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       金属基复合材料(MetalMatrix Composites，MMCs)是以陶瓷(连续长纤维、晶须、短纤维和颗粒)为增强材料、金属(如铝、钛、铁、镁、铜、镍等)为基本题材而制备的先进复合材料。由于金属基复合材料具有较高的比强度、比模量、抗磨损、抗高温、尺寸稳定性好等优异的热力学性能，问世以来取得了令人瞩目的发展，成为世界高新科学技术发展的重要领域。20世纪80年代以来，美国和日本等国家对各类复合材料进行了相关研究，并采用粉末冶金技术、喷射沉积技术、压力浸渗技术和无压浸渗技术制备出性能优良的颗粒增强型铝基复合材料。
       复合材料因其优越的物理、力学性能广泛应用于航空航天、汽车、电子封装、军工装备制造等领域。由于复合材料中高硬度、高强度、强耐磨性的增强颗粒SiC的存在，其二次加工十分困难，成为典型的难加工复合材料。高硬度增强相的加入导致切削加工中的加工表面质量差、刀具磨损剧烈，致使刀具使用寿命大幅缩短，加工成本非常高，并在一定程度上限制加工效率，无法实现批量生产，严重限制了该类材料的广泛应用。为此，国内外研究人员对复合材料的加工效率低、加工质量差及刀具磨损等问题做了深入研究。
       1 切削力
       切削力研究可以为切削力对于加工产热、刀具磨损、切屑及缺陷形成等物理现象成因提供力学参考，并为切削工艺制定、刀具几何优化提供重要依据。
       赵德良等采用0°前角、18°后角及约8μm钝圆半径的PCD纤维刀具高速铣削加工SiCp/Al复合材料，并研究进给速度、切削深度对径向力、切向力及加工质量的影响。研究发现，要实现良好的加工表面力，应选择切削深度＜0.5mm、进给速度＜75mm/s；当最大未变形切削层厚度与刀具钝圆半径在同一数量级时，径向力/切向力之比显著增大。周家林等研究了干切和湿切条件下PCD刀具高速铣削高体分比SiCp/Al复合材料的铣削力与切削长度等的不同。实验结果发现，干铣削SiCp/Al的切削力小且比较稳定，加工质量显著优于湿切削。葛英飞采用0°前角、10°后角和约0.8mm钝圆半径并带有修光刃的PCD刀具高速铣削不同粒径不同体分比的SiCp/Al复合材料，并研究了SiCp/Al复合材料切屑与加工表面的形成机理。分析结果显示，要实现良好的加工表面力，应选择切削深度＜0.5mm、进给速度＜75mm/s；当最大未变形切削层厚度与刀具钝圆半径在同一数量级时，径向力/切向力之比显著增大。边卫亮等通过PCD刀具高速铣削加工SiCp/Al复合材料，并通过正交实验设计方法与金属切削基本理论构建切削力关于铣削速度、径向切宽、增强相体分比、每齿进给量的预测模型，在进给方向上预测铣削力的平均误差低于6%，在径向切深方向上的铣削力误差低于9.5%，均高于经验公式的预测精度。
       2 刀具磨损
       增强相对刀具的高频冲击和刻划以及高速切削时高温热的冲击会导致加工SiCp/Al复合材料的刀具剧烈磨损，而刀具的磨损严重和寿命较短问题是SiCp/Al复合材料难加工性的主要体现。
       等利用直径5mm的PCD刀具加工体分比20%的SiCp/Al复合材料，并分析和研究了进给量对表面光洁度、刀具磨损的影响。研究发现，随着进给量的增加，刀具磨损量增大，且磨损主要出现在钻头后刀面。此外，低比分SiCp/Al复合材料的钻屑形貌表现为不连续形状。R.T.Coelho等对体分比为15%的SiCp/Al复合材料进行了制孔实验，证明PCD钻头有利于获得较好的钻削质量，在兼顾生产成本的前提下，采用WC钻头代替PCD钻头也可取得不错的加工效果。另外，刀具寿命与切削速度的关系不明显，但增大进给量会加剧刀具磨损。Tomac等分别使用PCD刀具和金刚石涂层刀具高速加工SiCp/Al复合材料，研究发现，切削速度越高，刀具后刀面磨损越剧烈，使用寿命也越短；而进给量越高，利于高速切削产生的热量在工件内传递，对基体起到热软化的作用，使增强相更容易压进基体材料中，降低刀具后刀面的磨粒磨损。葛英飞等在进给速度为600-1200m/min条件下使用PCD刀具高速铣削加工SiCp/2009Al复合材料，并采用SEM、EDS和拉曼光谱分析了后刀面的磨损机理。