（机械工程专业论文）活塞加工专用刀具研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本课题结合滨州渤海活塞股份有限公司的实际生产状况，详细研究了适合加 e = ，一 工铝硅合金活塞的专用刀具及其相关内容。 在对制造活塞常用的铝合金材料( 主要包括亚共晶、共晶和过共晶铝硅合金) 的切削加工性能进行分析研究的基础上，从铝合金材料和刀具材料( 主要是指刀 具材料与工件材料的力学、物理和化学性能) 相互匹配的角度研究如何合理选用 适合的刀具材料，以获得良好的切削加工效果，即最长的刀具寿命、最大的切削 加工生产率和最低的刀具成本消耗。 f p c d 材料具有高硬度、高耐磨性以及刀具刃磨成本较高等特点。针对铝活塞 的精加工，系统研究了p c d 刀具的刃磨质量及主要几何参数对已加工表面粗糙度 的影响规律，合理选择p c d 刀具的刃磨质量和几何参数，既能满足加工要求，同 时又降低7 3 具刃磨成本，使p c d 刀具在加工硅铝合金活塞领域得到更广泛的应用，7 系统研究了p c d 刀具的磨损形式和规律( 前刀面磨损形态、刃口磨损形态、 后刀面磨损形态及刀具脆性破损的形态等) ，并对其磨损机理进行了较深入的研 究；探讨了铝合金材料中硅晶粒的含量、大小、形状及分布情况对p c d 刀具磨 损的影响规律，研究结果对实际生产有一定的指导意义。 关键词：铝硅合金；刀具材料：刃磨质量：加工表面粗糙度；刀具磨损 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r i n gs t a t u s i n b i n z h o ub o h a ip i s t o nc o l t d ，t h i st h e s i sa c h i e v e da s y s t e m i cs t u d y o nt h ec u t t i n gt o o l sf o rm a c h i n i n gt h e a l s ia ll o yp is t o n s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a c h i n i n gc a p a b i l i t yo f t h e w i d e l y u s e d a 1 一s ia ll o y( m a i n l y i n c l u d i n g h y p o e u t e c t i c ，e u t e c t i ca n dh y p e r e u t e c t i ca 1 一s ia l l o y ) f o r p i s t o n ，t h ep r o j e c t ，a c c o r d i n g t ot h e m a t c h i n g e x t e n t b e t w e e na 1 一s ia ll o ya n dt h e c u t t i n g t o o lm a t e r i a l s p e r f o r m a n c e ，d e l v e si n t oh o wt oc h o o s ea n du s ec u t t i n g t o o lm a t e r i a l st oa c h i e v ee x c e l l e n t c u t t i n gr e s u l t ， i n c l u d i n gt h el o n g e s tt o o ll i f e ，t h em a x i m a lp r o d u c t i v i t y ， a n dt h em i n i m a lc u t t i n gt o o l c o n s u m p t i o nc o s t p c dm a t e r i a li sc h a r a c t e r i z e db yh i g hh a r d n e s sa n d w e a rr e s i s t a n c e ，w h i c hl e a d st oah i g h e rc o s ti ng r i n d i n g t h ec u t t i n ge d g e f u r t h e r m o r e ，t h i sp r o j e c ta l s oc o n d u c t s ar e s e a r c hi n t ot h ei n f l u e n c eo fe d g e g r i n d i n gq u a l i t ya n d t h em a i ng e o m e t r i c a lp a r a m e t e ro ft h ec u t t i n gt o o lo nt h e i i 山东大学硕士学位论文 m a c h i n e ds u r f a c er o u g h n e s sd u r i n g t h ef i n i s hm a c h i n i n g p r o c e s s t h e r e f o r e ，t h e r e a s o n a b l ec h o o s eo ft h ee d g e g r i n d i n ga n dt h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r o ft h ep c dc u t t i n g t o o l ， w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t s o ft h e p i s t o n m a n u f a c t u r i n ga n dt h el o w e re d g e g r i n d i n gc o s t ，m a k e st h e p c dc u t t i n gt o o