1．引言
近二十年来，随着科学研究的不断深入，颗粒增强铝基复合材料已经发展成为航空航天及汽车工业常用的一种重要新材料。这种材料具有高比强度和比刚度、低热膨胀系数、低密度、高微屈服强度、良好的尺寸稳定性和导热性以及耐磨、耐疲劳等优异的力学性能和物理性能。由于此类材料具有各向同性并能适用于不同的加工方法（如挤压、锻造或轧制成各种型材），随着对其制备工艺、力学性能的研究取得显著进展，其应用已扩展到电子、体育用品等日用消费品领域，如制作自行车框架、微电子器件的机座等。而在各种颗粒增强铝基复合材料中，SiC因其具有较小的密度、较低的制备成本，已成为目前颗粒增强铝基复合材料中使用最多的增强颗粒之一。
SiC颗粒增强铝基复合材料的基体中弥散分布着的SiC颗粒具有高模量、高强度、高硬度（2800HV）以及良好的高温性能。这些增强颗粒的强化使得复合材料的屈服强度提高，但复合材料中SiC颗粒周围和远离颗粒处应力很不均匀，同时SiC颗粒几乎不可塑性变形，因此在切削加工过程中基体发生塑性变形而SiC颗粒只发生弹性变形、转动、脆性破坏或脱落，这既不同于脆性材料的切削，也不同于塑性的普通铝合金的切削；同时，作为增强相的SiC颗粒本身即是一种高硬度的磨料，在切削过程中会使刀具产生较大的磨损。上述特性使得SiC颗粒增强铝基复合材料的切削加工性较差，限制了这种材料的进一步推广和使用。目前国内外研究多集中于用硬质合金、PCD刀具对这种材料进行车削或振动车削加工，而对其切削性能如切削力、表面质量（表面粗糙度、表面形貌）的研究较少。本文主要对SiC颗粒增强铝基复合材料在高速铣削条件下的切削性能进行试验与分析。通过铣削试验研究了铣削速度对切削力、表面粗糙度、表面形貌的影响以及铣削过程中刀具的磨损，揭示了该材料的高速切削机理，并获得了可保证较高加工表面质量的铣削参数范围，对实现此类材料的高效高精度加工具有重要意义。
2．试验条件与方法
由于复合材料基体中散布着硬脆的SiC颗粒，切削过程中振动较大，因此铣削加工采用高性能的高速加工中心，刀具选用耐磨性优良、耐热性较好、硬度和韧性较高的超细颗粒涂层硬质合金刀具。
机床：DMU70V高速加工中心(2262009-GB)，主轴转速：20～12000r/min。
工件材料：SiCp/Al Wt15%，粒度W14，抗拉强度σb=370MPa，弹性模量E=100GPa；试件尺寸33×5×17（mm）。
刀具：TiAlN涂层整体硬质合金圆柱螺旋立铣刀(两刃)，直径d=6mm。
铣削方式：端铣平面（干式铣削）。铣削参数：铣削速度v=10～180m/min（转速n=530～9554r/min），进给量f=0.02mm/z，铣削深度ap=0.5mm。
测量装置：采用由Kistler9227型四分量动态测力传感器、5019A型电荷放大器、C10-DAS1692/12型数据采集卡组成的测力仪系统测量SiC颗粒增强铝基复合材料高速铣削过程的切削力，测力系统用JB-3C粗糙度测试仪测量工件铣削表面粗糙度；在扫描电镜SEM下对工件表面形貌和刀具磨损情况进行观察研究。
3．试验结果及分析
3.1 铣削力
按上述铣削试验方法使用Kistler测力仪系统分别对不同转速条件下的三向动态铣削力进行测量。根据在转速v=20m/min时的铣削力实测图，取铣削过程中铣削力的峰值按从大至小排序的0个值的平均值，得到在主轴转速v=10～180m/min变化过程中的三向铣削力与铣削速度的关系曲线，由该曲线可知：在其他铣削参数不变的情况下，随着铣削速度的提高，铣削力Fz、Fy、Fx均随之逐渐增大；同时，在铣削速度提高过程中，铣削振动也明显增大。