黄树涛，焦可如， 许立福

(1沈阳理工大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 110159；2沈阳理工大学 汽车与交通学院 ,辽宁 沈阳 110159)*



SiCp/Al复合材料加工技术综述

黄树涛1，2，焦可如1， 许立福1

(1沈阳理工大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 110159；2沈阳理工大学 汽车与交通学院 ,辽宁 沈阳 110159)*

SiCp/Al复合材料以其优异的物理力学性能，被广泛应用于众多高科技领域，但实现其高效精密加工的困难性严重制约了SiCp/Al复合材料的推广应用.目前SiCp/Al复合材料的高效精密加工技术已成为一项重要的研究课题.在综合分析国内外相关研究文献的基础上，对SiCp/Al复合材料的切削加工、磨削加工、特种加工以及具有较好发展前景的复合加工等主要加工技术的特点及国内外研究现状进行了分析论述，以期为SiCp/Al复合材料加工技术的研究提供参考.

SiCp/Al复合材料；加工技术；特种加工；磨削加工；复合加工；切削加工

0 引言

SiCp/Al复合材料是以铝合金为基体，SiC颗粒为增强相的一种金属基复合材料，它具有比强度、刚度和比模量高、耐高温、耐磨损、耐疲劳、热膨胀系数小等优异的综合性能，被广泛应用于航空航天、先进武器制造、汽车、光学精密仪器、电子等高科技领域[1-5].SiCp/Al复合材料中的增强相SiC颗粒具有高模量、高强度、高硬度(2 800 HV)和良好的耐高温性能，弥散地分布在铝基体中.SiC颗粒的强化作用使复合材料的屈服强度提高，但却造成增强颗粒周围应力分布状态很不均匀，而且SiC颗粒几乎不发生塑性变形，因此在切削加工过程中基体材料发生塑性变形而SiC颗粒只发生弹性变形、脆性破坏或脱落[6-7].正是由于这些基体材料和增强相材料的截然相反的力学特性，使得其后续加工困难，加工机理也更为复杂[8-9].这些瓶颈问题严重制约了SiCp/Al复合材料的应用，因此，中外学者在SiCp/Al复合材料的加工方面开展了大量的研究工作.

目前研究所涉及的SiCp/Al复合材料的加工方法主要有切削加工、磨削加工和特种加工和复合加工等.其中特种加工方法主要包括电火花加工、激光加工、超声波振动加工和磨料水射流加工等几种形式.复合加工主要有超声振动切削加工、超声振动辅助磨削加工、在线电解磨削加工和电化学辅助磨削加工等方法.目前对SiCp/Al复合材料切削(车、铣、刨、钻等)加工的研究相对较多，如切削力、切削温度，表面形成及表面质量、切屑形成机制、刀具磨损等方面进行了大量的研究[10-15]，而在磨削加工、特种加工和复合加工方面的研究相对较少.本文对SiCp/Al复合材料特种加工、磨削加工、切削加工及几种技术综合在一起的复合加工技术进行了详细论述.介绍了各种加工方法的原理、优缺点及国内外研究进展情况，为SiCp/Al复合材料的加工技术研究提供参考.

1 SiCp/Al复合材料的特种加工

1.1 电火花加工

电火花加工(Eletrical Discharge Machining)是在一种电介质中电极和工件之间所发生的，通过精确控制电火花的放电来加工导电材料的加工方法，其加工原理如图1所示.

图1 EDM加工原理图[16]

