隨著發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料含硅量的增多，材料的加工性能下降，以往沿用的硬質(zhì)合金刀具就難以勝任了。本文探討了切削高硅鋁合金的理想刀具材料——PCD刀具，闡明在實(shí)際應(yīng)用中要達(dá)到良好的切削效果應(yīng)選擇高粒度牌號(hào)的默克PCD刀具，并采用合理的刀具幾何參數(shù)。
在發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)部件中，活塞大概算是承受應(yīng)力和溫度范圍最寬的一種部件。它在發(fā)動(dòng)機(jī)中承受一定范圍的靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力，并承受從零度以下到400℃的溫度變化，由于火焰的沖擊，瞬時(shí)溫度可能還要高得多。因此，選擇最適宜的材料成為能否成功生產(chǎn)活塞的關(guān)鍵。

活塞選用的材料不僅必須具有完成技術(shù)功能所需要的足夠的物理和機(jī)械性能，而且在制造方面必須可靠、經(jīng)濟(jì)。從內(nèi)燃機(jī)活塞所處的工作環(huán)境可以看出，對(duì)活塞用鋁合金的材料特性有一系列的要求：比重小、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好、機(jī)械性能好、熱傳導(dǎo)熱性好以及加工性能好。根據(jù)以上要求，活塞用鋁合金的發(fā)展過程中形成了3種合金類型，根據(jù)硅含量的高低劃分為：共晶合金（硅含量約12%）、過共晶合金（硅含量約18%）及高硅合金（硅含量約25%）。

在我國，活塞常用的合金材料一般是共晶合金或過共晶合金，而俄羅斯等國家由于當(dāng)?shù)貧夂虻纫蛩?，一般要求其活塞材料是高硅鋁合金。本文就高硅鋁合金的切削加工進(jìn)行了深入的研究。

切削加工性差的原因

硅鋁合金特別是高硅鋁合金能否應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的零件，在很大程度上取決于它的切削加工性能，它比其他鋁合金的切削要困難。切削這種合金時(shí)刀具磨損非常嚴(yán)重，因?yàn)檫@種合金的基體是粗大的、一次析出的硅結(jié)晶體就像砂輪一樣，以很高的顯微硬度作用在刀具上，當(dāng)含硅量增加到17%～18%時(shí)，刀具磨損更為嚴(yán)重。此外，在切削加工高硅鋁合金鑄件時(shí)，在刀尖上常會(huì)產(chǎn)生積屑瘤，其高頻的生長與脫落，往往使加工表面粗糙度增大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是由于高硅鋁合金是一種高延性、高脆性的復(fù)合材料，脆性粒子硅分布在延性的基體鋁中。

切削加工時(shí)，鋁發(fā)生塑性變形，最后脆性斷裂，而硅則產(chǎn)生脆性變形以至脆性斷裂。由于鋁的延展性大、融點(diǎn)低，易在刀具與工件接觸處產(chǎn)生積屑瘤，隨后與破碎的初晶硅一起在刀具表面上刻出劃痕，加大刀具的磨損。加工高硅鋁合金活塞時(shí)，刀具不僅受到高頻交變沖擊，工件內(nèi)高硬度硅顆粒分布密度加大，且還受熱傳導(dǎo)、化學(xué)和磨粒磨損等因素影響，刀具的磨損和破損較為嚴(yán)重，壽命較短，嚴(yán)重影響了活塞的生產(chǎn)效率。

加工性能的改善措施

為了提高改善高硅鋁合金的切削加工性能，主要采取以下幾方面的措施：

1.進(jìn)行細(xì)化處理

試驗(yàn)與使用證實(shí)，對(duì)高硅鋁合金進(jìn)行細(xì)化處理不僅使初晶硅細(xì)化，而且還可使其分布均勻。用含19%的Al、1.0%的Si、0.4%的Mg及少量錳合金砂型鑄件進(jìn)行的車削結(jié)果表明，經(jīng)細(xì)化處理使加工表面粗糙度明顯降低。此外，細(xì)化初晶硅可使刀具磨損顯著減輕。

2.加入合金元素

在硅鋁合金中加入0.5%的Cu即可改善砂型和金屬鑄件的表面粗糙度。磨削試驗(yàn)結(jié)果表明，加工含1.0%的Cu、1.0%的Mg和1.0%的Ni的硅鋁合金工件時(shí)，其表面粗糙度比加工不含這些元素材料時(shí)要低。

3.加入易切削元素

在硅鋁合金中加入1%的Pb或1%的Bi可使刨削后的工件表面撕裂現(xiàn)象減少，切屑易于碎斷。如加入2%的Cu還能作進(jìn)一步改善，可使銑削后的工件表面刀痕減少，切屑卷曲成圈。此外，在硅鋁合金中加Sn元素可減小車削、銑削和鉆孔時(shí)的切削力，并能得到良好的加工表面而不影響其機(jī)械性能。

