1．引言
近二十年來，隨著科學(xué)研究的不斷深入，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)展成為航空航天及汽車工業(yè)常用的一種重要新材料。這種材料具有高比強(qiáng)度和比剛度、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高微屈服強(qiáng)度、良好的尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性以及耐磨、耐疲勞等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能。由于此類材料具有各向同性并能適用于不同的加工方法（如擠壓、鍛造或軋制成各種型材），隨著對(duì)其制備工藝、力學(xué)性能的研究取得顯著進(jìn)展，其應(yīng)用已擴(kuò)展到電子、體育用品等日用消費(fèi)品領(lǐng)域，如制作自行車框架、微電子器件的機(jī)座等。而在各種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，SiC因其具有較小的密度、較低的制備成本，已成為目前顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中使用最多的增強(qiáng)顆粒之一。
SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的基體中彌散分布著的SiC顆粒具有高模量、高強(qiáng)度、高硬度（2800HV）以及良好的高溫性能。這些增強(qiáng)顆粒的強(qiáng)化使得復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度提高，但復(fù)合材料中SiC顆粒周圍和遠(yuǎn)離顆粒處應(yīng)力很不均勻，同時(shí)SiC顆粒幾乎不可塑性變形，因此在切削加工過程中基體發(fā)生塑性變形而SiC顆粒只發(fā)生彈性變形、轉(zhuǎn)動(dòng)、脆性破壞或脫落，這既不同于脆性材料的切削，也不同于塑性的普通鋁合金的切削；同時(shí)，作為增強(qiáng)相的SiC顆粒本身即是一種高硬度的磨料，在切削過程中會(huì)使刀具產(chǎn)生較大的磨損。上述特性使得SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的切削加工性較差，限制了這種材料的進(jìn)一步推廣和使用。目前國內(nèi)外研究多集中于用硬質(zhì)合金、PCD刀具對(duì)這種材料進(jìn)行車削或振動(dòng)車削加工，而對(duì)其切削性能如切削力、表面質(zhì)量（表面粗糙度、表面形貌）的研究較少。本文主要對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在高速銑削條件下的切削性能進(jìn)行試驗(yàn)與分析。通過銑削試驗(yàn)研究了銑削速度對(duì)切削力、表面粗糙度、表面形貌的影響以及銑削過程中刀具的磨損，揭示了該材料的高速切削機(jī)理，并獲得了可保證較高加工表面質(zhì)量的銑削參數(shù)范圍，對(duì)實(shí)現(xiàn)此類材料的高效高精度加工具有重要意義。
2．試驗(yàn)條件與方法
由于復(fù)合材料基體中散布著硬脆的SiC顆粒，切削過程中振動(dòng)較大，因此銑削加工采用高性能的高速加工中心，刀具選用耐磨性優(yōu)良、耐熱性較好、硬度和韌性較高的超細(xì)顆粒涂層硬質(zhì)合金刀具。
機(jī)床：DMU70V高速加工中心(2262009-GB)，主軸轉(zhuǎn)速：20～12000r/min。
工件材料：SiCp/Al Wt15%，粒度W14，抗拉強(qiáng)度σb=370MPa，彈性模量E=100GPa；試件尺寸33×5×17（mm）。
刀具：TiAlN涂層整體硬質(zhì)合金圓柱螺旋立銑刀(兩刃)，直徑d=6mm。
銑削方式：端銑平面（干式銑削）。銑削參數(shù)：銑削速度v=10～180m/min（轉(zhuǎn)速n=530～9554r/min），進(jìn)給量f=0.02mm/z，銑削深度ap=0.5mm。