这主要是由以下原因所造成：一是随着主轴转速的提高，切削速度增加，材料应变速率增加，单位时间内的切削体积增大，从而导致铣削力增大；二是根据位错—颗粒交互作用理论，对于颗粒增强金属基复合材料存在一个临界应变速率。当应变速率在该临界值以下时，位错从颗粒上攀移过的速度大于位错到达颗粒周围的速度，则颗粒周围没有位错堆积；当应变速率大于该临界值时，位错到达颗粒周围的速度大于位错从颗粒上攀移过去的速度，从而导致位错在颗粒周围堆积，颗粒中的应力逐渐增加并导致高强度增强颗粒断裂、破损。因此，在较低的铣削速度、低应变速率条件下，切削过程中裂纹可能沿较长的路径在强度较低的基体中扩展；但在较高的铣削速度、高应变速率条件下，裂纹易穿过高强度SiC增强颗粒扩展。这就导致随铣削速度提高，材料应变速率增加，破损、断裂的增强颗粒数增多，从而使铣削力和铣削振动增大。
3.2 表面形貌及粗糙度
由在不同铣削速度下被铣工件的表面形貌SEM照片可见，由于在用涂层硬质合金立铣刀铣削该复合材料的过程中，软的铝合金基体发生流动，加工面被铝基体薄膜覆盖，因此铣削后的工件表面比较光亮。
在铣削速度v=10～40m/min的范围内，试件被加工表面非常光亮平整，表面形貌很好。随着转速升高，在铣削速度v=70～180m/min（n=3715～9554r/min）的范围内试件被加工表面则出现了沿铣削进给方向的比较严重的振纹。这主要是因为切削速度的提高使切削时应变速率变大，破损、断裂的增强颗粒数增多，铣削力和切削振动都随之增大，从而导致了振纹的产生和加剧。
随着切削用量的增大，在高速铣削情况下，铣削加工表面出现较多硬粒脱落凹坑、裂纹等缺陷，加工表面形貌变差。这是因为切削颗粒增强金属基复合材料时一般得到塑性或半塑性单元切屑，本试验所加工的复合材料的增强颗粒含量不高，其一个塑性单元体的形成过程仍然经历“滑—停—滑”三个阶段，这三个阶段完成的同时也就形成了加工表面。但是由于不可塑性变形的SiC增强颗粒的存在，基体的塑性变形一直受到增强颗粒的干扰。在此过程中刀尖处复合材料裂纹的生成和扩展对加工表面的形成将产生重要影响。由于在较大的应变与较高的应变速率条件下，裂纹易沿短路径穿过增强颗粒扩展，使得颗粒的解离、破碎和脱落增多，由此造成上述加工表面硬粒脱落凹坑、裂纹等缺陷增多的现象。
试验中用粗糙度仪对铣削加工表面的实测结果表明，在本试验铣削参数范围内得到的加工表面的粗糙度值较小，其Ra值都在0.2μm以下。随着切削速度的提高，切削过程中增强颗粒的解离、破碎和脱落增多、振动变大，从而导致表面粗糙度逐渐增大。
3.3 刀具的磨损
在高速铣削过程中，被铣复合材料与螺旋立铣刀的主、副切削刃的频繁接触与相对滑动导致了切削刃的磨损。从SEM下观察到的刀具磨损图中可清楚地看到切削刃后刀面上涂层的剥落，同时在主切削刃后刀面涂层剥落处可清楚看到沿主切削刃切削方向产生的沟槽。这是复合材料中硬度很高的SiC颗粒在切削过程中所造成的磨料磨损。
4．结论
（1）在用涂层超细颗粒硬质合金立铣刀对SiC颗粒增强铝基复合材料进行高速铣削加工的过程中，随着铣削速度提高，单位时间内的切削体积增大，高强度增强颗粒的解离、破碎和脱落增多，导致切削力、切削振动、工件表面粗糙度也都随之增大。
（2）当铣削深度ap=0.5mm、进给量f=0.02mm/z时，在铣削速度v=10～40m/min（主轴转速n=530～2123r/min）范围内，铣削加工表面光亮平整，表面形貌很好。
（3）当采用较大的切削用量（ap=1.5mm、f=0.05mm/z、v=130m/min）进行高速铣削时，切削振动较大，加工表面上会产生许多硬颗粒脱落凹坑、裂纹等缺陷，表面形貌变差。
（4）涂层硬质合金铣刀在铣削过程中的主要磨损形式是涂层脱落与磨料磨损。
