摘要
SiCp/Al-Ti叠层复合材料通过铝合金和钛合金的层状复合及SiC颗粒增强，达到高强韧性、高稳定性及轻量化等性能，可实现关键部件的性能加强与应用，但同时也容易因材料内部性能差异导致切削损伤等质量问题。本文考虑SiCp/Al-Ti叠层材料的异质材料层性能及颗粒-层间多相界面特性，首先建立了基于异质材料和双线性内聚力界面的切削仿真模型，探究了不同切削工艺下的切削力-热变化，并利用二维切削实验平台验证了仿真模型的差异性在10%以内；通过仿真分析及表面SEM观测，研究了叠层复合材料在不同切削工艺条件下的材料去除过程，揭示了切削损伤的形成机制；最后采用表面三维形貌的分区域表面粗糙度计算方法，探究了切削参数对表面质量的影响规律。结果表明，刀具从TC4层切入SiCp/Al层时，强度高的TC4使SiCp/Al产生层间弯曲变形，损伤形式主要为分层裂纹和层间颗粒压碎；当刀具从SiCp/Al层切入TC4层时，则会出现SiCp/Al层涂覆层间界面，损伤形式主要为界面涂覆和颗粒压入界面，且由于SiC颗粒的存在，加工SiCp/Al层损伤比TC4层缺陷更为严重。
Abstract
SiCp/Al-Ti laminated composites achieve the properties of high toughness, high stability and lightweight through laminated aluminum alloy, titanium alloy and the reinforcement of SiC particles,facilitating the enhancement of key components. However, the inherent differences in material properties can lead to cutting damage and other quality issues. In this study, considering the heterogeneous material properties and multiphase interface characteristics of SiCp/Al-Ti materials, a cutting simulation model based on heterogeneous materials and bilinear cohesive interfaces is established to explore the cutting force-heat changes in different cutting processes. The simulation model is validated by a two-dimensional cutting experimental platform, demonstrating discrepancies within 10%.Then, the material removal process of laminated composites under different cutting conditions is investigated through simulation analysis and surface SEM observation, revealing the formation mechanisms of cutting damage. Finally, the subarea surface roughness calculation method of 3D morphology is adopted to explore the influence law of cutting parameters on surface quality.The results show that when the tool cut from the TC4 to the SiCp/Al layer, the high strength of TC4 induces interlaminar bending deformation in the SiCp/Al, resulting in damage primarily characterized by delamination cracks and interlaminar particle crushing.Conversely, when the tool cut from the SiCp/Al into the TC4 layer, the interfacial coating of the SiCp/Al layer is affected, leading to damage predominantly manifested as interfacial coating failure and particle indentation at the interface. Furthermore, due to the presence of SiC particles, the machining of the SiCp/Al layer damage is more serious than that of the defects in the TC4 layer.