測量裝置：采用由Kistler9227型四分量動(dòng)態(tài)測力傳感器、5019A型電荷放大器、C10-DAS1692/12型數(shù)據(jù)采集卡組成的測力儀系統(tǒng)測量SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料高速銑削過程的切削力，測力系統(tǒng)用JB-3C粗糙度測試儀測量工件銑削表面粗糙度；在掃描電鏡SEM下對(duì)工件表面形貌和刀具磨損情況進(jìn)行觀察研究。
3．試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 銑削力
按上述銑削試驗(yàn)方法使用Kistler測力儀系統(tǒng)分別對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下的三向動(dòng)態(tài)銑削力進(jìn)行測量。根據(jù)在轉(zhuǎn)速v=20m/min時(shí)的銑削力實(shí)測圖，取銑削過程中銑削力的峰值按從大至小排序的0個(gè)值的平均值，得到在主軸轉(zhuǎn)速v=10～180m/min變化過程中的三向銑削力與銑削速度的關(guān)系曲線，由該曲線可知：在其他銑削參數(shù)不變的情況下，隨著銑削速度的提高，銑削力Fz、Fy、Fx均隨之逐漸增大；同時(shí)，在銑削速度提高過程中，銑削振動(dòng)也明顯增大。這主要是由以下原因所造成：一是隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，切削速度增加，材料應(yīng)變速率增加，單位時(shí)間內(nèi)的切削體積增大，從而導(dǎo)致銑削力增大；二是根據(jù)位錯(cuò)—顆粒交互作用理論，對(duì)于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在一個(gè)臨界應(yīng)變速率。當(dāng)應(yīng)變速率在該臨界值以下時(shí)，位錯(cuò)從顆粒上攀移過的速度大于位錯(cuò)到達(dá)顆粒周圍的速度，則顆粒周圍沒有位錯(cuò)堆積；當(dāng)應(yīng)變速率大于該臨界值時(shí)，位錯(cuò)到達(dá)顆粒周圍的速度大于位錯(cuò)從顆粒上攀移過去的速度，從而導(dǎo)致位錯(cuò)在顆粒周圍堆積，顆粒中的應(yīng)力逐漸增加并導(dǎo)致高強(qiáng)度增強(qiáng)顆粒斷裂、破損。因此，在較低的銑削速度、低應(yīng)變速率條件下，切削過程中裂紋可能沿較長的路徑在強(qiáng)度較低的基體中擴(kuò)展；但在較高的銑削速度、高應(yīng)變速率條件下，裂紋易穿過高強(qiáng)度SiC增強(qiáng)顆粒擴(kuò)展。這就導(dǎo)致隨銑削速度提高，材料應(yīng)變速率增加，破損、斷裂的增強(qiáng)顆粒數(shù)增多，從而使銑削力和銑削振動(dòng)增大。
3.2 表面形貌及粗糙度
由在不同銑削速度下被銑工件的表面形貌SEM照片可見，由于在用涂層硬質(zhì)合金立銑刀銑削該復(fù)合材料的過程中，軟的鋁合金基體發(fā)生流動(dòng)，加工面被鋁基體薄膜覆蓋，因此銑削后的工件表面比較光亮。
在銑削速度v=10～40m/min的范圍內(nèi)，試件被加工表面非常光亮平整，表面形貌很好。隨著轉(zhuǎn)速升高，在銑削速度v=70～180m/min（n=3715～9554r/min）的范圍內(nèi)試件被加工表面則出現(xiàn)了沿銑削進(jìn)給方向的比較嚴(yán)重的振紋。這主要是因?yàn)榍邢魉俣鹊奶岣呤骨邢鲿r(shí)應(yīng)變速率變大，破損、斷裂的增強(qiáng)顆粒數(shù)增多，銑削力和切削振動(dòng)都隨之增大，從而導(dǎo)致了振紋的產(chǎn)生和加劇。
隨著切削用量的增大，在高速銑削情況下，銑削加工表面出現(xiàn)較多硬粒脫落凹坑、裂紋等缺陷，加工表面形貌變差。這是因?yàn)榍邢黝w粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)一般得到塑性或半塑性單元切屑，本試驗(yàn)所加工的復(fù)合材料的增強(qiáng)顆粒含量不高，其一個(gè)塑性單元體的形成過程仍然經(jīng)歷“滑—?！比齻€(gè)階段，這三個(gè)階段完成的同時(shí)也就形成了加工表面。但是由于不可塑性變形的SiC增強(qiáng)顆粒的存在，基體的塑性變形一直受到增強(qiáng)顆粒的干擾。在此過程中刀尖處復(fù)合材料裂紋的生成和擴(kuò)展對(duì)加工表面的形成將產(chǎn)生重要影響。由于在較大的應(yīng)變與較高的應(yīng)變速率條件下，裂紋易沿短路徑穿過增強(qiáng)顆粒擴(kuò)展，使得顆粒的解離、破碎和脫落增多，由此造成上述加工表面硬粒脫落凹坑、裂紋等缺陷增多的現(xiàn)象。