近二十年来，随着科学研究的不断深入，颗粒增强铝基复合材料已经发展成为航空航天及汽车工业常用的一种重要新材料。这种材料具有高比强度和比刚度、低热膨胀系数、低密度、高微屈服强度、良好的尺寸稳定性和导热性以及耐磨、耐疲劳等优异的力学性能和物理性能。由于此类材料具有各向同性并能适用于不同的加工方法（如挤压、锻造或轧制成各种型材），随着对其制备工艺、力学性能的研究取得显著进展，其应用已扩展到电子、体育用品等日用消费品领域，如制作自行车框架、微电子器件的机座等。而在各种颗粒增强铝基复合材料中，SiC因其具有较小的密度、较低的制备成本，已成为目前颗粒增强铝基复合材料中使用最多的增强颗粒之一。
SiC颗粒增强铝基复合材料的基体中弥散分布着的SiC颗粒具有高模量、高强度、高硬度（2800HV）以及良好的高温性能。这些增强颗粒的强化使得复合材料的屈服强度提高，但复合材料中SiC颗粒周围和远离颗粒处应力很不均匀，同时SiC颗粒几乎不可塑性变形，因此在切削加工过程中基体发生塑性变形而SiC颗粒只发生弹性变形、转动、脆性破坏或脱落，这既不同于脆性材料的切削，也不同于塑性的普通铝合金的切削；同时，作为增强相的SiC颗粒本身即是一种高硬度的磨料，在切削过程中会使刀具产生较大的磨损。上述特性使得SiC颗粒增强铝基复合材料的切削加工性较差，限制了这种材料的进一步推广和使用。目前国内外研究多集中于用硬质合金、PCD刀具对这种材料进行车削或振动车削加工，而对其切削性能如切削力、表面质量（表面粗糙度、表面形貌）的研究较少。本文主要对SiC颗粒增强铝基复合材料在高速铣削条件下的切削性能进行试验与分析。通过铣削试验研究了铣削速度对切削力、表面粗糙度、表面形貌的影响以及铣削过程中刀具的磨损，揭示了该材料的高速切削机理，并获得了可保证较高加工表面质量的铣削参数范围，对实现此类材料的高效高精度加工具有重要意义。
2．试验条件与方法
由于复合材料基体中散布着硬脆的SiC颗粒，切削过程中振动较大，因此铣削加工采用高性能的高速加工中心，刀具选用耐磨性优良、耐热性较好、硬度和韧性较高的超细颗粒涂层硬质合金刀具。
机床：DMU70V高速加工中心(2262009-GB)，主轴转速：20～12000r/min。
工件材料：SiCp/Al Wt15%，粒度W14，抗拉强度σb=370MPa，弹性模量E=100GPa；试件尺寸33×5×17（mm）。
刀具：TiAlN涂层整体硬质合金圆柱螺旋立铣刀(两刃)，直径d=6mm。
铣削方式：端铣平面（干式铣削）。铣削参数：铣削速度v=10～180m/min（转速n=530～9554r/min），进给量f=0.02mm/z，铣削深度ap=0.5mm。
测量装置：采用由Kistler9227型四分量动态测力传感器、5019A型电荷放大器、C10-DAS1692/12型数据采集卡组成的测力仪系统测量SiC颗粒增强铝基复合材料高速铣削过程的切削力，测力系统用JB-3C粗糙度测试仪测量工件铣削表面粗糙度；在扫描电镜SEM下对工件表面形貌和刀具磨损情况进行观察研究。
3．试验结果及分析
3.1 铣削力
按上述铣削试验方法使用Kistler测力仪系统分别对不同转速条件下的三向动态铣削力进行测量。根据在转速v=20m/min时的铣削力实测图，取铣削过程中铣削力的峰值按从大至小排序的0个值的平均值，得到在主轴转速v=10～180m/min变化过程中的三向铣削力与铣削速度的关系曲线，由该曲线可知：在其他铣削参数不变的情况下，随着铣削速度的提高，铣削力Fz、Fy、Fx均随之逐渐增大；同时，在铣削速度提高过程中，铣削振动也明显增大。