随着航空航天技术及先进制造业的发展，对材料性能的需求不断增长，特别在轻量化、高强度、高韧性和耐高温方面[1-4]。单一均质金属材料在极端环境和复杂加载条件下存在性能局限，而叠层复合材料因其能够结合不同材料的优点，提供更优异的综合性能成为研究焦点[5-8]。但叠层复合材料在加工过程中会因界面问题出现分层、空洞、突起等损伤，仅通过实验较难详细描述和分析切削过程中出现的损伤以及损伤的形成机制。通过仿真分析[9-10]可在微观中研究叠层材料的去除过程、损伤形成以及热、力变化规律[11]进而通过实验和仿真过程全面了解复合材料的材料特性。
叠层复合材料因独特的材料性能而被视为难加工材料，加工过程中易产生一系列缺陷[12-13]。仿真和实验结合是研究叠层材料加工性能的主要方法，可阐释其切削特性[14]。刘亚军等[15]针对叠层材料在螺旋铣孔加工中的界面切削热传递问题进行研究，建立了仿真切削模型并通过实验验证了其准确性，并结合仿真和实验修正了刀具与工件的热传递系数以及工件界面温度传导率。Mandal等[16]考虑了层间界面的内聚力元素层，用于模拟层压复合板的损伤效应，损伤类型包括纤维失效、基体失效和分层效应，有限元内聚力元素层可用于渐进损伤模拟。周彬彬等[17]采用内聚力单元对锆-钛-钢复合板进行剪切实验仿真，根据仿真得到剪断位移与内聚力强度的关系构建了预测剪切强度的公式。仿真已成为研究叠层材料特性的常用方法，结合实验研究可以更全面地理解材料的特性，从而得出在实际应用中材料可能表现出的复杂行为，为材料的加工提供更深入的见解。
研究发现界面损伤形式及形成机制是保障加工质量的重要因素，大量学者研究了界面损伤机理，Xu等[18]建立了正交切削碳纤维-钛合金（CFRP/Ti）叠层材料的有限元仿真模型，研究发现切削顺序对最终加工表面形貌和亚表面损伤有显著作用，强调了切削顺序对叠层材料的表面加工质量的影响。Luo等[19]针对低刚度CFRP与钛合金叠层材料在钻孔过程中的界面损伤问题进行了深入分析，研究发现存在层间切屑表面损伤，分析得出损伤是由金属屑沿层间隙旋转延伸引起的。蔡晓江[20]提出了基于声发射技术的三维体积分层因子评价方法，深入探讨了CFRP在切削加工中的力学行为、热效应和表面质量特性。异质材料的差异性使得界面层常出现失效，因此界面损伤的问题成为众多研究者的研究焦点。
叠层复合材料由于异质材料层切削性能的差异及界面结合强度较弱，层间界面、颗粒界面等特性导致材料在加工过程中表现出加工应变不均及界面切削损伤等问题。以SiCp/Al-Ti叠层材料为例，制备后会形成交替排列的钛层、钛铝合金层、铝基碳化硅层及界面。由于叠层材料的各层及层间界面存在显著的性能差异，加上SiC颗粒的增强效应，切削中会因加工应变不均等导致界面切削损伤等问题。本文针对SiCp/Al-Ti叠层材料展开对其切削过程及损伤形成机制的研究。构建了包含内聚力界面模型的叠层复合材料仿真模型，对TC4和SiCp/Al叠层复合材料不同切削顺序下的切削过程进行探究。利用二维切削实验结合仿真方法对叠层材料切削过程进行研究，并验证仿真模型的准确性。针对不同层间界面探究其损伤形式及形成机制，探究不同切削工艺对叠层材料表面质量的影响。
1 实验平台及仿真模型构建
1.1 实验材料
采用的叠层材料通过热压法在真空热压炉中制备，4层TC4和3层SiCp/Al材料（每层厚度1 mm）按照交叉摆放顺序在真空干燥箱进行堆叠、干燥和真空热压烧结，使材料层Ti和Al原子扩散反应生成Al-Ti化合物界面，最终得到7层TC4-SiCp/Al实验材料[21-22]，材料最外层为TC4，仿真模型使用叠层材料的界面处形态作为研究对象，正交平面内尺寸为0.4 mm×0.1 mm。图1所示为其中TC4-SiCp/Al-TC4叠层复合材料示意图及性能指标，可以发现不同材料之间存在着明显的性能差异。
图1叠层复合材料示意图及不同相性能指标
Fig.1Schematic diagram of laminated composites and performance index of different phases