4.熱處理

熱處理可改善鋁合金的切削性能。硅鋁合金加熱時(shí)，α固溶體因強(qiáng)化相溶入而帶來的濃度變化，其晶體結(jié)構(gòu)并未改變，硅鋁合金淬火后基體組織并未變化，仍保持了硅鋁合金原有的良好塑性，而且因脆性第二相溶入基體有時(shí)塑性反而進(jìn)一步提高。強(qiáng)度則因基體合金元素濃度的增加而提高，即獲得了固溶強(qiáng)化。由此可知，強(qiáng)化熱處理后的硅鋁合金切削加工性反而得到了提高。

理想的加工刀具

PCD是指將金剛石微粉(粒度為微米級(jí))與少量的金屬粉末(如Co等)混合后在高溫(1400℃)高壓下燒結(jié)而成的聚晶體。市場上作為商品供應(yīng)的PCD復(fù)合片，是由0.5～0.7mm厚的聚晶金剛石層在高溫、高壓下使其牢固地和硬質(zhì)合金襯底結(jié)合的一種超硬復(fù)合材料。它既具備了PCD的高硬度、高耐磨性，又兼有硬質(zhì)合金的良好強(qiáng)度和韌性，因此用PCD復(fù)合片制成的刀具是使用最廣泛的金剛石刀具，被大量應(yīng)用于汽車、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料由低硅鋁合金改為高硅鋁合金，含硅量的增多令材料的加工性能下降，以往沿用的硬質(zhì)合金刀具就難以勝任了。PCD刀具比較適合加工硅鋁合金，尤其適合加工含硅量高的鋁合金零件。PCD刀具是加工鋁合金，特別是高硅鋁合金最為有效的刀具材料，也是這種刀具材料使用的最為廣泛的加工領(lǐng)域。高硅鋁合金的硬度和耐磨性比其他鋁合金高，切削時(shí)刀具交替地切削軟的鋁基和硬的硅顆粒，使用普通硬質(zhì)合金刀具時(shí)很容易磨損；同時(shí)刀具也很容易產(chǎn)生積屑瘤，因而會(huì)使加工精度和表面粗糙度惡化。為了避免積屑瘤和加工硬化，刀刃必須鋒利，刀面必須光滑，PCD刀具正好符合這些要求。

1.加工高硅鋁合金應(yīng)采用高粒度的PCD刀具

加工高硅鋁合金材料須采用粗顆粒PCD牌號(hào)刀具，例如：鈞杰陶瓷加工日本客戶的高硅產(chǎn)品時(shí)，使用通用的硬質(zhì)合金焊接刀具，刃磨一次僅能加工20～30只活塞，刀具磨損特別嚴(yán)重，活塞加工表面質(zhì)量也非常差，根本無法達(dá)到加工要求。而改用粗粒度的PCD刀具后，刃磨一次加工量能達(dá)到300多只，加工數(shù)量與加工質(zhì)量比以前大大提高。

2.切削高硅鋁合金時(shí)，PCD刀具應(yīng)采用合理的幾何參數(shù)

在加工高硅鋁合金時(shí)(尤其在用PCD刀具替代硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工時(shí))，PCD刀具的后角最好比原硬質(zhì)合金刀具采用的后角略微減小，以改善PCD刀具切削刃對(duì)高硅鋁合金的切削性能。PCD刀具的前角也不宜過大，因?yàn)榈毒咔敖窃酱?，其切削刃?qiáng)度越低；PCD刀具的后角越小，切削刃的強(qiáng)度越高。在保證刀具為正切削角的前提下，應(yīng)盡可能提高切削刃強(qiáng)度。

理想的機(jī)床

加工高硅鋁合金最好選用專用的CNC機(jī)床，鑫騰輝數(shù)控為高硅鋁合金的加工研發(fā)了專用CNC機(jī)床，并且我們提供一站式加工解決方案。我們可以提供從刀具、工藝流程設(shè)計(jì)、加工程式編輯、人員培訓(xùn)等全方位服務(wù)。咨詢熱線：15012558160。

結(jié)語

高硅鋁合金因具有較高的高溫強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性和較高的耐磨性，廣泛應(yīng)用在高性能的內(nèi)燃機(jī)活塞上，要改善其切削性能，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的細(xì)化、化學(xué)處理和熱處理。PCD刀具是切削高硅鋁合金的理想刀具材料，且應(yīng)選擇高粒度牌號(hào)的PCD刀具，并采用合理的刀具幾何參數(shù)，才能達(dá)到良好的切削效果。