SiC_p_Al复合材料低损伤表面切削加工研究与进展_潘永智.pdf

1012023年第66卷第7期航空制造技术RESEARCH研究论文SiCp/Al 复合材料低损伤表面切削加工研究与进展*潘永智1，张泽文1，时启航1，王振达1，付秀丽1，金 腾2（1.济南大学，济南 250022；2.山东华云机电科技有限公司，济南 250022）摘要 SiCp/Al 复合材料属于典型的难加工材料，其 SiC 颗粒增强相的存在使得切削加工时材料已加工表面极易出现基体撕裂、微裂纹、微空穴等缺陷。为了实现 SiCp/Al 复合材料的高效低损伤加工，从切屑形成机制、表面完整性和刀具磨损等方面总结 SiCp/Al 复合材料切削加工性能及其影响因素，研究表明，该材料增强相颗粒去除方式和去除机理对表面形成过程影响显著；探讨了 SiCp/Al 复合材料塑性域加工机理和塑脆转换临界条件获取方面的研究进展，综述了表征 SiCp/Al 动态力学性能的宏微观建模方法，分析了多尺度多相耦合切削加工有限元仿真的热点和难点问题；指出了低温微切削、超声辅助微切削、激光辅助微切削等是实现 SiCp/Al 复合材料协调变形和塑性域加工工艺条件的发展方向。关键词：SiCp/Al；切削加工；表面损伤；塑性域；能场辅助Research Progress on Machining of SiCp/Al CompositePAN Yongzhi1,ZHANG Zewen1,SHI Qihang1,WANG Zhenda1,FU Xiuli1,JIN Teng2(1.University of Jinan,Jinan 250022,China;2.Shandong Huayun Electrical and Mechanical Technology Co.,Ltd.,Jinan 250022,China)ABSTRACT SiCp/Al is a topical difficult-to-cut material.In the cutting progress,the exist of particulates reinforcements makes the machined surface of the material easily appear some defects like matrix tearing,microcrack and microvoid during cutting.In order to achieve high efficiency and low damage machining of SiCp/Al composites,the paper summarizes macroscopic and microscopic modeling method which characterizes SiCp/Al dynamic mechanical properties.It analyzes the hotspots and difficult problems of the multi-scale and multiphase coupling cutting finite element simulation.It summarizes the cutting performance of SiCp/Al composite and its influencing factors from the perspectives of chip formation mechanism,surface integrity and tool wear.Research shows that removal mode and mechanism of the particulates reinforcements have a significant efect on surface formation.It discusses research progress of the mechanism of processing ductile regime and the acquiring critical conditions of brittle-ductile transition.It points out that low temperature micro cutting,ultrasonic assisted micro cutting and laser assisted micro cutting are the development directions which achieve compatible deformation and the processing conditions of ductile regime of SiCp/Al composites.Keywords:SiCp/Al;Machining;Surface damage;Ductile regime;Energy field assistanceDOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.07.101*基金项目：国家自然科学基金（51675230）；山东省新旧动能转换重大项目（SGG2001）；山东省自然科学基金面上项目（ZR2021ME183）。引文格式：潘永智,张泽文,时启航,等.SiCp/Al 复合材料低损伤表面切削加工研究与进展J.航空制造技术,2023,66(7):101112.PAN Yongzhi,ZHANG Zewen,SHI Qihang,et al.Research progress on machining of SiCp/Al compositeJ.Aeronautical Manufacturing Technology,2023,66(7):101112.