1.2 仿真模型
本文采用有限元仿真软件ABAQUS对叠层复合材料的切削加工进行了数值分析[23-24]。仿真模型包括TC4、SiCp/Al和粘性截面。根据叠层材料的铺层结构，采用均值材料建模和多相混合建模[18]，考虑了异质材料层的层间建模。TC4层和SiCp/Al层单元类型划分为CPE4RT，TC4层采用结构化四边形网格，SiCp/Al层采用四边形为主的自适应网格，层间采用零厚度Cohesive单元[25]，基于Al-SiC增强界面的双线性本构和层间界面的B-K损伤演化准则模型，结合材料本身特性，构建不同材料-层间界面-颗粒界面的二维切削仿真模型[26-27]。
图2和图3展示了叠层复合材料的两种连接顺序仿真模型。材料分别为TC4和SiCp/Al复合材料，对应实际加工中刀具切削叠层材料时的两种切削顺序。在仿真模型中，叠层材料模型尺寸为0.4 mm×0.1 mm。切削过程时间较短，刀具的变形可忽略不计，故仿真中被视为刚体，考虑到不同材料层切削条件的一致性，采用硬质合金YG8刀具，切削加工沿着X方向进行，刀具前角、后角分别为10°、7°。工具与工件的接触设置为面与面接触，其法线方向为无摩擦的刚性接触，切向方向采用罚函数摩擦，摩擦系数设为0.3。
仿真模型材料TC4、Al、SiC和硬质合金刀具的物理力学性能参数如表1所示。本文建模过程中Al和TC4使用的J-C本构模型和J-C损伤参数如表2所示。
图2层间模型（a）及网格划分（b）（TC4到SiCp/Al）
Fig.2Interlayer model (a) and grid partitioning (b) (TC4 to SiCp/Al)
图3层间模型（a）及网格划分（b）（SiCp/Al到TC4）
Fig.3Interlayer model (a) and grid partitioning (b) (SiCp/Al to TC4)
表1叠层复合材料材料属性
Table1Material properties of laminated composites
表2J-C本构模型和失效参数
Table2J-C constitutive model and failure parameters
1.3 实验平台
本文基于叠层复合材料的层状结构，结合有限元仿真方法，搭建了二维直线切削性能测试实验平台，如图4所示，该平台切削方式与仿真中的二维切削相互映射，主要包括高速直线导轨、微动滑台、车刀夹具、刀具等。其中刀具的材料为硬质合金刀具；直线轨道长1 020 mm，最高速度5 000 mm/s，可达到0~5 000 mm/s切削速度要求；微动滑台控制切深，其进给精度可以达到0.01 mm；测力仪安装在被测材料底部，最高具有50 000 Hz采样频率，自带测试分析软件DynoWare，可以记录材料切削过程中的力变化；在工件底部开微槽并将热电偶丝埋入工件内部进行切削过程的温度测量。
图4二维切削实验平台
Fig.42D cutting experiment platform
二维切削实验结束后，使用扫描电子显微镜（SEM）和白光干涉仪（三维光学表面轮廓测量仪）对已加工表面的微观结构和表面粗糙度进行详细测试，SEM设备为日本电子公司生产的JSM-IT500HR型号；白光干涉仪为美国Bruker Nano Surface的Npflex，可测纳米级表面粗糙度。
2 TC4-SiCp/Al叠层复合材料切削过程及表面质量研究
为模拟叠层复合材料切削过程，根据叠层材料的各层材料特性，分别建立了TC4-SiCp/Al和SiCp/Al-TC4两种切削顺序下的有限元模型，研究切削顺序对切削力、应力场和温度场变化的影响，进而阐释叠层复合材料异质材料层的切削过程和界面层的性能[28]。
2.1 叠层材料不同切削过程仿真分析
2.1.1 TC4层切入SiCp/Al层的叠层结构切削过程分析
