盆洪民，刘 鑫，倪 娜，陈志涛，刘 飞，岳彩旭

（1.天津航天机电设备研究所，天津 300458；

2.哈尔滨理工大学机械动力工程学院，哈尔滨 150080）

SiCp/Al 复合材料具有独特的力学和物理性能，在航空航天、精密仪器及汽车等领域具有广阔的应用前景。由于材料中存在增强相，加大了材料的硬度和耐磨性，使该类铝基复合材料的切削过程变得非常困难，导致刀具磨损严重、加工效率低及工件表面质量差，并限制了SiCp/Al 的进一步应用[1]。

为了改善此材料的加工性能，诸多学者展开了此种材料切削机理和工艺优化方面的研究。Dabade 等[2]对SiCp/Al 已加工表面特征进行了研究，试验指出带修光刃的PCD 刀片的切削力比不带修光刃的PCD 刀片要小，且加工表面特征与表面质量较好。Debade 等[3]对体积分数为20%与30%和颗粒度为15μm、65μm的SiC/2024Al–MMCs 进行了研究，结果表明15μm 颗粒度SiC/Al MMCs已加工表面缺陷明显减少，即细颗粒和高体积分数的材料可以得到更低的表面粗糙度。车明帆[4]利用K10、PCBN 和PCD 3 种材料的刀具车削高体积分数SiCp/Al，探究了不同刀具材料对切削高体积分数SiC/Al MMCs 刀具磨损机理和已加工表面粗糙度的影响。王大镇[5]采用PCD刀具对金属基复合材料进行车削试验，分析切削参数对切削力的影响，发现颗粒含量越多切削力越大。葛英飞等[6]利用PCD 刀具超精密车削颗粒体积分数为15%的铝基复合材料，试验结果表明PCD 刀具主要发生脆性崩刃、剥落、磨粒磨损和石墨化磨损。Muthukrishnan 等[7]对颗粒体积分数10%和20%的SiC/Al356–MMCs进行车削试验，研究发现颗粒体积分数20%的SiC/Al356–MMCs 发生的刀具磨损更严重。Ibrahim 等[8]揭示了颗粒尺寸对SiCp/Al 切削过程刀具的寿命影响。Gonzalo 等[9]对质量分数25%的SiCp/2124Al 复合材料切削过程展开了研究，揭示了不同刀具材料对加工过程、表面粗糙度、切削力、刀具磨损的影响。韩荣第等[10]对不同体积分数SiC/2024Al–MMCs进行切削试验，结果表明3 个方向切削力都随切削速度的增加而增大，并且增强颗粒体积分数越高、尺寸越大，切削力则越大。刘汉中[11]利用PCD 刀具精密车削体积分数为45%的SiCp/2024Al 复合材料，对车削工艺和刀具磨损展开研究，得出PCD刀具主要磨损形式为刻划磨损、粘结磨损、摩擦磨损、月牙凹磨损，同时伴随微崩刃和颗粒脱落等破坏形式。吕立生等[12]采用PCD 刀具车削了高体积分数SiCp/Al 复合材料，研究结果表明PCD 刀具的加工性能要远好于硬质合金刀具，更适合高体积分数SiCp/A1 复合材料的精密加工。

针对SiCp/Al 复合材料切削加工过程，刀具寿命和已加工表面质量与复合材料中颗粒含量关系密切，为探寻合适的切削条件来实现此材料切削工艺的优化，本文对不同粒度SiCp/Al 的PCD 刀具切削过程展开研究，为SiCp/Al 复合材料车削工艺的优化提供理论基础。

试验条件与方案

1 试验条件

为了揭示颗粒含量对SiCp/7075Al 复合材料切削性能的影响，并得到相应优化的切削参数，本研究进行了如下切削试验。试验采用PCD 金刚石三角形刀片对颗粒体积分数为25%微米级（7μm）SiCp/2009Al 复合材料和颗粒体积分 数 为5% 纳米级（200～800nm）SiCp/7075Al 复合材料进行车削试验，其中微米级SiCp/Al 采用粉末冶金法制备，纳米级SiCp/Al 采用搅拌铸造法制备。本试验切削条件为干式切削，SiCp/Al 的力学性能分别如表1 和表2 所示，试验用刀具材料力学性能如表3 所示。