試驗(yàn)中用粗糙度儀對(duì)銑削加工表面的實(shí)測結(jié)果表明，在本試驗(yàn)銑削參數(shù)范圍內(nèi)得到的加工表面的粗糙度值較小，其Ra值都在0.2μm以下。隨著切削速度的提高，切削過程中增強(qiáng)顆粒的解離、破碎和脫落增多、振動(dòng)變大，從而導(dǎo)致表面粗糙度逐漸增大。
3.3 刀具的磨損
在高速銑削過程中，被銑復(fù)合材料與螺旋立銑刀的主、副切削刃的頻繁接觸與相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致了切削刃的磨損。從SEM下觀察到的刀具磨損圖中可清楚地看到切削刃后刀面上涂層的剝落，同時(shí)在主切削刃后刀面涂層剝落處可清楚看到沿主切削刃切削方向產(chǎn)生的溝槽。這是復(fù)合材料中硬度很高的SiC顆粒在切削過程中所造成的磨料磨損。
4．結(jié)論
?。?）在用涂層超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金立銑刀對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行高速銑削加工的過程中，隨著銑削速度提高，單位時(shí)間內(nèi)的切削體積增大，高強(qiáng)度增強(qiáng)顆粒的解離、破碎和脫落增多，導(dǎo)致切削力、切削振動(dòng)、工件表面粗糙度也都隨之增大。
?。?）當(dāng)銑削深度ap=0.5mm、進(jìn)給量f=0.02mm/z時(shí)，在銑削速度v=10～40m/min（主軸轉(zhuǎn)速n=530～2123r/min）范圍內(nèi)，銑削加工表面光亮平整，表面形貌很好。
（3）當(dāng)采用較大的切削用量（ap=1.5mm、f=0.05mm/z、v=130m/min）進(jìn)行高速銑削時(shí)，切削振動(dòng)較大，加工表面上會(huì)產(chǎn)生許多硬顆粒脫落凹坑、裂紋等缺陷，表面形貌變差。
（4）涂層硬質(zhì)合金銑刀在銑削過程中的主要磨損形式是涂層脫落與磨料磨損。
近二十年來，隨著科學(xué)研究的不斷深入，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)展成為航空航天及汽車工業(yè)常用的一種重要新材料。這種材料具有高比強(qiáng)度和比剛度、低熱膨脹系數(shù)、低密度、高微屈服強(qiáng)度、良好的尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性以及耐磨、耐疲勞等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能。由于此類材料具有各向同性并能適用于不同的加工方法（如擠壓、鍛造或軋制成各種型材），隨著對(duì)其制備工藝、力學(xué)性能的研究取得顯著進(jìn)展，其應(yīng)用已擴(kuò)展到電子、體育用品等日用消費(fèi)品領(lǐng)域，如制作自行車框架、微電子器件的機(jī)座等。而在各種顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中，SiC因其具有較小的密度、較低的制備成本，已成為目前顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中使用最多的增強(qiáng)顆粒之一。
SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的基體中彌散分布著的SiC顆粒具有高模量、高強(qiáng)度、高硬度（2800HV）以及良好的高溫性能。這些增強(qiáng)顆粒的強(qiáng)化使得復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度提高，但復(fù)合材料中SiC顆粒周圍和遠(yuǎn)離顆粒處應(yīng)力很不均勻，同時(shí)SiC顆粒幾乎不可塑性變形，因此在切削加工過程中基體發(fā)生塑性變形而SiC顆粒只發(fā)生彈性變形、轉(zhuǎn)動(dòng)、脆性破壞或脫落，這既不同于脆性材料的切削，也不同于塑性的普通鋁合金的切削；同時(shí)，作為增強(qiáng)相的SiC顆粒本身即是一種高硬度的磨料，在切削過程中會(huì)使刀具產(chǎn)生較大的磨損。