不同材料层在切削过程中会产生不同的界面损伤机制。为探究从TC4切入SiCp/Al的关键影响因素，图5给出了在切削速度1 400 mm/s，切削深度0.03 mm的切削条件下的仿真结果，提取的仿真过程中的进给方向切削力（沿切削方向）如图5所示，可将叠层材料仿真切削过程分为5个区域。
图6为叠层材料从TC4到SiCp/Al的切削仿真应力场模拟图。如图6中A图所示，此时刀具接触TC4层，切削力信号出现逐渐增大现象，随之进入稳定切削阶段，对应于图5中的b阶段；随着刀具的进给，刀具位于界面区域时，如图6中B图所示，由于界面处连接较为薄弱，切削力会出现略微的下降，对应于图5中的c阶段；如图6中C图所示，刀具即将进入SiCp/Al层，此时刀具由切削TC4转化为切削SiCp/Al；如图6中D图所示，刀具进入SiCp/Al层，其界面处出现了较大的分层损伤，即高强度的钛合金不能对层间缝隙进行回填而出现界面失效的分层现象，强度高的TC4材料使SiCp/Al产生层间弯曲变形，低体积分数SiCp/Al基体受TC4挤压，直到刀具切削至SiCp/Al层。
图5叠层复合材料切削仿真力信号（TC4到SiCp/Al）
Fig.5Cutting simulation force signals of laminated composite materials (TC4 to SiCp/Al)
图6叠层复合材料切削仿真应力场（TC4到SiCp/Al）
Fig.6Cutting simulation stress of laminated composite materials (TC4 to SiCp/Al)
图7所示为从TC4切入SiCp/Al时，叠层结构切削温度场变化仿真图。由于TC4的较小的导热系数和较低的比热，在切削过程中，如图7中B图所示，TC4热传递较慢且热辐射区较小，主要生热位置位于刀具前刀面与切屑摩擦处，刀具前刀面与第二变形区温度较高；随着刀具的进给，TC4的切削温度并不会及时传递到下层材料，直到切削至SiCp/Al层，部分热量传递至SiCp/Al材料层；且切削SiCp/Al温度低于切削TC4时的切削温度。
在叠层复合材料切削过程中，切削力、热信号会因为材料性质不同发生波动，不同的切削阶段导致切削力、热信号变化的机制不同，其中切削力波动主要是因为异质材料层不同的切屑去除过程及界面的裂纹的产生和扩展所引起的，切削温度会因为异质材料层热导率的差异产生周期性变化。
2.1.2 SiCp/Al层切入TC4层的叠层结构切削过程分析
切削由SiCp/Al层切入TC4层时，切削过程与TC4切入SiCp/Al不同，其切削力、热的信号变化也随切削顺序而产生变化，图8给出在切削速度1 400 mm/s，切削深度0.03 mm的切削条件下，从SiCp/Al切入TC4的切削仿真力信号，并将整个切削过程可依据力信号变化规律划分为5个区域。
图7叠层复合材料切削仿真温度场（TC4到SiCp/Al）
Fig.7Cutting simulation temperature of laminated composite materials (TC4 to SiCp/Al)
图8叠层复合材料切削仿真力信号（SiCp/Al到TC4）
Fig.8Cutting simulation force signals of laminated composite materials (SiCp/Al to TC4)
图9给出了叠层复合材料从SiCp/Al到TC4的切削仿真应力场模拟图，如A图所示，此时刀具接触SiCp/Al层，切削力信号出现逐渐增大现象，并且随着刀具的进给，由于SiC颗粒的存在，在刀具切削到SiC颗粒时出现切削力的急剧增大现象，对应于图8中的a、b阶段。
图9叠层复合材料切削应力场（SiCp/Al到TC4）
Fig.9Cutting simulation stress of laminated composite materials (SiCp/Al to TC4)