这主要是由以下原因所造成：一是随着主轴转速的提高，切削速度增加，材料应变速率增加，单位时间内的切削体积增大，从而导致铣削力增大；二是根据位错—颗粒交互作用理论，对于颗粒增强金属基复合材料存在一个临界应变速率。当应变速率在该临界值以下时，位错从颗粒上攀移过的速度大于位错到达颗粒周围的速度，则颗粒周围没有位错堆积；当应变速率大于该临界值时，位错到达颗粒周围的速度大于位错从颗粒上攀移过去的速度，从而导致位错在颗粒周围堆积，颗粒中的应力逐渐增加并导致高强度增强颗粒断裂、破损。因此，在较低的铣削速度、低应变速率条件下，切削过程中裂纹可能沿较长的路径在强度较低的基体中扩展；但在较高的铣削速度、高应变速率条件下，裂纹易穿过高强度SiC增强颗粒扩展。这就导致随铣削速度提高，材料应变速率增加，破损、断裂的增强颗粒数增多，从而使铣削力和铣削振动增大。
3.2 表面形貌及粗糙度
由在不同铣削速度下被铣工件的表面形貌SEM照片可见，由于在用涂层硬质合金立铣刀铣削该复合材料的过程中，软的铝合金基体发生流动，加工面被铝基体薄膜覆盖，因此铣削后的工件表面比较光亮。
在铣削速度v=10～40m/min的范围内，试件被加工表面非常光亮平整，表面形貌很好。随着转速升高，在铣削速度v=70～180m/min（n=3715～9554r/min）的范围内试件被加工表面则出现了沿铣削进给方向的比较严重的振纹。这主要是因为切削速度的提高使切削时应变速率变大，破损、断裂的增强颗粒数增多，铣削力和切削振动都随之增大，从而导致了振纹的产生和加剧。
随着切削用量的增大，在高速铣削情况下，铣削加工表面出现较多硬粒脱落凹坑、裂纹等缺陷，加工表面形貌变差。这是因为切削颗粒增强金属基复合材料时一般得到塑性或半塑性单元切屑，本试验所加工的复合材料的增强颗粒含量不高，其一个塑性单元体的形成过程仍然经历“滑—停—滑”三个阶段，这三个阶段完成的同时也就形成了加工表面。但是由于不可塑性变形的SiC增强颗粒的存在，基体的塑性变形一直受到增强颗粒的干扰。在此过程中刀尖处复合材料裂纹的生成和扩展对加工表面的形成将产生重要影响。由于在较大的应变与较高的应变速率条件下，裂纹易沿短路径穿过增强颗粒扩展，使得颗粒的解离、破碎和脱落增多，由此造成上述加工表面硬粒脱落凹坑、裂纹等缺陷增多的现象。
试验中用粗糙度仪对铣削加工表面的实测结果表明，在本试验铣削参数范围内得到的加工表面的粗糙度值较小，其Ra值都在0.2μm以下。随着切削速度的提高，切削过程中增强颗粒的解离、破碎和脱落增多、振动变大，从而导致表面粗糙度逐渐增大。
3.3 刀具的磨损
在高速铣削过程中，被铣复合材料与螺旋立铣刀的主、副切削刃的频繁接触与相对滑动导致了切削刃的磨损。从SEM下观察到的刀具磨损图中可清楚地看到切削刃后刀面上涂层的剥落，同时在主切削刃后刀面涂层剥落处可清楚看到沿主切削刃切削方向产生的沟槽。这是复合材料中硬度很高的SiC颗粒在切削过程中所造成的磨料磨损。
4．结论
（1）在用涂层超细颗粒硬质合金立铣刀对SiC颗粒增强铝基复合材料进行高速铣削加工的过程中，随着铣削速度提高，单位时间内的切削体积增大，高强度增强颗粒的解离、破碎和脱落增多，导致切削力、切削振动、工件表面粗糙度也都随之增大。
（2）当铣削深度ap=0.5mm、进给量f=0.02mm/z时，在铣削速度v=10～40m/min（主轴转速n=530～2123r/min）范围内，铣削加工表面光亮平整，表面形貌很好。
（3）当采用较大的切削用量（ap=1.5mm、f=0.05mm/z、v=130m/min）进行高速铣削时，切削振动较大，加工表面上会产生许多硬颗粒脱落凹坑、裂纹等缺陷，表面形貌变差。
（4）涂层硬质合金铣刀在铣削过程中的主要磨损形式是涂层脱落与磨料磨损。
