般采用干切削，切削热成为影响加工质量的关键因素。以液氮作为冷却介质的低温加工是一种清洁切削技术，在提高难加工材料的表面质量与加工效率等方面具备独特优势［10-12］，已用于提高难加工材料（如钛［13］、石英纤维复合材料［14］和芳纶纤维复合材料［15］）的加工质量和表面完整性。部分学者选择液氮作为冷却材料，对SiCp/Al 复合材料低温磨削加工进行了研究［16-17］。目前仍缺少低温铣削试验研究，有许多问题亟待解决。

涂层刀具是将刀具基体与硬质薄膜表层接合，可有效减少刀具切削力、切削热、表面粗糙度及加工振动［18］。本文在常温和低温条件下，采用两种涂层铣刀开展20vol%的SiCp/Al复合材料铣削加工试验研究，比较常温铣削和低温铣削下两种涂层刀具的铣削性能，为工业上加工体积分数为20%的SiCp/Al 复合材料的刀具选择及表面质量优化提供参考。

1 试验

在立式精密加工中心（ACE-V45，DAEWOO）上进行铣削试验，使用的铣刀为TiAlN 与TiAlSiN 涂层球头铣刀，其牌号分别是AMB2060TTT5515 和HSB2060S090170TT5505，除了涂层材料不同外，两把刀具的几何结构参数一致。铣削过程中产生的铣削力由安装在机床上的Kistler dynamometer 9256C2测力仪测量。

本试验采用搅拌铸造工艺制备的20vol%SiCp/Al复合材料，SiC的平均粒径约为15 μm，铝合金基体材料为Al-Zn-Mg-Cu 系列超高强度铝合金。工件尺寸8 mm×20 mm×10 mm，将工件从两端夹紧（图1）。试验在常温和低温下进行，低温辅助加工使用液氮作为冷却剂，在液氮储罐上安装了外部射流管，使用内径为2 mm 的喷射管，将喷嘴对准加工区。液氮的喷射压力为32 kPa，液氮的储存温度为-196℃。本文铣削参数的选取来源于刀具供应商的建议，主轴转速n=2 000 r/min，每齿进给量fz=0.02 mm/z，径向切削深度ae=3 mm，轴向切削深度ap=0.5 mm。

图1 液氮喷淋铣削装置Fig.1 Liquid nitrogen spray milling device

2 结果与讨论

2.1 铣削力

如表1所示，在TiAlN 和TiAlSiN 两种涂层铣刀铣削过程中，可以观察到低温冷却下的铣削合力比常温下提高25.6%和23.7%。由于工件材料的强度随温度的降低而提高，使低温加工中刀具克服材料对弹性及塑性变形的抗力增加，从而导致切削力增加。因为铝合金基体的线胀系数远高于SiC 颗粒，所以低温冷却引起SiC 颗粒的压应力和铝合金基体的拉应力，增强了SiCp/Al 复合材料两相之间的界面结合状态［17］，从而导致切削力的增加。

此外，TiAlSiN 涂层的摩擦因数较低［19］，可以减少切屑与刀具之间的摩擦力，所以不论常温和低温下，TiAlSiN 涂层刀具的铣削力均小于TiAlN 涂层刀具。

表1 铣削力Tab.1 Milling force

2.2 铣削表面损伤及表面粗糙度

在SiCp/Al 复合材料加工过程中，不仅有基体和增强颗粒的弹塑性变形，还有颗粒的断裂破坏及其对基体的挤压及耕犁。在扫描电镜下对SiCp/Al复合材料的典型表面形貌进行观察（图2），分析其表面完整性。损伤类型可分为颗粒拔出留下的孔洞、颗粒破碎形成的粉末以及基体开裂和剥落。在加工过程中，基体材料的塑性变形使颗粒周围产生空隙和裂纹。常温与低温条件下均可见到颗粒的拔出及破碎，但低温下铣削后表面铝基体的开裂及剥落等缺陷均显著改善。因为基体表面的裂纹产生，扩展到开裂，再到基体剥落，这一损伤演化过程受温度影响较为明显。李矿等［20］通过试验测定了铝合金材料在不同温度下的裂纹扩展性能，发现低温条件有利于减缓裂纹扩展速率，增强铝合金基体承受载荷后抵抗发生断裂的能力。此外，低温条件下较好的颗粒与基体的界面结合状态也会降低基体开裂的可能性，有助于提高SiCp/Al复合材料加工表面质量。