2 切削试验方案的设计

试验采用单因素法研究了切削速度、背吃刀量和进给量对SiCp/Al切削过程中刀具磨损及工件表面质量的影响。试验机床为大连机床生产的CA6150 数控车床，试验用PCD金刚石刀片的型号为TNMG160408，试验现场和PCD 刀具如图1 和图2所示。刀具磨损状态采用基恩士公司生产的超景深显微镜检测，刀片磨损微观形貌采用型号为SU–350 日立扫描电子显微镜检测。工件已加工表面形貌采用Taylor Map CCI 白光干涉仪进行测量，表面粗糙度采用手持式粗糙度仪进行测量。

切削试验结果及讨论

1 SiCp/Al 复合材料颗粒含量对 切削过程的影响

为了研究颗粒含量对切削过程的影响，在切削速度为70m/min，进给量为0.05mm/r，背吃刀量为0.5mm时，当切削相同距离（L=1000mm）后，利用超景深显微镜测得的刀具磨损情况如图3 和图4 所示。切削颗粒体积分数5%纳米级SiCp/Al 刀具磨损要明显小于颗粒体积分数25%微米级SiCp/Al。在此切削参数下，切削25% SiCp/Al 时，前刀面磨损值最大为0.239mm，后刀面磨损值最大为0.132mm。PCD 刀具切削体积分数5% SiCp/Al 时，前刀面磨损值最大为0.159mm，后刀面磨损值最大0.117mm。同时，两种切削情况下刀具前刀面上最显著的特征是出现了明显划痕，这是由于切屑划擦作用而导致的，而后刀面在磨粒磨损的作用下出现了明显的磨损现象。分析试验结果可知，当颗粒体积分数增大时，刀具前刀面和后刀面的磨损现象也明显加剧。

表1 颗粒体积分数25%微米级SiCp/2009Al复合材料的力学性能Table 1 Mechanical properties of micron-level 25% SiCp/2009Al composites

表2 颗粒体积分数5%纳米级SiCp/7075Al复合材料的力学性能Table 2 Mechanical properties of nanometer-level 5% SiCp/7075Al composites

表3 试验用PCD材料的力学性能Table 3 Mechanical properties of PCD materials for testing

图1 试验现场图Fig.1 Experimental set-up

图2 试验用PCD刀具Fig.2 PCD cutting tool

不同含量SiCp/Al 经PCD 刀具切削相同距离（L=1000mm）后的已加工表面形貌如图5 所示。分析试验结果可知，切削5% SiCp/Al 时，已加工表面粗糙度Ra值为0.18μm，工件表面形貌较好。当SiCp颗粒体积分数增大到25%时，其表面粗糙度Ra值为0.21μm。对比发现，切削颗粒体积分数为5% SiCp/Al 时，SiC 颗粒脱落后形成的凹坑少，此时工件表面纹理较好，形貌较为均匀。当颗粒体积分数增大到25%时候，表面质量变差，其原因可以解释为颗粒体积分数的增加使得工件材料力学性能产生了变化，当增大到一定数值时候，不但SiC 颗粒发生了断裂和脱落，并且颗粒之间也发生了干涉，进而导致了已加工表面质量的变差。

图3 切削25% SiCp/Al复合材料时刀具磨损情况Fig.3 Tool wear when cutting 25% SiCp/Al composites

图4 切削5% SiCp/Al复合材料时刀具磨损情况Fig.4 Tool wear when cutting 5% SiCp/Al composites

图5 不同颗粒含量SiCp/Al复合材料加工表面形貌图Fig.5 Surface topography of SiCp/Al composites with different particle contents

2 切削参数对表面粗糙度及刀具 前刀面磨损的影响

车削不同颗粒含量SiCp/Al 时，切削参数的选取对工件的表面质量和刀具的磨损程度有着重要影响。本研究从切削速度、进给量、背吃刀量3 个方面对刀具前刀面磨损和工件表面粗糙度进行了单因素分析。当进给量0.05mm/r、背吃刀量0.5mm，切削速度从60m/min 增大到100m/min 时，表面粗糙度和刀具磨损量随切削速度的变化如图6 所示。相比于颗粒体积分数为25%微米级SiCp/Al 复合材料，颗粒体积分数为5%纳米级SiCp/Al 复合材料得到的表面粗糙度值更小，刀具磨损更小。当切削速度增大，表面粗糙度值减小，且刀具磨损速度也加快，当切削速度大于80m/min 时，刀具磨损剧烈，刀具的使用寿命也急剧下降。

