SiCp_Al复合材料的加工表面质量研究进展

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SiCp/Al复合材料的加工表面质量研究进展

张德光，周丽，王洋，常国瑞

沈阳理工大学

摘要：SiC颗粒增强Al基（SiCp/Al）复合材料由于具有优良的综合性能，在同类复合材料中有较大优势，因而在许多对材料具有较高要求的行业中得到了广泛应用，并体现出相应的使用价值。但是，增强相颗粒的加入导致SiCp/Al复合材料加工性能降低。本文结合不同加工技术，并从切削参数、刀具条件和增强颗粒特征等角并对其影响因素进行了详细的论述。度综述了国内外学者对SiCp/Al复合材料加工表面质量的研究状况，

关键词：SiCp/Al复合材料；加工技术；表面质量；研究现状；影响因素中图分类号：TG704；TH161．1

文献标志码：A

ProgressinＲesearchofProcessingSurfaceQualityofSiCp/AlCompositeMaterial

ZhangDeguang，ZhouLi，WangYang，ChangGuorui

Abstract：BecauseoftheexcellentcomprehensiveperformanceofSiCparticlereinforcedAlmatrix（SiCp/Al）com-positematerialandtheadvantageinthesamekindofcompositematerial，itiswidelyusedinindustrieswithhigherrequire-mentofmaterials，andthevalueinuseisreflected．Meanwhile，withthereinforcedparticlesjoiningin，thecompositema-terialprocessingperformanceofSiCp/Alisdecreased．Accordingtothedifferentprocessingtechnology，theresearchstatustoolofSiCp/Alcompositematerialsprocessingsurfacequalityisreviewedinseveralaspectssuchasthecuttingparameters，conditionsandenhancedparticlecharacteristics，anditsinfluencefactorsaredescribedindetails．

Keywords：SiCp/Alcompositematerials；processingtechnology；surfacequality；researchstatus；influencefactors

1引言

本文综述了国内外学者利用不同加工技术对SiCp/Al复合材料的研究，并分析了加工表面质量的影响因素。

随着科学技术的飞速发展，现代工业各领域对

材料的加工质量要求越来越高，尤其在SiCp/Al复合材料方面，其加工表面质量决定了材料抵抗应力、温度、腐蚀等不良条件的能力以及对尺寸稳定性的控制能力

［1］

2车削加工

车削具有切削力变化小、切削过程平稳、有利于生产效率高等优点。目前，对高速切削和强力切削、

于SiCp/Al复合材料加工表面质量的研究，在车削加工技术方面最为普遍。

UdayA．Dabade［1］等人对SiCp/Al复合材料车削加工研究发现：当采用带有Wiper刀片的CBN刀具车削SiCp/Al复合材料时，在加工表面的微观组织中，大量的进给痕迹、小坑、裂纹等缺陷显著减少，这一效果在Al/SiC/30p复合材料中较为明显。表面残余应力的状态由未加工表面上的拉应力变为已加工表面上的压应力，当采用含Wiper刀片CBN刀表面具以高切削深度值车削SiCp/Al复合材料时，残余压应力要高于相同切削条件下无Wiper刀片CBN刀具。

K．Palanikumar［3］等用碳化钨刀具对SiCp/Al复合材料进行车削加工试验，试验表明：进给率对表面粗糙度影响较大，其次是切削速度和SiC颗粒体积分数。在切削SiCp/Al复合材料时，在各参数之

。作为一种具有良好发展前景的新型

SiCp/Al复合材料的难加工性引起了国复合材料，

内外专家学者的广泛关注，并对其加工表面质量进行了大量的试验与研究。目前，对SiCp/Al复合材料的加工主要有车削、铣削、钻削和磨削等传统加工方法。考虑到产品的加工质量及经济性，这些加工方法越来越难以满足行业需求。因此，电火花加工、激光加工和超声加工等特种加工技术逐渐被应用于SiCp/Al复合材料的加工上。

复合材料的加工表面质量主要是指材料加工后表面形貌及其完整度（如表面粗糙度、表面残余应力等）。加工中常会产生大量的加工缺陷（如加工表面出现突起、坑洞、裂纹等劣质特征），经过长时间的演变，材料的稳定性、耐磨性和耐疲劳性等就会受到不良影响。切削参数、刀具条件、增强体的特性和取向分布是影响加工表面质量的主要因素

收稿日期：2014年4月

［2］

。

4

间的综合作用中，切削速度和进给速率之间的综合作用对加工表面质量的改善作用最大。与非增强铝SiCp/Al复合材料的车削加工表面质量合金相比，

表面粗糙度主要受增具有以下特点：在低速切削时，

强颗粒的断裂与拔出影响；在高速切削时，主要受进

给量影响，而在非增强铝合金中，表面粗糙度主要受进给量影响。

在表面残余应力方面，非增强铝合金切削表面的横向与纵向残余应力都表现为拉应力，并随着切削速度和进给量的增加而增加。相反，增强颗粒的加入并与切削刀具的接触作用使得SiCp/Al复合材增加进料的切削加工表面残余应力表现为压应力，