如图9中B图所示，SiCp/Al第一变形区的挤压力不足以对下层TC4造成较大损伤，被挤压的铝基体挤压界面区域，并且代替刀具作用于TC4层，顶部出现应力集中现象，此时会出现图8中的c阶段所示的切削力增大现象；如图9中C图所示，刀尖划过界面区域时，SiCp/Al材料受到刀具的作用被挤压至TC4顶部，其界面损伤较小，且切削力信号逐渐转变为切削TC4力信号；如图9中D图所示，被切削去除的SiCp/Al发生对切削界面涂覆，进而刀具切入TC4层。
图10为刀具从SiCp/Al切入TC4材料时，叠层复合材料切削温度场变化情况。SiCp/Al热导率和比热相对较高，刀具在切削SiCp/Al层时，刀具前刀面与SiCp/Al第二变形区温度较低；随着刀具的进给，如图10中B图所示，刀具即将切削界面处时，TC4界面处出现较小的温度升高现象，其原因是SiCp/Al层切削温度传递至TC4层；刀具继续进给，接触到TC4层时，如图10中C图所示，由于TC4热导率较小，刀尖与TC4接触区温度逐渐升高；接着刀具完全进入TC4层，如图10中D图所示，刀具前刀面与TC4第二变形区温度升高，高于SiCp/Al层切削温度。
图10叠层复合材料切削温度场（SiCp/Al到TC4）
Fig.10Cutting simulation temperature of laminated composite materials (SiCp/Al to TC4)
2.2 叠层复合材料切削测试与验证
2.2.1 切削力验证
为了验证叠层复合材料切削仿真方法的准确性，本文在搭建的二维切削实验平台上进行与仿真相互映射的切削实验，实验选用硬质合金刀具的几何参数与仿真建模参数相同，且切削参数选取为切削速度1 400 mm/s，切削深度0.03 mm，对力信号进行处理，如图11所示为7层叠层材料的实验切削力。
图11TC4-SiCp/Al叠层复合材料实测切削力信号
Fig.11Measured cutting force signal of TC4-SiCp/Al laminated material
由于叠层材料切削过程异质材料切削性能的差异和界面的存在，分别提取两种切削顺序过程下SiCp/Al层和TC4层的力、热信号，并与实验进行对比验证，对比两种情况下的切削力，图12、13分别为两种切削顺序下的实验和仿真切削力对比，可以看到实验与仿真切削力变化过程基本相同，两者误差均在10%以下，验证了仿真模型的准确性。
图12TC4层切入SiCp/Al层实验和仿真切削力对比
Fig.12Comparison of experimental and simulated cutting forces from TC4 to SiCp/Al layer
图13SiCp/Al层切入TC4层实验和仿真切削力对比
Fig.13Comparison of experimental and simulated cutting forces from SiCp/Al to TC4 layer
2.2.2 切削温度验证
选用NI-9315温度采集板卡来进行热电偶电势差信号的采集，热电偶丝测量方式及位置如图4所示。切削实验中提取所测温度的最高值作为实验温度值。当切削参数为切削速度1 400 mm/s，切削深度0.03 mm，测得的温度信号如图14所示，提取其温度最高峰，与仿真中第三变形区切削最高温度误差在10%以内。
2.3 叠层复合材料层间界面损伤形成机制
2.3.1 TC4-SiCp/Al叠层材料切削仿真过程研究
仿真采用和二维切削实验相同的参数，切削速度为1 400 mm/s，切削深度为0.03 mm的情况下，仿真基于两种切削顺序下的损伤情况进行分析，分为TC4层切入SiCp/Al层和SiCp/Al层切入TC4层[29]。
表3给出了叠层仿真切削模型中TC4层切入SiCp/Al层切削顺序下，叠层复合材料界面切削损伤形成过程。在界面处由于TC4强度较大，未完全去除的TC4切屑使得界面处的SiCp/Al出现压弯现象，使得界面出现较大的分层损伤[23]，即较硬的钛合金起到了代替刀具切削SiCp/Al的作用。
表4给出了叠层仿真切削模型中SiCp/Al层切入TC4层切削顺序下，叠层复合材料界面切削损伤形成过程。界面处由于相对较软的Al基体不会对使得TC4出现较大的压弯变形，未完全去除的SiCp/Al材料被挤压至TC4顶部，涂覆过TC4表面，使得界面损伤进一步减小。