与普通金属材料的电火花加工不同，Hung[17]通过实验发现SiCp/Al复合材料中不导电的SiC颗粒对铝基体有“屏蔽”作用，这种“屏蔽”作用降低了材料的去除率，并且随着SiC颗粒体积分数的增大这种“屏蔽”作用加强.因此，对于高体分的SiCp/Al复合材料，采用电火花加工效率极低.另外，由于SiC颗粒的存在，使得放电没有规律性，熔化的铝附在脱落的增强颗粒上，会在电极间形成通路，引起电弧异常，这样使加工表面粗糙度提高[18].Mohan[19]等用黄铜旋转管电极对SiC/6025Al进行放电加工，对电火花加工复合材料的特点进行了分析，研究了SiC颗粒的体积分数对材料去除率、电极损耗率的影响；Dhar[20]等进一步建立了一种优化SiCp/Al复合材料的材料去除率和电极损耗率及表面粗糙度的电火花加工特性的数学模型，该模型考虑了放电电流、脉冲宽度及SiCp/Al材料中SiC颗粒的含量，其结论与Mohan研究结果一致，即SiC颗粒的体积分数越大，电极损耗率就越大，材料去除率越小.

国内的一些学者在SiCp/Al复合材料电火花加工方面，主要研究了加工时峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔等工艺参数对加工效率、表面粗糙度的影响，得到电火花加工SiCp/Al复合材料合理的工艺参数.哈尔滨工业大学的王栋[21]利用混粉电火花加工方法研究了各电加工参数、铝粉粉末对加工效果的影响，形成了一整套的工艺方案；沈阳理工大学的周家林[22]研究了上述各电参数对加工速度和电极损耗的影响，得出体积分数为56%的SiCp/Al复合材料电火花加工的合理的电加工参数.

采用EDM方法加工SiCp/Al复合材料加工的突出问题是电极损耗严重，表面质量差.为解决这一问题，Yan等[23]使用带有通孔的旋转电极代替普通电极，并在电极上安装ZrO2磨光球，即采用钢球抛光电火花加工后的SiCp/Al复合材料，使得加工表面粗糙度有了很大改善，称这种方法为B-EDM方法，其实验装置如图2所示.

图2 B-EDM加工原理图[23]

采用该装置加工SiCp/Al复合材料，比单纯采用EDM方法进行加工，表面粗糙度情况有了很大改善，但仍满足不了该材料精密加工的要求.图3为采用EDM和B-EDM方法加工的材料表面，显然，B-EDM方法的表面质量远远优于EDM方法的表面.

图3 EDM和B-EDM方法加工表面对比[23]

目前电火花加工多用于加工SiCp/Al复合材料的微细阵列孔、盲孔、复杂型腔、槽及该材料的切割加工，但加工中存在的电极迅速磨损，表面质量差等问题限制了它的推广应用.Kandpal[16]SiCp/Al复合材料的电火花加工研究现状作以综述，认为神经网络、灰度关联和遗传算法等可用于优化其加工参数，且电火花加工技术与表面磨削、磨料水射流和电化学加工方法相结合能够更好地用于SiCp/Al复合材料的加工.

1.2 激光加工

目前，对SiCp/Al复合材料的激光加工技术的研究主要集中在孔、型腔加工、材料切割及焊接加工[24]等方面，激光加工SiCp/Al复合材料的研究相对较少.Müller[18]对激光加工和电火花加工的特性进行了对比，认为激光加工比电火花加工方法具有更高的金属去除率，并且激光加工时加工材料承受更大的热负荷，切口宽度和表面粗糙度的大小是激光加工最重要的质量标识之一.而使用激光加工SiCp/Al复合材料的表面存在典型的条纹，如图4所示.通过改变进给率能够改善被加工材料的表面粗糙度，减小进给速率能使加工表面变得更为光滑.采用较大的激光功率和较低的进给速率，能够引起被加工材料侧面烧蚀，使切口宽度变大[25].

(工件材料: AA2618/SiC/20p; PRC CO2 Laser; PL=1.6 kW; v=600 mm/min; Ra=6.6 μm)图4 激光切割表面的条纹模型[25]

激光加工主要用于SiCp/Al复合材料的切割加工，虽然能得到非常小的切缝宽度和近乎于平行的切缝侧面，且加工效率高于电火花加工，但热损伤较大[25]，因此其应用具有较大局限性.

