1．引言
近二十年來，隨著科學研究的不斷深入，顆粒增強鋁基復合材料已經發展成為航空航天及汽車工業常用的一種重要新材料。這種材料具有高比強度和比剛度、低熱膨脹系數、低密度、高微屈服強度、良好的尺寸穩定性和導熱性以及耐磨、耐疲勞等優異的力學性能和物理性能。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），隨著對其制備工藝、力學性能的研究取得顯著進展，其應用已擴展到電子、體育用品等日用消費品領域，如制作自行車框架、微電子器件的機座等。而在各種顆粒增強鋁基復合材料中，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鋁基復合材料中使用最多的增強顆粒之一。
SiC顆粒增強鋁基復合材料的基體中彌散分布著的SiC顆粒具有高模量、高強度、高硬度（2800HV）以及良好的高溫性能。這些增強顆粒的強化使得復合材料的屈服強度提高，但復合材料中SiC顆粒周圍和遠離顆粒處應力很不均勻，同時SiC顆粒幾乎不可塑性變形，因此在切削加工過程中基體發生塑性變形而SiC顆粒只發生彈性變形、轉動、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，作為增強相的SiC顆粒本身即是一種高硬度的磨料，在切削過程中會使刀具產生較大的磨損。上述特性使得SiC顆粒增強鋁基復合材料的切削加工性較差，限制了這種材料的進一步推廣和使用。目前國內外研究多集中于用硬質合金、PCD刀具對這種材料進行車削或振動車削加工，而對其切削性能如切削力、表面質量（表面粗糙度、表面形貌）的研究較少。本文主要對SiC顆粒增強鋁基復合材料在高速銑削條件下的切削性能進行試驗與分析。通過銑削試驗研究了銑削速度對切削力、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理，并獲得了可保證較高加工表面質量的銑削參數范圍，對實現此類材料的高效高精度加工具有重要意義。
2．試驗條件與方法
由于復合材料基體中散布著硬脆的SiC顆粒，切削過程中振動較大，因此銑削加工采用高性能的高速加工中心，刀具選用耐磨性優良、耐熱性較好、硬度和韌性較高的超細顆粒涂層硬質合金刀具。
機床：DMU70V高速加工中心(2262009-GB)，主軸轉速：20～12000r/min。
工件材料：SiCp/Al Wt15%，粒度W14，抗拉強度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：銑削速度v=10～180m/min（轉速n=530～9554r/min），進給量f=0.02mm/z，銑削深度ap=0.5mm。
測量裝置：采用由Kistler9227型四分量動態測力傳感器、5019A型電荷放大器、C10-DAS1692/12型數據采集卡組成的測力儀系統測量SiC顆粒增強鋁基復合材料高速銑削過程的切削力，測力系統用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下對工件表面形貌和刀具磨損情況進行觀察研究。
3．試驗結果及分析
3.1 銑削力
按上述銑削試驗方法使用Kistler測力儀系統分別對不同轉速條件下的三向動態銑削力進行測量。根據在轉速v=20m/min時的銑削力實測圖，取銑削過程中銑削力的峰值按從大至小排序的0個值的平均值，得到在主軸轉速v=10～180m/min變化過程中的三向銑削力與銑削速度的關系曲線，由該曲線可知：在其他銑削參數不變的情況下，隨著銑削速度的提高，銑削力Fz、Fy、Fx均隨之逐漸增大；同時，在銑削速度提高過程中，銑削振動也明顯增大。這主要是由以下原因所造成：一是隨著主軸轉速的提高，切削速度增加，材料應變速率增加，單位時間內的切削體積增大，從而導致銑削力增大；二是根據位錯—顆粒交互作用理論，對于顆粒增強金屬基復合材料存在一個臨界應變速率。當應變速率在該臨界值以下時，位錯從顆粒上攀移過的速度大于位錯到達顆粒周圍的速度，則顆粒周圍沒有位錯堆積；當應變速率大于該臨界值時，位錯到達顆粒周圍的速度大于位錯從顆粒上攀移過去的速度，從而導致位錯在顆粒周圍堆積，顆粒中的應力逐漸增加并導致高強度增強顆粒斷裂、破損。因此，在較低的銑削速度、低應變速率條件下，切削過程中裂紋可能沿較長的路徑在強度較低的基體中擴展；但在較高的銑削速度、高應變速率條件下，裂紋易穿過高強度SiC增強顆粒擴展。這就導致隨銑削速度提高，材料應變速率增加，破損、斷裂的增強顆粒數增多，從而使銑削力和銑削振動增大。
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，由于在用涂層硬質合金立銑刀銑削該復合材料的過程中，軟的鋁合金基體發生流動，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，試件被加工表面非常光亮平整，表面形貌很好。隨著轉速升高，在銑削速度v=70～180m/min（n=3715～9554r/min）的范圍內試件被加工表面則出現了沿銑削進給方向的比較嚴重的振紋。這主要是因為切削速度的提高使切削時應變速率變大，破損、斷裂的增強顆粒數增多，銑削力和切削振動都隨之增大，從而導致了振紋的產生和加劇。