研究发现，增强相SiC与刀具的高频接触和冲击是引起刀具磨粒磨损、崩刃的主要原因，加工高体分比的铝基复合材料或采用较高切削速度，刀具上会出现显著的微裂纹，增强相体分比是引起PCD刀具磨损最主要的因素，而刀具材料的晶粒大小、增强相粒径大小、复合材料的热处理情况以及冷却状况均对刀具磨损有一定影响。同时，SiC颗粒力学冲击、切削颤振与热冲击的共同作用是刀具上微裂纹形成的主要机理，并形成高速切削的高温高压气氛。工件中的Al与Cu元素会向刀具产生小量扩散，导致刀具在Cu元素催化下形成一定程度的石墨化磨损。杨广宾利用旋转超声辅助磨削的复合加工技术磨削高体分SiCp/Al复合材料，在磨削参数相同的情况下，对比分析了旋转超声复合加工与传统磨削加工在磨削力和加工表面形貌的不同，以研究旋转超声复合磨削技术加工SiCp/Al复合材料的材料去除机理。研究发现，旋转超声复合磨削技术可明显降低加工时的磨削力，并有效降低刀具磨损；在加工表面粗糙度方面，旋转超声磨削复合加工技术要略大于常规磨削。
       3 表面完整性
       加工表面的完整性直接决定其耐磨性、抗腐蚀性和抗疲劳性能，并由此决定了零件的使用性能、可靠性及服役时间。
       李万青采用铣磨加工方法对SiCp/Al复合材料进行材料去除，研究了铣磨工艺参数对铣磨力及加工表面质量的影响。研究发现，铣磨力与铣磨深度和进给速度之间呈正相关性，而与砂轮线速度呈负相关性；铣磨加工工艺参数对加工表面粗糙度影响程度从小到大依次为进给速度＜砂轮线速＜铣磨深度。考虑到电火花加工技术可改善其难加工特性，陈奎等在传统电火花加工技术基础上引入混合粉末，改变放电电场、电蚀量等，以改善碳化硅颗粒增强铝基复合材料的切削加工困难、效率低等问题，并对比研究了传统电火花加工与混合粉末电火花加工条件下脉宽、间隙电压和峰值电流等对加工效率和表面质量的影响。研究发现，引入混合粉末的电火花加工效率得到明显提升，而电极的损耗程度显著增加，但表面粗糙度值相对于传统电火花加工下降31.5%，表面微观硬度增加40%，抗磨损性能则提高近1倍。
       4 切屑形成
       由于增强相分布的不均匀性导致SiC/Al复合材料整体的非均质性，使得SiC/Al复合材料切屑形成机制非常复杂。与金属基体相比，SiC/Al复合材料(尤其是高比分的复合材料)基本不发生明显的塑性变形，因此，通过金属切削成形基本原理去诠释切屑形成过程不太合理。
       葛英飞等研究了SCD和PCD刀具精密车削SiC/Al复合材料的切削形成过程，发现切屑具有厚度准周期性变化的锯齿形特点，切削过程中微裂纹的动态产生和发展以及剪切角的周期性变化是形成锯齿状切屑的主要原因；增强相体分比、刀具刃口半径、进给量和切削速度是切屑形成的主要影响参数。Abdalla等采用高速钢刀具(工艺参数为：旋转速度300rpm，每齿进给量0.229mm/r)对体积分数为10%的刀具进行孔加工，与铝合金较长的连续锥形螺旋切屑相比，由于加入SiC脆性相，Al/SiC复合材料的切屑分解为均匀的锥形螺旋短切屑。
       5 缺陷研究
       缺陷研究与表面完整性研究相互有交叉。SiCp/Al复合材料加工(尤其是钻削加工)往往会产生出入口棱边缺陷，直接影响SiCp/Al复合材料的装配与工作性能。曹波等分别采用电镀金刚石套料钻与金刚石涂层麻花钻对增强相体分比为45%-60%的SiCp/Al复合材料进行钻削试验，并对制孔出口崩边缺陷进行统计，提出关于制孔出口崩缺陷的评价方法，并利用该评价方法对不同进给速度与旋转速度组合下的制孔崩边缺陷进行分析，获得符合一定制孔质量标准的工艺参数范围组合。赵鹏等使用电镀工艺制作的金刚石钻头对SiCp/Al复合材料进行孔加工，研究了制孔入口棱边缺陷的形成机制。研究发现，入口棱边缺陷以颗粒剥落、颗粒断裂与破裂、断裂缺口、塑性突起为主，随着切削速度的增大，增强相断裂与破裂缺陷越发显著；随着切削速度减小，断裂缺口与增强相剥离等缺陷越显著。Li Zhou等采用F4.6mm电镀金刚石钻头对体分比56%、平均粒径60μm的SiCp/Al复合材料进行钻削加工，研究了钻削力、表面完整性和入口棱边质量。研究发现，切削速度对钻削扭矩和轴向力的影响不明显，钻削力与孔入口棱边质量相关，表现为增强相剥离和破碎。