1.3 超声振动加工

超声加工(Ultra Sound Machining)是由超声发生器产生高频电振荡，由超声换能器将高频电振荡转换成超过声频振动，并通过变幅杆将振动的振幅放大， 驱动以一定的静压力压在工件表面的刀具产生相应频率的振动，刀具端部的磨料不断捶击工件，使加工区工件材料被粉碎成很细的微粒，被循环的磨料悬浮液带走，从而加工出工件上和工具相对应的形状，其加工原理如图5所示.

图5 超声加工原理[26]

与电火花加工不同，超声加工不受被加工材料是否导电的限制，这种加工方法常与其他加工方法相结合来加工SiCp/Al复合材料.如超声振动切削、超声电火花加工[27]和超声电解加工等等.

江希龙[28]等研制了超声振动切削加工设备，即将超声振动系统(如图6)安装在机床主轴上进行SiCp/Al复合材料切削加工，研究了体积分数为55%的SiCp/Al复合材料在普通切削和超声振动切削条件下，切削力和已加工表面质量的变化情况及两种切削条件下材料的去除机理和加工表面形貌的差异，认为超声振动切削具有切削力小，加工表面质量好，刀具磨损小等优点.

图6 超声振动系统结构示意图[28]

徐可伟等[29]使用超声振动方法切削SiCp/Al复合材料，从切屑形态、切屑变形系数、剪切角、表面微观形貌、表面粗糙度和表面残余应力几方面与普通切削进行比较分析，得出超声振动切削SiCp/Al复合材料具有切屑变形小，表面粗糙度低等特点，加工过程更为稳定，是适于SiCp/Al复合材料精密切削的一种加工方法.

焦峰等[30]使用PCD刀具车削SiCp/Al复合材料，对超声振动车削和普通车削条件下的切削力进行对比，并通过正交实验得到了超声振动切削条件下主切削力的公式.在进给量f=0.08mm/r，ap=0.3 mm保持不变，改变机床转速的条件下，比较了超声振动和普通切削切削力的大小，得出结论：在较小的进给量下，超声振动切削的主切削力远小于普通车削.

综上所述，与普通切削相比，超声振动加工能够降低切削力改善切削状况，加工表面粗糙度更低，减少表面损伤和切屑变形，PCD超声振动铣削SiCp/Al复合材料的铣削力低于普通铣削[31]，是实现SiCp/Al复合材料精密加工的最有前途的方法之一，有望用于SiCp/Al复合材料薄壁件的加工.

1.4 磨料水射流加工

磨料水射流的切割原理就是利用几十至几百兆帕的磨料(碳化硅、金刚砂、石英砂等)水通过特殊设计的孔径极小的喷嘴，图7为喷嘴结构组件示意图.通过每秒几百米高速喷出的磨料水射流的冲击、剪切及浸蚀作用进行切割的.

图7 喷嘴结构示意图[25]

与其它特种加工技术相比较，磨料水射流具有很多优点，加工过程中不产生高温，因此不象电火花和激光加工那样被加工材料上会产生热影响带，同时高的进给速率使磨料水射流成为一种有效率的加工方法.Müller[25]等研究了体积分数为20%的SiCp/Al复合材料的水射流加工的表面质量情况，采用300 MPa的水压，比较不同进给速度参数加工表面粗糙度大小.结果表明，随着进给速度的增加，材料的切口宽度减小，表面粗糙度增大.图8为一定参数下磨料水射流切削表面形貌.

(水压=300 MPa; v=450 mm/min; 工件材料: AA2618/SiC/20p)图8 磨料水射流切削表面形貌[25]

磨料水射流加工工件时，是通过数控进给系统精确地驱动切割枪运动，这使得加工尺寸误差小，切缝仅1 mm左右，因此该方法具有效率高，加工表面质量好，材料利用率高，通用性好，无热影响区等优点，但目前使用磨料水射流方法来加工SiCp/Al复合材料的研究较少，有待于进一步开展此方面的研究.