隨著切削用量的增大，在高速銑削情況下，銑削加工表面出現較多硬粒脫落凹坑、裂紋等缺陷，加工表面形貌變差。這是因為切削顆粒增強金屬基復合材料時一般得到塑性或半塑性單元切屑，本試驗所加工的復合材料的增強顆粒含量不高，其一個塑性單元體的形成過程仍然經歷“滑—停—滑”三個階段，這三個階段完成的同時也就形成了加工表面。但是由于不可塑性變形的SiC增強顆粒的存在，基體的塑性變形一直受到增強顆粒的干擾。在此過程中刀尖處復合材料裂紋的生成和擴展對加工表面的形成將產生重要影響。由于在較大的應變與較高的應變速率條件下，裂紋易沿短路徑穿過增強顆粒擴展，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象。
試驗中用粗糙度儀對銑削加工表面的實測結果表明，在本試驗銑削參數范圍內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，切削過程中增強顆粒的解離、破碎和脫落增多、振動變大，從而導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，被銑復合材料與螺旋立銑刀的主、副切削刃的頻繁接觸與相對滑動導致了切削刃的磨損。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生的溝槽。這是復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．結論
（1）在用涂層超細顆粒硬質合金立銑刀對SiC顆粒增強鋁基復合材料進行高速銑削加工的過程中，隨著銑削速度提高，單位時間內的切削體積增大，高強度增強顆粒的解離、破碎和脫落增多，導致切削力、切削振動、工件表面粗糙度也都隨之增大。
（2）當銑削深度ap=0.5mm、進給量f=0.02mm/z時，在銑削速度v=10～40m/min（主軸轉速n=530～2123r/min）范圍內，銑削加工表面光亮平整，表面形貌很好。
（3）當采用較大的切削用量（ap=1.5mm、f=0.05mm/z、v=130m/min）進行高速銑削時，切削振動較大，加工表面上會產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，隨著科學研究的不斷深入，顆粒增強鋁基復合材料已經發展成為航空航天及汽車工業常用的一種重要新材料。這種材料具有高比強度和比剛度、低熱膨脹系數、低密度、高微屈服強度、良好的尺寸穩定性和導熱性以及耐磨、耐疲勞等優異的力學性能和物理性能。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），隨著對其制備工藝、力學性能的研究取得顯著進展，其應用已擴展到電子、體育用品等日用消費品領域，如制作自行車框架、微電子器件的機座等。而在各種顆粒增強鋁基復合材料中，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鋁基復合材料中使用最多的增強顆粒之一。
SiC顆粒增強鋁基復合材料的基體中彌散分布著的SiC顆粒具有高模量、高強度、高硬度（2800HV）以及良好的高溫性能。這些增強顆粒的強化使得復合材料的屈服強度提高，但復合材料中SiC顆粒周圍和遠離顆粒處應力很不均勻，同時SiC顆粒幾乎不可塑性變形，因此在切削加工過程中基體發生塑性變形而SiC顆粒只發生彈性變形、轉動、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，作為增強相的SiC顆粒本身即是一種高硬度的磨料，在切削過程中會使刀具產生較大的磨損。上述特性使得SiC顆粒增強鋁基復合材料的切削加工性較差，限制了這種材料的進一步推廣和使用。目前國內外研究多集中于用硬質合金、PCD刀具對這種材料進行車削或振動車削加工，而對其切削性能如切削力、表面質量（表面粗糙度、表面形貌）的研究較少。本文主要對SiC顆粒增強鋁基復合材料在高速銑削條件下的切削性能進行試驗與分析。通過銑削試驗研究了銑削速度對切削力、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理，并獲得了可保證較高加工表面質量的銑削參數范圍，對實現此類材料的高效高精度加工具有重要意義。
2．試驗條件與方法
由于復合材料基體中散布著硬脆的SiC顆粒，切削過程中振動較大，因此銑削加工采用高性能的高速加工中心，刀具選用耐磨性優良、耐熱性較好、硬度和韌性較高的超細顆粒涂層硬質合金刀具。
機床：DMU70V高速加工中心(2262009-GB)，主軸轉速：20～12000r/min。