给量可以减小横向残余压应力，但对纵向残余压应力有消极影响，而切削速度对SiCp/Al复合材料表

［4］

面残余应力的影响并不显著。

Y．F．Ge［5］等研究了超精密车削SiCp/Al复合试验过程中采用了单晶金刚材料的加工表面质量，

石刀具（SPDT）和多晶金刚石刀具（PCD）。用扫描加工表面存在很多电镜和原子力显微镜观察发现，

缺陷，如小坑、空洞、微裂纹、凹槽、突起和基体撕裂等。另外还发现，当超精密车削SiCp/Al复合材料时，切削参数、刀具材料和尺寸、增强颗粒的尺寸与分布、增强颗粒体积分数和冷却条件都对加工表面质量具有显著影响。

在切削参数方面，表面质量会随进给速率的增加或增强颗粒体积分数的增加而降低。在刀具材料SPDT要优于方面，尽管获得同样的表面粗糙度，

PCD。使用SPDT或PCD都能获得范围在20－30nm的粗糙度，但由于各种各样的加工缺陷，很难得到小于10nm的粗糙度。在增强颗粒方面，其失效形式影响着加工表面质量，当SiC颗粒通过加工被压入和切断时，可获得较好的表面质量；当SiC颗粒被拔出或压碎时，加工表面会出现裂缝和坑洞，使表面质量变差。另外，干式切削会使表面质量恶化。

A．Schubert［6］等研究了通过改变刀具条件来提高AA2124/SiC/25p复合材料车削加工表面质量，结果表明：表面粗糙度值可以通过使用带有Wiper刀片的刀具来降低；使用大Wiper刀片半径或有后缘的刀具可以降低表面粗糙度（见图1）。随着加工的进行，理想表面粗糙度值的获得受到了切削刃质量的限制，但随着刀具继续磨损、当后刀面磨损区宽度超过100μm时，车削AA2124/SiC/25p复合材料，可以减少像坑洞这样的表面缺陷，进而又降低了表面粗糙度。

工具技术

（a）标准刀具尺寸

（b）带有后缘Wiper刀片尺寸

（后缘0．5mm）

（c）带有大半径Wiper刀片尺寸（半径10mm）

图1不同刀具条件切削工件表面显微组织

3铣削加工

铣削适宜于加工形状复杂、切削加工量大的零部件，像飞机上广泛应用的大型整体结构件，如机翼整体壁板、翼梁、加强框等多需要铣削加工完成。近年来，国内外专家学者对SiCp/Al复合材料铣削加工表面质量的研究并不多见，但也取得了一定的研究成果。比如对SiC颗粒体积分数为65%的SiCp/Al复合材料进行高速铣削加工时，铣削速度对表面粗糙度影响最大，其次是铣削速度和进给速率之间

然后是进给速率，而轴向切削深度对表的综合作用，

面粗糙度影响最小。SiCp/Al复合材料的表面粗糙

度随着进给速率的升高而增加；轴向切削深度对表面残余应力影响最大，其次是铣削速度和进给速［7］

率。同样，在高速铣削SiCp/Al复合材料加工表8］研究表明：增大切削速度、文献［使面质量方面，用冷却液、降低增强颗粒体积分数、减小增强颗粒尺寸等均有助于改善加工表面质量。

N．SureshKumarＲeddy［9］等对SiCp/Al复合材

并与Al合金端铣削加工进料进行了端铣加工试验，

行对比，对其表面完整性观察分析发现，增强颗粒的

加入使得对SiCp/Al复合材料端铣加工后的表面质并且选择合适的刀具和加工参数可显量得到改善，

著提高铣削加工效率。

4钻削加工

钻削加工存在的主要问题有：钻头轴线容易偏心、影响加工精度；生产率低；排屑困难，影响表面质Thiagar-量等。为了获得更好的钻削加工表面质量，

ajanＲajmohan［10］等对SiCp/Al复合材料进行钻削加

2014年第48卷No．10

5

工研究，并与混有一定量云母的SiCp/Al复合材料进行对比，结果表明：与Al356/10SiCp－3mica混合Al356/10SiC复合材料的钻削表面复合材料相比，

粗糙度较低。进给速率和钻削速度是提高加工表面质量的两个重要参数，表面粗糙度随着进给速率的增加而增加，随着钻削速度的增大而增大。在改善PCD钻头要比其它钻表面光洁度和表面变形方面，

头性能好。经对比分析，在进给速率为50mm/min、主轴转速为3000r/min、云母含量为0%以及使用PCD钻头的最佳条件下可以获得最小表面粗糙度。

S．Basavarajappa［11］等对SiCp/Al复合材料进行了钻削加工研究，并用Al2219/15SiCp和Al2219/15SiCp–3Gr两种复合材料进行对比分析了表面粗糙度的变化情况。在钻削速度和进给速率两种方差分析下，前者表现出较低的平均表面粗糙度。统计结果得出，进给率和钻削速度对两种材料的加工表面粗糙度有显著影响。表面粗糙度值随着进给速率的增加而增大，随着钻削速度的增大而减小，两种材料的最小表面粗糙度值出现在最高钻削速度和最低进给速率时。