2 SiCp/Al复合材料的磨削加工

SiCp/Al复合材料已经成为高科技领域最有前途获得广泛应用的材料之一，这必将对其加工精度和表面质量提出更高的要求，而磨削加工是机械领域实现精密及超精密加工最为重要、高效的加工方法，因此，将磨削加工应用于SiCp/Al复合材料精密加工具有重要的实际意义.相对于切削加工，SiCp/Al复合材料磨削加工的研究相对较少，且主要集中在对不同砂轮的磨削性能的比较，磨削参数对磨削力和表面粗糙度的影响及磨削的典型形貌方面[32-35]. Di Ilio[36]等人通过磨削实验对体积分数为15%～20%SiCp/Al复合材料的磨屑形态、表面粗糙度和磨削力进行了研究；Ronald[37]等采用两种不同的砂轮磨削SiCp/Al2124复合材料，综合考虑两种砂轮对磨削特性的影响后得出结论：树脂结合剂金刚石砂轮优于电镀金刚石砂轮.江苏科技大学的张春燕[38]等利用有限元软件对单颗粒金刚石磨粒磨削SiCp/Al复合材料的过程进行了模拟仿真，研究了磨削速度和磨削深度等参数对于磨削力的影响.Zhang Weizhong[39]等人的研究表明，在一定微加工参数的磨削条件下，能够实现颗粒增强金属基复合材料无损伤表面加工，是实现金属基复合材料精密、超精密加工很有前途的一种加工方法.

沈阳理工大学科研团队在高体分(体积分数为56%)SiCp/Al复合材料的磨削加工方面进行广泛而深入的研究，并取得了若干成果.赵雷、石莉等[40-41]采用金刚石和SiC砂轮对SiCp/Al复合材料进行平面磨削实验，研究了磨削深度和进给速度等磨削参数对磨削力的影响，并对比两种砂轮加工后的表面形貌和已加工表面质量的影响，认为金刚石砂轮能够获得较好的加工表面质量.仿真了材料磨削后的表面形貌及SiC颗粒的五种状态.王福松等[42]基于压痕断裂力学的方法，建立了SiCp/Al复合材料二维实体模型，研究了压痕深度对该材料磨削加工去除机理的影响.于晓琳等[43]研究了磨削加工高体分SiCp/Al复合材料的表面形成机制，对磨削表面的形成机理做了进一步研究，根据磨削表面的特点和缺陷形式，运用磨削表面微观形貌的表征参数体系，对SiCp/Al材料表面质量进行了评价.并比较在干、湿两种条件下，金刚石砂轮磨削SiCp/Al复合材料的表面形貌和表面粗糙度，认为无论在已加工表面缺陷还是表面粗糙度方面，湿式磨削都优于干式磨削；Zhou L, Zhang C Y等[44-46]对各种磨削条件温度场分布进行了有限元模拟，并取得了与实验较吻合的仿真结果；进行了SiCp/Al复合材料的在冷冻条件下磨削特性研究.Huang等[47]研究了磨削高体分SiCp/Al复合材料的切屑形状和切屑形成机制，通过扫描电镜和功率谱密度来观察切屑表面形貌并揭示切屑形成的多样性，表现为铝基体切屑、SiC切屑和Al-SiC混合切屑，其形态均表现为锯齿形.

3 SiCp/Al材料的复合加工

3.1 超声振动磨削放电复合加工

超声振动磨削放电加工原理如图9所示.在加工过程中，工具电极与工件分别接脉冲电源的两个输出端，工具电极在机床主轴的带动下进行旋转运动的同时进行超声振动.脉冲放电产生的瞬时高温使工件表面金属基材料局部熔化、气化，同时砂轮磨削使增强相颗粒脱落，达到去除材料的目的.

图9 超声振动磨削放电加工原理图[48]

西北工业大学的赵铠月等[48]研究了超声振动磨削放电复合加工SiCp/Al复合材料的方法，其实质是在电火花和磨削加工的基础上，在工具电极上叠加一个超声振动，同时，在电极磨条的机械磨削作用下，强制去除硬质颗粒，以期改善加工表面粗糙度.扫描电镜和能谱分析结果表明：与电火花加工相比，超声振动磨削复合放电加工的稳定性增加，加工工件表面质量更高.闫鹏等[49]从已加工表面粗糙度和表面形貌出发，比较了单一磨削、超声振动辅助磨削-电火花脉冲放电复合加工和磨削-电火花脉冲放电复合加工的优缺点.结果表明，复合磨削可以提高加工表面质量，减少裂纹和热应力的产生.