工件材料：SiCp/Al Wt15%，粒度W14，抗拉強度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：銑削速度v=10～180m/min（轉速n=530～9554r/min），進給量f=0.02mm/z，銑削深度ap=0.5mm。
測量裝置：采用由Kistler9227型四分量動態測力傳感器、5019A型電荷放大器、C10-DAS1692/12型數據采集卡組成的測力儀系統測量SiC顆粒增強鋁基復合材料高速銑削過程的切削力，測力系統用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下對工件表面形貌和刀具磨損情況進行觀察研究。
3．試驗結果及分析
3.1 銑削力
按上述銑削試驗方法使用Kistler測力儀系統分別對不同轉速條件下的三向動態銑削力進行測量。根據在轉速v=20m/min時的銑削力實測圖，取銑削過程中銑削力的峰值按從大至小排序的0個值的平均值，得到在主軸轉速v=10～180m/min變化過程中的三向銑削力與銑削速度的關系曲線，由該曲線可知：在其他銑削參數不變的情況下，隨著銑削速度的提高，銑削力Fz、Fy、Fx均隨之逐漸增大；同時，在銑削速度提高過程中，銑削振動也明顯增大。這主要是由以下原因所造成：一是隨著主軸轉速的提高，切削速度增加，材料應變速率增加，單位時間內的切削體積增大，從而導致銑削力增大；二是根據位錯—顆粒交互作用理論，對于顆粒增強金屬基復合材料存在一個臨界應變速率。當應變速率在該臨界值以下時，位錯從顆粒上攀移過的速度大于位錯到達顆粒周圍的速度，則顆粒周圍沒有位錯堆積；當應變速率大于該臨界值時，位錯到達顆粒周圍的速度大于位錯從顆粒上攀移過去的速度，從而導致位錯在顆粒周圍堆積，顆粒中的應力逐漸增加并導致高強度增強顆粒斷裂、破損。因此，在較低的銑削速度、低應變速率條件下，切削過程中裂紋可能沿較長的路徑在強度較低的基體中擴展；但在較高的銑削速度、高應變速率條件下，裂紋易穿過高強度SiC增強顆粒擴展。這就導致隨銑削速度提高，材料應變速率增加，破損、斷裂的增強顆粒數增多，從而使銑削力和銑削振動增大。
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，由于在用涂層硬質合金立銑刀銑削該復合材料的過程中，軟的鋁合金基體發生流動，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，試件被加工表面非常光亮平整，表面形貌很好。隨著轉速升高，在銑削速度v=70～180m/min（n=3715～9554r/min）的范圍內試件被加工表面則出現了沿銑削進給方向的比較嚴重的振紋。這主要是因為切削速度的提高使切削時應變速率變大，破損、斷裂的增強顆粒數增多，銑削力和切削振動都隨之增大，從而導致了振紋的產生和加劇。
隨著切削用量的增大，在高速銑削情況下，銑削加工表面出現較多硬粒脫落凹坑、裂紋等缺陷，加工表面形貌變差。這是因為切削顆粒增強金屬基復合材料時一般得到塑性或半塑性單元切屑，本試驗所加工的復合材料的增強顆粒含量不高，其一個塑性單元體的形成過程仍然經歷“滑—停—滑”三個階段，這三個階段完成的同時也就形成了加工表面。但是由于不可塑性變形的SiC增強顆粒的存在，基體的塑性變形一直受到增強顆粒的干擾。在此過程中刀尖處復合材料裂紋的生成和擴展對加工表面的形成將產生重要影響。由于在較大的應變與較高的應變速率條件下，裂紋易沿短路徑穿過增強顆粒擴展，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象。
試驗中用粗糙度儀對銑削加工表面的實測結果表明，在本試驗銑削參數范圍內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，切削過程中增強顆粒的解離、破碎和脫落增多、振動變大，從而導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，被銑復合材料與螺旋立銑刀的主、副切削刃的頻繁接觸與相對滑動導致了切削刃的磨損。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生的溝槽。這是復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．結論
（1）在用涂層超細顆粒硬質合金立銑刀對SiC顆粒增強鋁基復合材料進行高速銑削加工的過程中，隨著銑削速度提高，單位時間內的切削體積增大，高強度增強顆粒的解離、破碎和脫落增多，導致切削力、切削振動、工件表面粗糙度也都隨之增大。
（2）當銑削深度ap=0.5mm、進給量f=0.02mm/z時，在銑削速度v=10～40m/min（主軸轉速n=530～2123r/min）范圍內，銑削加工表面光亮平整，表面形貌很好。
（3）當采用較大的切削用量（ap=1.5mm、f=0.05mm/z、v=130m/min）進行高速銑削時，切削振動較大，加工表面上會產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。