       6 加工温度
       加工过程中的产热量直接影响刀具和工件的材料性能、刀具变形、加工后工件的形位公差和残余应力，因此温度对加工具有不同热力学性能的SiCp/Al复合材料非常重要。
       葛英飞等研究了600-1200m/min切削速度下PCD刀具高速切削加工SiCp/2009Al复合材料的铣削温度。研究发现，利用半人工夹丝热电偶的方法测得高速铣削SiCp/2009Al的峰值温度约为519℃，对铣削温度影响程度由小到大的切削参数依次为每齿进给量＜径向切宽＜增强颗粒体分比＜切削速度。
       7 仿真模拟
       由于两相的存在，用简单的等效均质模型模拟SiCp/Al复合材料及其加工过程与实际切削加工过程存在偏差，无法准确描述切削机理，而两相的存在对建模和计算收敛造成一定困难。为此，Wu等从介观角度构建了增强相且随机分布的SiCp/Al复合材料模型，并分析了颗粒形状、大小、体积分数对介观切削力、材料切削应力和加工表面质量的影响。分析发现，有大尖角的SiC颗粒不容易发生片状剥落，而易压入已加工表面，这将加剧刀具磨损和切削应力，但可以提高工件强度。常国瑞等采用ABAQUS软件模拟SiCp/Al复合材料的钻削加工，研究了进给量对棱边缺陷的影响，把棱边缺陷形成历程划分为剪切形变、应力传递、扭转形变和棱边形成。裂纹萌生及扩展是产生出口棱边缺陷的主因，出口崩边缺陷的大小与每齿进给量呈正相关性。戴志成等采用3D有限元技术构建真实碳化硅/铝基复合材料的仿真模型，研究了增强相形状对薄壁件铣削内应力分布的影响。仿真结果显示，增强相受载较大，基体受力较小，在增强相尖端的应力较集中，所以，铣削SiCp/Al复合材料薄壁件在增强相边缘易破碎，形成表面缺陷。
       8 特种与复合加工技术
       针对SiCp/Al复合材料加工出现的刀具磨损严重、成本较高及加工效率低下等问题，谭淞年采用水导激光加工方法加工SiCp/Al复合材料，通过与传统激光加工方法的质量对比，验证了水导激光特种加工技术的优越性。高体积分数的SiCp/Al复合材料陶瓷增强相含量较高，导致机加工和热成形困难且加工成本较高，陈龙等研究并开发出一种适用于高体分比SiCp/Al复合材料制备的真空自渗复合高压浸渗技术，实现了低能耗、高利用率和环境友好的复合材料近净成形加工。耿雪松等采用微细电火花线切割技术对SiCp/Al复合材料进行材料去除，并通过响应曲面方法构建了以加工质量等因素为约束条件的关于脉宽、电压和电容与材料去除率的多元二次回归模型，通过粒子群优化算法获得以多约束加工条件下的最优工艺参数。包晓慧等通过电化学蚀刻技术在SiCp/Al复合材料表面进行微纳复合结构蚀刻，再经氟硅烷/乙醇乙醇低表面能物质的修饰获得超疏水性的微纳双层结构，并研究了蚀刻时间、电流密度等对SiCp/Al复合材料表面微观组织及形貌等的影响。研究发现，在蚀刻电流密度为6A/dm2时，蚀刻的表面形貌易形成微米级“粒状”结构与纳米级结构复合的微纳结构，随着电流密度增大，表面接触角呈现增加—基本不变等趋势，而滚动角表现为缓慢减小—保持不变的规律。许幸新等采用硬质合金麻花钻通过超声振动辅助钻削方法对SiC颗粒增强铝基复合材料进行切削加工，并对比了有无超声情况下钻削力、磨损量和加工质量等方面的不同。研究发现，超声振动辅助钻削可有效提高表面质量，减小切屑变形，利于排屑，有效降低了钻削扭矩，减小孔内表面的粗糙度，并改善了制孔出口崩刃现象。
       小结
       由于具有高的比强度、比模量、抗磨损、抗高温、尺寸稳定性好等优异热力学性质，SiCp/Al复合材料广泛应用于航空航天、汽车、电子封装、军工装备制造等领域。Al基体中加入特性完全相反的高硬度、高强度和脆性大的SiC颗粒后，SiCp/Al复合材料的延展性下降，使切削加工变得极为困难，材料变形复杂，刀具磨损严重，刀具耐用度低及表面质量急剧下降，严重制约了SiCp/Al复合材料的应用。本文对SiCp/Al复合材料切削加工中的切削力、刀具磨损、表面完整性、切屑与缺陷形成机理、加工温度、仿真模拟及特种与复合加工技术等方面作出分析与总结，可以更全面地了解碳化硅增强铝基复合材料的切削加工研究进展。