3.2 电化学辅助磨削加工

电化学辅助磨削加工(Grinding-electrochemical discharge machining)简称G-ECDM加工.它包含了电化学熔解ECM、电火花烧蚀EDM和直接的机械磨削Grinding三个过程.在G-ECDM加工中，电解质为工具电极和工件提供有限的电流，ECM过程起到溶解增强相周围金属相的作用，从而使EDM过程在相对较大放电间隙的状态下得以顺利进行，促进切屑的形成和去除.一般说来，工具电极为阴极，工件为阳极.在其加工原理如图10所示.

图10 G-ECDM 加工原理图[50]

由于磨削加工作用于电火花浸蚀所形成的材料层，而裂纹、孔隙等表面缺陷通常都出现在这一材料层，因此，这种磨削作用不仅能够提高材料去除率，而且还能提高表面加工质量.研究数据也表明了电化学辅助磨削加工SiCp/Al复合材料比单纯电化学加工具有更高的加工效率和表面质量，体积分数为10%的SiCp/Al采用G-ECDM方法加工所得到已加工表面粗糙度Ra值为0.26 μm，而使用ECDM方法加工其表面粗糙度Ra为2.5 μm，约为G-ECDM电化学辅助磨削加工的10 倍.

3.3 ELID精密磨削加工

ELID磨削是实现SiCp/Al复合材料精密磨削加工技术之一，加工原理如图11 所示，金刚石砂轮与电源正极相连作为阳极，电解电极与电源负极相连作为阴极.喷嘴喷出具有电解功能的磨削液并充满阴、阳极之间，在直流脉冲电源的作用下，整个系统处于电解状态，砂轮表面的金属结合剂被不断去除露出新磨粒，使砂轮始终保持良好的磨削状态，同时，砂轮表面电解形成钝化膜，有效地抑制了砂轮的过度电解，达到平衡状态，从而达到最佳磨削效果.

图11 ELID平面磨削原理图[51]

Ohmori 等[52-54]自提出 ELID方法以来,一直专注于该技术的研究，对表面形成机理进行了磨削试验研究，开发了ELID专用电源、ELID专用磨削液，同时针对难加工硬脆材料(单晶硅、碳化硅、碳化钨、碳化钛等)的ELID镜面磨削加工提出了硬脆材料在延性方式下的磨削理论，系统地讨论了各种磨削工艺参数对加工性能的影响.目前该方法已成功应用于平面反射镜、球面、非球面透镜及其模具的纳米级加工中，并成功开发了ELID纳米级磨床[55].哈尔滨工业大学对该技术进行了深入系统的研究.沈阳理工大学应用该技术对体积分数为56%SiCp/Al复合材料进行了在线电解磨削特性研究，获得了镜面磨削效果[56]，如图12所示.

图12 SiCp/Al复合材料镜面磨削表面

综上所述，将不同加工方法合理复合在一起的复合加工技术能够提高加工效率、获得良好的表面质量和加工精度，使用复合技术加工SiCp/Al复合材料是最具前途的加工方法，能够实现SiCp/Al复合材料的精密及超精密加工.

4 SiCp/Al复合材料切削加工研究

关于SiCp/Al复合材料的切削加工，中外学者在切削力变化规律、切屑形态、切削温度、表面质量和刀具磨损方面做了大量的工作，并且取得了许多成果[11,13-14,].

Pramanik[57]等建立了在切削SiCp/Al复合材料时的预测切削力的力学模型.Dabade[58]等也从刀具与切屑之间的摩擦入手，来预测切削SiCp/Al复合材料时的切削力.Jayakumar[59]等对5%、10%、15%、20%四种不同体积分数的SiCp/Al复合材料进行铣削实验，使用红外热像仪来研究刀具与工件界面温度，Dabade[60]等人在同一切削参数下比较了10%和30%的SiCp/Al材料的切削表面，发现较高体积分数的材料表面存在着较多的凹坑和裂纹等缺陷.