上述特性使得SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的切削加工性較差，限制了這種材料的進(jìn)一步推廣和使用。目前國內(nèi)外研究多集中于用硬質(zhì)合金、PCD刀具對(duì)這種材料進(jìn)行車削或振動(dòng)車削加工，而對(duì)其切削性能如切削力、表面質(zhì)量（表面粗糙度、表面形貌）的研究較少。本文主要對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在高速銑削條件下的切削性能進(jìn)行試驗(yàn)與分析。通過銑削試驗(yàn)研究了銑削速度對(duì)切削力、表面粗糙度、表面形貌的影響以及銑削過程中刀具的磨損，揭示了該材料的高速切削機(jī)理，并獲得了可保證較高加工表面質(zhì)量的銑削參數(shù)范圍，對(duì)實(shí)現(xiàn)此類材料的高效高精度加工具有重要意義。
2．試驗(yàn)條件與方法
由于復(fù)合材料基體中散布著硬脆的SiC顆粒，切削過程中振動(dòng)較大，因此銑削加工采用高性能的高速加工中心，刀具選用耐磨性優(yōu)良、耐熱性較好、硬度和韌性較高的超細(xì)顆粒涂層硬質(zhì)合金刀具。
機(jī)床：DMU70V高速加工中心(2262009-GB)，主軸轉(zhuǎn)速：20～12000r/min。
工件材料：SiCp/Al Wt15%，粒度W14，抗拉強(qiáng)度σb=370MPa，彈性模量E=100GPa；試件尺寸33×5×17（mm）。
刀具：TiAlN涂層整體硬質(zhì)合金圓柱螺旋立銑刀(兩刃)，直徑d=6mm。
銑削方式：端銑平面（干式銑削）。銑削參數(shù)：銑削速度v=10～180m/min（轉(zhuǎn)速n=530～9554r/min），進(jìn)給量f=0.02mm/z，銑削深度ap=0.5mm。
測量裝置：采用由Kistler9227型四分量動(dòng)態(tài)測力傳感器、5019A型電荷放大器、C10-DAS1692/12型數(shù)據(jù)采集卡組成的測力儀系統(tǒng)測量SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料高速銑削過程的切削力，測力系統(tǒng)用JB-3C粗糙度測試儀測量工件銑削表面粗糙度；在掃描電鏡SEM下對(duì)工件表面形貌和刀具磨損情況進(jìn)行觀察研究。
3．試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 銑削力
按上述銑削試驗(yàn)方法使用Kistler測力儀系統(tǒng)分別對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下的三向動(dòng)態(tài)銑削力進(jìn)行測量。根據(jù)在轉(zhuǎn)速v=20m/min時(shí)的銑削力實(shí)測圖，取銑削過程中銑削力的峰值按從大至小排序的0個(gè)值的平均值，得到在主軸轉(zhuǎn)速v=10～180m/min變化過程中的三向銑削力與銑削速度的關(guān)系曲線，由該曲線可知：在其他銑削參數(shù)不變的情況下，隨著銑削速度的提高，銑削力Fz、Fy、Fx均隨之逐漸增大；同時(shí)，在銑削速度提高過程中，銑削振動(dòng)也明顯增大。這主要是由以下原因所造成：一是隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，切削速度增加，材料應(yīng)變速率增加，單位時(shí)間內(nèi)的切削體積增大，從而導(dǎo)致銑削力增大；二是根據(jù)位錯(cuò)—顆粒交互作用理論，對(duì)于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在一個(gè)臨界應(yīng)變速率。當(dāng)應(yīng)變速率在該臨界值以下時(shí)，位錯(cuò)從顆粒上攀移過的速度大于位錯(cuò)到達(dá)顆粒周圍的速度，則顆粒周圍沒有位錯(cuò)堆積；當(dāng)應(yīng)變速率大于該臨界值時(shí)，位錯(cuò)到達(dá)顆粒周圍的速度大于位錯(cuò)從顆粒上攀移過去的速度，從而導(dǎo)致位錯(cuò)在顆粒周圍堆積，顆粒中的應(yīng)力逐漸增加并導(dǎo)致高強(qiáng)度增強(qiáng)顆粒斷裂、破損。因此，在較低的銑削速度、低應(yīng)變速率條件下，切削過程中裂紋可能沿較長的路徑在強(qiáng)度較低的基體中擴(kuò)展；但在較高的銑削速度、高應(yīng)變速率條件下，裂紋易穿過高強(qiáng)度SiC增強(qiáng)顆粒擴(kuò)展。這就導(dǎo)致隨銑削速度提高，材料應(yīng)變速率增加，破損、斷裂的增強(qiáng)顆粒數(shù)增多，從而使銑削力和銑削振動(dòng)增大。