图14TC4和SiCp/Al切削实验（a）、（c）与仿真（b）、（d）温度曲线图
Fig.14Cutting temperature curves of TC4 and SiCp/Al in experiment (a) , (c) and simulation (b) , (d)
表3TC4层切入SiCp/Al层界面切削损伤形成过程
Table3Cutting damage formation process of cutting from TC4 to SiCp/Al layer
表4SiCp/Al层切入TC4层界面切削损伤形成过程
Table4Cutting damage formation process of cutting from SiCp/Al to TC4 layer
2.3.2 TC4-SiCp/Al叠层复合材料层间界面切削损伤形成机制研究
为验证仿真中的损伤形式与实验中的一致性，采用SEM对实验得到的切削界面进行分析。图15为叠层材料的SEM图，包含了切削部分和未切削部分，由于扫描电镜的放大倍率原因，最多只能拍到5层叠层材料的情况。
图16为TC4层切入SiCp/Al层切削实验界面损伤SEM图，当TC4层切入SiCp/Al层时，层间界面出现较大损伤，这是由于TC4弹性模量较大、强度较高难切削去除，TC4受到刀具的挤压发生变形产生的切削力作用于SiCp/Al层，铝基体相较于TC4较软，因此被去除的TC4压向一侧，刀具离开界面切削区后，使得界面形成分层裂纹，验证了TC4层切入SiCp/Al层的仿真界面切削损伤形式；同时也可能存在SiC颗粒的情况，由于层间TC4挤压，使得颗粒也产生较多的破碎和孔洞，使得界面损伤更加严重。
图15叠层材料的扫描电镜图
Fig.15Scanning electron microscopy of stacked materials
图16TC4层切入SiCp/Al层界面损伤
Fig.16Interface damage of cutting from TC4 to SiCp/Al layer
图17为SiCp/Al层切入TC4层切削实验界面损伤SEM图，由SiCp/Al层切入TC4层时，层间界面的损伤较小，界面区无明显裂痕，主要原因为铝基体较软，在由SiCp/Al材料层切入TC4层时，对TC4界面处造成较小的损伤变形，并且较软的铝基体会覆盖界面层，使界面层更加平滑，使得界面区域并未出现裂纹等较大损伤。此种情况下会出现界面处铝基体涂覆现象，如图17（a）所示，并验证了仿真中SiCp/Al层切入TC4层的仿真界面损伤形式；由于界面处SiC颗粒的存在，界面处会出现颗粒破碎的小凹坑及由于刀具表面粘附SiC颗粒致使的界面划痕，如图17（b）所示。
图17SiCp/Al层到TC4层界面损伤
Fig.17Interface damage of cutting from SiCp/Al to TC4 layer: (a) interface coating; (b) interfacial particle crushing
2.4 层间界面分区域的加工表面质量分析
为预测具有叠层层间界面及SiC颗粒增强界面的叠层材料加工质量，还需进一步分析界面的表面粗糙度情况。叠层复合材料在切削加工过程中会出现较多的损伤，通过分析表面粗糙度，可以更好地分析表面损伤程度，同时还可以优化切削参数和加工工艺，本文针对叠层材料异质材料层及层间界面损伤特性，将层间界面区域拆分为3个部分：层间界面、TC4层、SiCp/Al层。图18为提取已加工表面的面粗糙度Sa示意图，全面地表征表面形貌，从三维的角度去反馈不同切削参数及不同切削区域的粗糙度，其计算公式为
(1)