常温条件下TiAlN 涂层刀具与TiAlSiN 涂层刀具引起的表面损伤程度相似，都能观察到深的裂纹、基体开裂及较大的基体剥落，表面质量相差不大。但低温下TiAlSiN 涂层刀具引起的表面损伤明显减少，能观察到孔洞、裂纹及基体开裂明显改善，这对切削加工的表面质量的控制非常有利。

图3为加工表面的三维形貌轮廓仪结果，显示了TiAlN 涂层铣刀加工表面轮廓与TiAlSiN 涂层铣刀加工表面轮廓。在铣削表面上，沿刀具进给方向均匀选取5个固定位置测量表面粗糙度，取平均值作为最终表面粗糙度值。在常温和低温条件下TiAlN 涂层、TiAlSiN 涂层铣刀加工表面粗糙度分别为Ra=0.91 μm和Ra=0.69 μm、Ra=0.76 μm和Ra=0.46 μm。

经过对两种刀具加工表面轮廓的对比后，发现低温条件下表面损伤明显减少，获得的平均表面粗糙度明显优于常温条件下获得的平均表面粗糙度。低温条件下使用TiAlSiN 涂层铣刀加工的表面粗糙度值最低，质量最优。加工表面的扫描电镜特征（图2）也证实了这一现象。

图3 铣削表面三维轮廓Fig.3 Three-dimensional profile of milling surface

2.3 切屑形貌

为了研究低温对切屑形貌的影响，使用扫描电子显微镜对常温及低温条件下的切屑进行了观察。如图4所示，常温条件相对低温条件下的切屑更为卷曲，因为低温降低铝基体的韧性，韧性降低会使切屑更易折断。

图4 切屑形态及其内表面微观形貌Fig.4 Macro morphology of chip and the micro morphology of its non-free surface

通过观察图4中切屑内表面的微观形貌，可发现液氮条件下的切屑内表面质量更优。常温条件下的切屑内表面较为粗糙，存在孔洞、微裂纹、基体粘结及颗粒破碎。液氮条件下的切屑内表面较为光滑，孔洞、微裂纹及基体粘结现象较少。其中，粘结的基体一部分来自于切屑分离时从已加工表面剥落的基体。由于低温增强了基体的强度，使其不易剥落（图2低温条件下基体剥落损伤减小），基体粘结减少。此外，切屑形成过程中伴随着切屑与刀具之间的挤压与摩擦产生的基体材料粘结。液氮迅速汽化带走大量热量，有效降低了切削区的温度，同时形成的氮气缓冲层降低了切屑和刀具之间的摩擦因数［21］。从切屑内表面的SEM 照片可以推测出，温度及摩擦的降低使得切屑内表面的基体粘结减少。特别是TiAlSiN涂层刀具加工后的切屑内表面干净光洁。

3 结论

（1）在低温条件下TiAlN 和TiAlSiN 两种涂层铣刀获得的铣削力要高于常温条件下的铣削力，分别提高了25.6%和23.7%。无论常温还是低温条件下，TiAlSiN 涂层刀具的铣削力均小于TiAlN 涂层刀具的铣削力。

（2）与常温条件相比，低温条件铣削后表面铝基体的开裂及剥落等缺陷均显著改善，表面损伤较小。常温条件下，TiAlN 涂层刀具与TiAlSiN 涂层刀具引起的表面损伤程度相似，但在低温条件下TiAlSiN 涂层刀具引起的表面损伤明显减小。低温条件下的铣削表面粗糙度降低，使粗糙度达到0.69 和0.46 μm，特别是TiAlSiN 涂层刀具加工表面粗糙度最小。液氮低温铣削有助于提高SiCp/Al复合材料加工表面质量，且低温条件下使用TiAlSiN 涂层刀具可大幅改善加工表面质量。

（3）低温条件下相对常温条件下较易断屑。此外，低温条件下的切屑内表面明显优于常温条件下的切屑内表面。TiAlSiN涂层刀具加工后的切屑内表面干净光洁。