图2

（c）

（a）

（b）

加工表面形貌

6几种特种加工技术

在传统的加工技术中，存在着刀具磨损严重、材

料去除率低等缺点，在获得较高加工表面质量的同时也提高了加工成本，降低了加工效率。为了克服

国内外越来越多的研究学者应用一些新这些难题，

的特种加工技术对SiCp/Al复合材料进行加工表面

质量研究。

与传统的电火花加工相比，通过混粉电火花加工SiCp/Al复合材料的表面粗糙度下降了31．5%，Si和C的含量在一定程度上得到提高，材料硬度增加了40%，耐腐蚀性增强，耐磨性提高了将近一倍，

［15］［16］

加工表面质量得到很大改善。FrankMuller等对比研究了电火花加工与激光加工两种加工方法对SiC/Al复合材料的加工表面质量情况，研究表明电火花加工对材料的去除率要优于激光加工，因而能

［17］

获得更高质量的加工表面。赵波等采用超声车削加工技术对SiCp/Al复合材料加工表面质量的研究表明：加工表面残余应力通常在40－60MPa之间，且受切削深度和切削速度影响较小；而普通车削加工所产生的表面残余应力在20－80MPa之间，并且受切削速度和切削深度影响较大。与传统钻削加工相比，超声钻削加工SiCp/Al复合材料获得毛刺尺寸和表面粗糙度明显降低，在保证不增加毛刺尺寸和表面粗糙度的情况下，超声辅助钻削加工可以提高进给速率和钻削速度

［18］

5磨削加工

磨削加工在机械制造行业中应用比较广泛，通常用于半精加工和精加工，但在磨削时与磨削方向基本垂直的表面常常出现大量较规则排列的裂——磨削裂纹，不但影响零件的外观，更重要的还纹—

12］对比研会直接影响零件加工表面质量。文献［

究了电镀砂轮和烧结砂轮磨削SiCp/Al复合材料的加工表面质量，其研究结果表明：在磨粒粒度相同的条件下，电镀砂轮磨削加工表面质量优于烧结砂轮，但这两种方式的磨削加工表面都存在由于大量聚集的SiC增强颗粒脱落而造成的坑洞。

13］文献［研究了SiCp/Al复合材料的磨削加工表面质量，研究表明，加工表面存在由增强颗粒脱落所造成的坑洞和砂轮磨粒磨削产生的沟痕等缺陷，另外，增强颗粒的破碎和脱落使得加工表面质量受到很大影响（见图2）。试验采用磨削参数为：主轴转速6000r/min，磨削深度0．01mm，进给速度300mm/min。最终获得的加工表面粗糙度为Ｒa0．23－0．858μm，并且得出加工表面残余应力为压应力。鲍永杰等

［14］

。

在SiCp/Al复合材料磨削制孔

7结语

刀具转速高于6000r/min、进给速度为研究中得出，

5mm/min时，可以获得较好的制孔质量。

SiCp/Al复合材料加工表面质量影响着产品的耐腐蚀性、耐磨性、耐疲劳性和尺寸稳定性等性能，

6

各工业领域对SiCp/Al复合材料制品的加工表面质量要求越来越高。虽然传统的加工方法对SiCp/Al复合材料加工表面质量有所提高，但仍存在着刀具

加工成本高、加工效率低等问题。在磨损严重、

SiCp/Al复合材料车、铣、钻、磨加工中，切削参数和加工刀具条件是材料加工表面质量的最主要影响因

素，其次是颗粒特征及其分布，因此，如何确定最优切削参数和最佳刀具条件才是解决加工表面质量问题的重要研究课题。

为满足行业要求，一些特种加工技术被应用到SiCp/Al复合材料加工中，并对其加工表面质量有很大改善。像超声辅助钻削加工中，在获得较高加工表面质量的同时，可以提高钻削速度和进给速度，极大地提高了加工效率。因此，像电、光、声等与传统加工技术结合来加工SiCp/Al复合材料对提高其加工表面质量方面有很大发展潜能，应对此做更深一步的研究。

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110159沈阳市第一作者：张德光，沈阳理工大学，

FirstAuthor：ZhangDeguang，ShenyangLigongUniversi-ty，Shenyang110159，China

欧盟竞争立法领域三大新动向

欧委会竞争委员阿尔穆尼亚9月23日在欧洲议会经济《2013年度竞争报告》货币委员会对进行阐述，提出过去一年在立法方面的三个新动向。即将通过的救济指令，将成为欧盟竞争执法的新里程碑，帮助在垄断行为中受损的公民和企业获得赔偿。

欧委会竞争委员阿尔穆尼亚9月23日在欧洲议会经济《2013年度竞争报告》货币委员会对进行阐述，提出过去一年在立法方面的三个新动向。

一是修改了国家补贴银行法规，大幅减少救助银行所需的公共资金，鼓励银行向实体经济借贷。

二是国家补贴现代化战略，确立政府优先支持对欧洲竞争力和深化单一市场起关键作用的领域，包括能源、环境、航空、研发、中小企业风险融资、宽带。

三是即将通过的救济指令，将成为欧盟竞争执法的新里程碑，帮助在垄断行为中受损的公民和企业获得赔偿。