3.2 表面形貌及粗糙度
由在不同銑削速度下被銑工件的表面形貌SEM照片可見，由于在用涂層硬質(zhì)合金立銑刀銑削該復(fù)合材料的過程中，軟的鋁合金基體發(fā)生流動(dòng)，加工面被鋁基體薄膜覆蓋，因此銑削后的工件表面比較光亮。
在銑削速度v=10～40m/min的范圍內(nèi)，試件被加工表面非常光亮平整，表面形貌很好。隨著轉(zhuǎn)速升高，在銑削速度v=70～180m/min（n=3715～9554r/min）的范圍內(nèi)試件被加工表面則出現(xiàn)了沿銑削進(jìn)給方向的比較嚴(yán)重的振紋。這主要是因?yàn)榍邢魉俣鹊奶岣呤骨邢鲿r(shí)應(yīng)變速率變大，破損、斷裂的增強(qiáng)顆粒數(shù)增多，銑削力和切削振動(dòng)都隨之增大，從而導(dǎo)致了振紋的產(chǎn)生和加劇。
隨著切削用量的增大，在高速銑削情況下，銑削加工表面出現(xiàn)較多硬粒脫落凹坑、裂紋等缺陷，加工表面形貌變差。這是因?yàn)榍邢黝w粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)一般得到塑性或半塑性單元切屑，本試驗(yàn)所加工的復(fù)合材料的增強(qiáng)顆粒含量不高，其一個(gè)塑性單元體的形成過程仍然經(jīng)歷“滑—?！比齻€(gè)階段，這三個(gè)階段完成的同時(shí)也就形成了加工表面。但是由于不可塑性變形的SiC增強(qiáng)顆粒的存在，基體的塑性變形一直受到增強(qiáng)顆粒的干擾。在此過程中刀尖處復(fù)合材料裂紋的生成和擴(kuò)展對(duì)加工表面的形成將產(chǎn)生重要影響。由于在較大的應(yīng)變與較高的應(yīng)變速率條件下，裂紋易沿短路徑穿過增強(qiáng)顆粒擴(kuò)展，使得顆粒的解離、破碎和脫落增多，由此造成上述加工表面硬粒脫落凹坑、裂紋等缺陷增多的現(xiàn)象。
試驗(yàn)中用粗糙度儀對(duì)銑削加工表面的實(shí)測結(jié)果表明，在本試驗(yàn)銑削參數(shù)范圍內(nèi)得到的加工表面的粗糙度值較小，其Ra值都在0.2μm以下。隨著切削速度的提高，切削過程中增強(qiáng)顆粒的解離、破碎和脫落增多、振動(dòng)變大，從而導(dǎo)致表面粗糙度逐漸增大。
3.3 刀具的磨損
在高速銑削過程中，被銑復(fù)合材料與螺旋立銑刀的主、副切削刃的頻繁接觸與相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致了切削刃的磨損。從SEM下觀察到的刀具磨損圖中可清楚地看到切削刃后刀面上涂層的剝落，同時(shí)在主切削刃后刀面涂層剝落處可清楚看到沿主切削刃切削方向產(chǎn)生的溝槽。這是復(fù)合材料中硬度很高的SiC顆粒在切削過程中所造成的磨料磨損。
4．結(jié)論
?。?）在用涂層超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金立銑刀對(duì)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行高速銑削加工的過程中，隨著銑削速度提高，單位時(shí)間內(nèi)的切削體積增大，高強(qiáng)度增強(qiáng)顆粒的解離、破碎和脫落增多，導(dǎo)致切削力、切削振動(dòng)、工件表面粗糙度也都隨之增大。
?。?）當(dāng)銑削深度ap=0.5mm、進(jìn)給量f=0.02mm/z時(shí)，在銑削速度v=10～40m/min（主軸轉(zhuǎn)速n=530～2123r/min）范圍內(nèi)，銑削加工表面光亮平整，表面形貌很好。
（3）當(dāng)采用較大的切削用量（ap=1.5mm、f=0.05mm/z、v=130m/min）進(jìn)行高速銑削時(shí)，切削振動(dòng)較大，加工表面上會(huì)產(chǎn)生許多硬顆粒脫落凹坑、裂紋等缺陷，表面形貌變差。
（4）涂層硬質(zhì)合金銑刀在銑削過程中的主要磨損形式是涂層脫落與磨料磨損。