随着航空航天技术的发展，航天器轻量化和高承载能力的需求迫切，采用具有高比强度、热稳定性和优异综合性能的材料已成为有效解决上述问题的重要途径之一。SiCp/Al 复合材料的热膨胀系数可调，同时具有102航空制造技术2023年第66卷第7期研究论文RESEARCH高强度和高刚度以及优异的耐磨损、耐腐蚀、耐高温等性能，是一种理想的新型轻质材料，作为承载结构件、光学及精密仪器构件、电子封装及热控元件等在航空航天领域应用日益广泛。SiCp/Al 复合材料中，SiC 增强相、Al 基体及界面相的物理、力学性能失配，导致其协调变形能力差，切削过程中 Al 基体发生弹塑性变形和韧性损伤，SiC 相发生弹性变形、脆性失效及界面剥落1。因此 SiCp/Al 复合材料的去除机理、切屑形成机理及已加工表面形成机制不但受切削参数影响，也受到 SiC 相特征参数的显著影响，表现出与均质 Al 合金材料不同的切削特性，SiCp/Al 复合材料切屑形成过程中的宏观裂纹扩展及界面相剥落、SiC 颗粒破裂情况如图 1 所示2。增强相 SiC 颗粒的形状、尺寸和体积分数往往对已加工表面的形貌和粗糙度起控制性作用，同时由于界面相难以达到理想状态，在切削加工中界面是承载最薄弱处，容易导致种种加工缺陷3，产生剧烈的刀具磨损4和已加工表面损伤5（基体撕裂、表面凹坑、亚表面空穴等，见图245），且加工缺陷的产生具有随机性，其大小和位置难以控制。影响 SiCp/Al 复合材料加工性能的因素十分复杂，材料特性、加工形式、刀具特性、加工参数等均会影响 SiCp/Al 复合材料已加工表面微观结构特征及表面完整性，如何实现 SiCp/Al 复合材料的高效低损伤加工一直是国内外学者研究的热点问题。1 SiCp/Al 复合材料切削加工性能研究1.1 切屑形成机制切屑形成机制研究是理解 SiCp/Al 复合材料切削加工性能的有效手段，SiC 颗粒去除形式、去除机理对切屑形成过程有重要影响。目前关于金属基复合材料切屑形成机制的研究方法主要有落刀试验和有限元仿真方法，且多参照常规金属切削机理进行研究，而从微细观角度研究复合材料增强相对切屑形成过程影响的研究较少。SiCp/Al 复合材料切削时切屑形态一般为半连续锯齿型，切削过程中微裂纹的动态产生以及剪切角周期性变化是形成锯齿状切屑的主要原因。葛英飞等6考虑了微裂纹的动态形成 扩展、切屑厚度锯齿状准周期变化建立了不同体分比的 SiCp/Al 复合材料的切屑形成过程模型，并运用位错理论解释了切屑自由表面片层结构的形成机制，认为在刀具切削刃挤压作用下SiC 颗粒对 Al 基体位错滑移的阻碍作用诱发界面处位错堆积，从而引起应力集中，微裂纹沿着界面扩展导致SiC 颗粒剥落，或者集中的应力超过 SiC 颗粒剪切强度引起 SiC 颗粒破碎。段春争等7通过正交切削 SiCp/Al图 2 MMC 复合材料加工缺陷45Fig.2 Machining defects of MMC composites45（d）缝隙和微空穴（c）表面基体撕裂（b）表面损伤（a）PCD前刀面磨损400 m5 m颗粒断裂微裂纹空隙20 m5 mSEMAFMnm005510151510500图 1 SiCp/Al 复合材料切屑微观形貌2Fig.1 Micrograph of chip cross-section of SiCp/Al composites2（b）SiCp/Al界面剥落及SiC颗粒破裂（a）切屑横截面中的宏观裂纹80 m30 m宏观裂纹颗粒破裂界面剥落1032023年第66卷第7期航空制造技术RESEARCH研究论文复合材料研究切屑形成机制及其影响因素，分析了切削参数、增强相参数对裂纹深度、切屑形态及锯齿化程度的影响。Sun 等2通过对不同材料参数和切削参数下SiCp/Al 复合材料切屑微观形貌的对比发现，切屑呈现锯齿形且裂纹有从切屑自由端向底部扩展的趋势，当切削速度较低、增强相体分比较高、颗粒尺寸较大时，裂纹终止位置更接近于切屑底部；当切削速度高、增强相体分比低、颗粒尺寸小时，SiC 颗粒在剪切变形区随 Al 基体剪切滑移产生塑性变形，呈现与均质 Al 合金类似的带状切屑及韧性变形特征。武永祥8在微观切削仿真模型中分别针对增强相颗粒相对于刀具切削路径（即刀尖运动轨迹）的 3 种典型位置进行仿真（图 3），分析了基体和颗粒内部应力分布及刀具与颗粒之间的相互作用，从增强相去除形态（切断、破碎、剥落）及去除机理（塑性去除、脆性去除）角度探究了相对应的切屑形成机制。以上研究表明，增强相参数（体积分数、形态、分布）和切削参数是影响 SiCp/Al 复合材料切屑形态的重要因素，SiCp/Al 复合材料切屑形态一般为半连续锯齿形。降低切削速度、提高增强相体分比或增大颗粒尺寸，材料呈现出由塑性向脆性转化趋势，切屑形态由带状向锯齿状切屑转变。1.2 表面完整性对于 SiCp/Al 复合材料而言，如何降低表面粗糙度、消除表面缺陷和亚表面损伤，形成具有压应力分布的高完整性表面，主要取决于硬质相特征参数、刀具参数和切削参数的匹配。当 SiC 颗粒体分比增高、颗粒尺寸增大时，SiCp/Al 复合材料呈现出更多脆性特性，刀具剪切和挤压作用下形成高应力集中，硬质相颗粒因超过其界面结合强度和剪切强度极限而发生剥离、破碎现象，从而在已加工表面上形成颗粒破碎、空洞、基体撕扯及亚表面损伤；同时 SiC 颗粒在基体中分布不均匀，形成聚集使得硬质相颗粒直接接触，造成颗粒拔出现象，如图4 所示9。刀具几何角度也是影响表面完整性的重要因素。当 PCD 刀具刃口半径与复合材料中增强颗粒尺寸相近时，由于刀具对材料的挤压作用大于剪切作用，铣削和车削 SiCp/Al 复合材料增强相颗粒破碎和拔出的比重大于发生切断的比重，并容易在工件表面产生空洞缺陷10。Schubert11和 Dabade12等分别采用带有修光刃半径或后缘的 CVD 涂层金刚石刀片和 CBN 刀片，改进了车削 SiCp/Al 复合材料的表面粗糙度和表面应力分布状态。使用大修光刃半径或后缘的金刚石刀具既降低了表面空洞缺陷又降低了表面粗糙度；采用含修