当切削速度和背吃刀量保持不变，表面粗糙度和刀具前刀面磨损量随着进给量的变化如图7 所示。当切削速度40m/min、背吃刀量0.5mm，进给量从0.06mm/r 增大到0.1mm/r 时，表面粗糙度值呈明显增大趋势。另外，进给量增大，刀具磨损速度也加快，当进给量大于0.08mm/r 时，刀具磨损剧烈，导致刀具使用寿命急剧下降。相比于颗粒体积分数为25%微米级SiCp/Al，颗粒体积分数为5%纳米级SiCp/Al在切削加工时的表面质量更好，刀具磨损也更小。

图6 切削速度对表面粗糙度和刀具磨损的影响Fig.6 Effect of cutting speeds on surface roughness and tool rake wear

图7 进给量对表面粗糙度和刀具磨损的影响Fig.7 Effect of cutting feed rate on surface roughness and tool rake wear

图8 背吃刀量对表面粗糙度和刀具磨损的影响Fig.8 Effect of cutting depth on surface roughness and tool rake wear

图9 积屑瘤的产生和刀具后刀面磨损情况Fig.9 Built-up edge and tool flank wear in cutting process

当切削速度为40m/min，进给量为0.05mm/r，被吃刀量从0.6mm 增大到1mm 时，表面粗糙度和刀具磨损量随着背吃刀量的变化关系如图8 所示。此时，表面粗糙度Ra值呈增大趋势，背吃刀量增大，刀具磨损速度加快，刀具磨损剧烈，刀具的使用寿命急剧下降。相比于颗粒体积分数为25%微米级SiCp/Al 复合材料，颗粒体积分数为5%纳米级SiCp/Al复合材料在切削加工时，刀具磨损量较小。

3 PCD 刀具磨损特性研究

刀具磨损是影响已加工表面质量的重要因素。为了揭示切削过程PCD 刀具的磨损特性，采用扫描电子显微镜（SEM）对SiCp/Al 复合材料车削产生的刀具磨损区域的形貌进行了研究。由于复合材料的热导率远小于PCD 刀具，铝基体在切削过程中易被加热软化而发生塑性流动，而铝基体对切削温度敏感，在切削过程中软化使得“冷焊”现象更容易发生，切屑在流出过程中滞留在前刀面上，并黏附在前刀面刃口部位的沟槽中形成积屑瘤，如图9（a）所示。积屑瘤对刀具前刀面具有一定的保护作用，可以避免前刀面发生进一步的磨粒磨损。

切削过程剧烈的机械应力和热冲击的作用，使得切削刃局部产生细小缺口和微裂纹，这些缺口周围的裂纹不断扩展，最终导致刀具的微崩刃，如图9（b）所示。同时，切削过程中虽然PCD 刀具的硬度远高于SiCp/Al 复合材料的铝合金基体，但是工件材料中存在大量SiCp硬质颗粒，而且加工过程中也有部分松动脱落的金刚石颗粒混入前、后刀面，这些硬质点不断地与PCD 刀具发生高频刻划和剧烈摩擦作用，进而使得刀具发生磨粒磨损，进而导致了在PCD 刀具后刀面承受剧烈热力耦合作用的部位出现了微细沟。

结论

本文对不同粒度SiCp/Al 复合材料的PCD 刀具切削过程展开了研究，得到了颗粒含量和切削参数对已加工表面质量和刀具磨损的影响规律，研究结果为选择合适的切削参数提供了理论依据。选取本文切削参数进行研究时，可以得出如下结论：

（1）与颗粒体积分数5%纳米级SiCp/Al 复合材料相比，体积分数为25%微米级SiCp/Al 复合材料在相同的切削参数时PCD 刀具磨损更为严重，且工件已加工表面质量相对较差。

（2）切削试验结果表明随着切削速度的增大，已加工表面粗糙度值减小，刀具磨损加剧。随着进给量和背吃刀量的增加，工件表面粗糙度值增大，刀片前刀面磨损量加剧。

（3）积屑瘤能够一定程度上抑制磨粒磨损对PCD 刀具前刀面的摩擦作用，剧烈的热、力载荷和SiCp硬质颗粒划擦作用是PCD 刀具磨粒磨损和刃口微崩刃的主要成因。