南京航空航天大学边卫亮等通过高速正交铣削实验建立了切削力预测模型.葛英飞等[61]在600～1 200 m/min速度范围内，对高速铣削SiCp/Al复合材料的切削温度进行了试验研究，得到铣削参数对温度的影响；他们对SiCp/Al复合材料刀具的磨损机理也进行了研究[12，15].Y.F. Ge[62]，R.Bian[63]等对SiCp/Al复合材料进行高速精密切削，得到Ra值在20～30 nm的镜面级加工表面，但扫描电镜和原子力显微镜下可以看到已加工表面仍然存在着凹坑、空洞和微裂纹等缺陷.华南理工大学的全燕鸣等对复合材料的切削加工表面结构与表面粗糙度做了较系统的研究[64-66]，特别是对颗粒增强铝基复合材料的已加工表面形貌及其影响因素做了更加深入细致的探究.

沈阳理工大学对高体分SiCp/Al复合材料的高速精密切削加工进行了较为系统、深入的研究[5,7,10,67-69]，研究了车削、铣削、车铣等不同加工工艺条件下加工方式、刀具几何参数、切削用量等因素对切削力、切削温度、刀具磨损、已加工表面粗糙度和表面形貌的影响及变化规律，研究了不同铣削方式下SiCp/Al复合材料的表面形成机理和形貌特征.定义了二维切削状态下棱边缺陷的特征参数，基于聚类分析理论建立了高体分SiCp/Al复合材料棱边缺陷的特征图谱[5]；对SiCp/Al复合材料薄壁件的切削加工变形、损伤机理及抑制方法等进行了研究，提出了抑制变形的方法.

5 结论

随着SiCp/Al复合材料应用日趋广泛，对其加工技术的研究需求也更加迫切.目前，鉴于特种加工和复合加工在实际应用中的局限性，切削加工仍然是当前SiCp/Al复合材料进行加工的主要方法，针对具体结构件特别是大型结构件的高效精密切削加工工艺仍然是一个重要的研究课题；磨削加工是实现SiCp/Al复合材料高效、精密加工的重要方法，其中ELID磨削是适用于SiCp/Al复合材料的，最有前途的复合加工技术之一，能够实现SiCp/Al复合材料的镜面加工；SiCp/Al复合材料的特种加工技术中，电火花加工研究较为广泛和深入，而其他加工技术如激光加工、磨料水射流等还有待于进一步深入研究；超声振动切削、超声振动磨削放电加工、电化学辅助磨削等复合加工技术具有各自的特点和优势，有待深入研究和发展.

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Review of SiCp/Al Composite Machining Technology

HUANG Shutao1，2, JIAO Keru1, XU Lifu1

(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China;2. School of Automotive and Traffic, Shenyang Ligong University,Shenyang 110159, China)

SiCp/Al composites have been applied widely in many high technologies owing to their excellent physical and mechanical properties. However, the popularization and application of SiCp/Al composites were limited because of the difficulty to realize efficient and precise processing. At present, the efficient and precise machining technology of SiCp/Al composites has become an important research subject. Based on the relative literatures, the characteristics of main machining technologies of SiCp/Al composites are reviewed, such as the cutting machining, abrasive machining, non-traditional machining and composites machining with a good promising etc. The domestic and foreign research status of SiCp/Al composites machining techniques are also analyzed and reviewed, which can provide reference for the study of SiCp/Al composite machining technologies.

SiCp/Al composites; machining technology; non-traditional machining; abrasive machining; combined machining

1673- 9590(2016)06- 0001- 09

2016-06-13

国家自然科学基金资助项目(51275316)

黄树涛(1964-)，男，教授，博士, 主要从事新材料精密及特种加工技术、高速切削加工技术的研究

A

E- mail:krjiao@aliyun.com.