基于叠层复合材料切削过程中表面质量的损伤较为复杂，TC4和SiCp/Al的损伤形式不同，切削过程中层间损伤也会使得切削表面质量变差。如图19所示，分别提取层间界面区、TC4层、和SiCp/Al层这3个区域内的面粗糙度进行对比分析，描述切削叠层复合材料表面质量的变化趋势。叠层材料粗糙度提取分为TC4切入SiCp/Al和SiCp/Al切入TC4两种情况。对界面层间、TC4层、SiCp/Al层的的粗糙度测量范围如图19所示，沿切削方向取宽为14.8 μm的矩形，测量3次该范围内的粗糙度，并取平均值作为该层的粗糙度值。
图18Sa提取界面图
Fig.18Sa extraction interface diagram
图19不同区域表面粗糙度
Fig.19Surface roughness of different areas
图20所示为在TC4层切入SiCp/Al层情况下，不同切削速度和切削深度对叠层材料不同区域的Sa影响曲线图。
图20切削速度（a）、切削深度（b）对不同区域表面粗糙度的影响（TC4层切入SiCp/Al层）
Fig.20Influence of different cutting speeds (a) and depths (b) on the subarea surface roughness (TC4 to SiCp/Al)
由图20中可以看出随着切削速度的增大，3个不同区域的粗糙度均呈下降趋势，增大切削速度能更加快速地实现对TC4材料层的去除、降低界面的损伤程度从而降低层间界面的表面粗糙度；随着切削深度的增大，TC4对界面处的弯曲变形更大，造成更大的界面变形，使得界面分层增大，粗糙度也随之增大。TC4层的表面粗糙度均小于SiCp/Al层，界面层间的表面粗糙度较大。
图21为SiCp/Al层切入TC4层情况下，不同切削速度和切削深度对其不同区域的Sa影响曲线图。由图21中可以看出各区域的粗糙度随着切削速度的增大而减小，随着切削深度的增大呈上升的趋势；与TC4层切入SiCp/Al层不同的是，SiCp/Al层的粗糙度均最大，层间粗糙度受切削深度影响较小，而受其切削速度影响较大；相较于TC4层切入SiCp/Al层各层的粗糙度小，基体的涂覆现象对表面完整性和粗糙度的提升有明显作用。
3 结论
面向TC4-SiCp/Al叠层复合材料的高质量加工要求，本文基于双线性内聚力模型，建立了叠层材料两种连接顺序的层间切削模型，并搭建了二维切削实验平台，通过仿真和实验结合的方式，研究切削过程中的切削力、热变化，分析叠层材料切削去除过程，阐明了高性能金属叠层复合材料表面切削损伤形成机制，并结合白光干涉仪测试的加工表面表面粗糙度分析了不同切削参数对叠层复合材料不同区域粗糙度的影响规律，得到以下结论。
图21切削速度（a）、切削深度（b）对不同区域表面粗糙度的影响（SiCp/Al层切入TC4层）
Fig.21Influence of different cutting speeds (a) and depths (b) on the subarea surface roughness (SiCp/Al to TC4)
1）引入内聚力模型用于TC4-SiCp/Al叠层复合材料界面连接，并实现叠层材料的切削仿真，通过搭建的二维切削实验平台进行验证对比，仿真中单层切削力与实验中对应层的切削力误差保持在10%以下，验证了叠层复合材料模型的准确性。
2）由于TC4具有较高的强度，当TC4层切入SiCp/Al层时会将界面处的SiCp/Al材料压弯进而界面处产生较大的变形分层，界面处切削力先增大后减小，较硬的TC4可使SiCp/Al产生层间弯曲变形，主要为分层裂纹和层间颗粒压碎两种类型；当从SiCp/Al层切入TC4层时，则会出现较软的铝基体涂覆界面处，界面处切削力逐渐增大，主要为界面涂覆和颗粒压入界面两种。
3）由于SiC颗粒增强相作用，叠层复合材料SiCp/Al层加工损伤比TC4层缺陷更为严重。在加工过程中，TC4层至SiCp/Al层界面区域表面质量最差，SiCp/Al层至TC4层界面由于基体涂覆使得界面几乎无分层现象，减小了界面损伤；在相同切削深度下，切削速度的提升能够有效地降低界面区的表面粗糙度，在相同切削速度下，减小切削深度能够有效降低切削加工界面区的粗糙度。