lb em o r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do f m a c h i n i n ga 1 一s ia l l o yp i s t o n t h ew e a rm e c h a n i s mo fp c dc u t t i n gt o o l sw a s i n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l y t h ee f f e c to fs i l i c o nc r y s t a l g r a i n sc o n t e n t ，s i z e ，s h a p e a n dd i s t r i b u t i o no np c d c u t t i n gt o o lw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c hr e s u l t s o ft h i st h e s i sa r er e l i a b l ea n de f f i c i e n tf o rt h eg u i d a n c e o fp r a c t i c a lp r o d u c t i o no fs i a 1 a l l o yp i s t o n s k e y w o r d s ：s i a 1a l l o y ：c u t t i n gt o o lm a t e r i a l ：c u t t i n g e d g eq u a l i t y ：s u r f a c er o u g h n e s s ：w e a rm e c h a n i s m 1 1 1 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，汽车、摩托车、航空、仪器仪表等制造业中铝合金的使用越来越 多。在现代汽车工业中，由于铝合金能大幅度降低汽车的重量和提高燃油利用 率，提高产品的竞争力，其应用将更加广泛。有人预测，到2 0 0 5 年，北美每辆 汽车的铝合金件将达到1 3 0 - 2 3 0 k g “1 。随着铝合金材料价格的不断降低，其机械 加工成本将成为制约汽车用铝合金零件价格进一步降低的重要因素。研究铝合 金材料的切削性能及其加工刀具将具有重要的意义。 现代切削技术以高效率和高精度为基本特征，改进加工刀具已经成为提高 切削速度、提高加工效率和加工质量、降低成本的主要途径”1 。通过改进刀具 对于金属切削加工带来的经济效益非常巨大：可以提高生产效率和产品质量， 降低制造成本，并能有效地缩短新产品的开发周期。 国际上非常重视对刀具的研究，特别是在一些发达国家，如美国、日本、 德国等，已经把刀具研究列为发展先进制造技术的重要研究课题之一。研究开 发新型先进刀具促进制造技术的发展已经成为现代切削技术面临的重大任务之 一口 1 1 加工铝合金活塞用刀具的概况及发展方向 科学技术的发展对机械制造业提出了不断提高劳动生产率、提高加工质量 和降低加工成本的要求。随着高强度、高抗磨损性、高抗腐蚀性、低热传导、 高耐高温性的难加工材料的出现，相继出现了许多新的刀具材料，例如：新型 硬质合金、各种涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、立方氮化硼 刀具等相继出现，使刀具耐用度和切削速度有了更大幅度的提高。刀具材料的 进步极大的推动着切削加工技术的发展。刀具材料的每一次革新几乎都给切削 加工带来一次革命0 1 。特别是近三十年来，作为切削加工最基本要素的刀具材 料得到了迅速发展。采用各种高纯度的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和合 山东大学硕士学位论文 金制造的刀具材料不断出现，刀具材料的物理及化学性能和切削加工性能都有 了很大的提高，应用范围也不断扩大。开发的新型刀具材料，例如纳米复合刀 具、纳米涂层刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯度功能陶瓷刀具等为现代切削加工 提供了新的选择“1 。目前国际上广泛应用的刀具材料主要有：高速钢、硬质合 金、超硬刀具材料等，刀具材料的牌号多达上千种。 各种轻质强韧材料、新型航空航天材料、核能材料、复合材料、生物材 料、功能材料、纳米材料、稀土材料、新型金属或非金属材料等不断出现并应 用日益广泛，对刀具材料也提出了愈来愈高的要求。在可以预见的将来，继续 提高切削加工生产率、降低加工成本和减小资源消耗，是新型刀具发展的一个 重要方向。 加工活塞用的刀具也必将随着制造铝活塞用铝合金材料的发展而不断发 展。以前占主导地位的高速钢刀具已经基本上退出活塞加工领域，目前仅在活 塞铣浇冒口、铣膨胀槽用铣刀及钻油孔用钻头等有限的几个工序中应用，并且 铣刀已有部分被硬质合金焊接刀具取代，硬质合金钻头加工铝活塞的综合切削 性能也明显优于高速钢钻头。传统的硬质合金刀具己不能满足活塞精加工的技 术和质量要求，目前仅在活塞粗加工和半精加工工序中广泛应用。精车外圆、 精车环槽、精镗销孔、精车顶面及精车燃烧室等工序所用刀具已经相继被p c d 聚晶金同4 石刀具取代，精车铸铁环槽所用刀具被立方氮化硼刀具所取代。 近年来，在铝活塞加工领域，p c d 聚晶金刚石和p c b n 立方氮化硼刀具的发 展速度相当迅猛，但p c d 聚晶金刚石和p c b n 立方氮化硼材料几乎全部依赖于进 口，还有许多问题需要解决”。我国在加工铝活塞用刀具发展的方向应有以下 几个方面： 2 山东大学硕士学位论文 1 ) 尽可能根据我国的资源情况，发展或代用某些材料，尽量减少进口刀具 材料的应用； 2 ) 改善现有刀具材料的切削性能，例如发展新型高速钢，提高其耐热性； 发展硬质合金材料的新品种，提高刀具的强度与韧性； 3 ) 发展介于现有高速钢与硬质合金之间的刀具材料。如粉末冶金高速钢、 钢结硬质合金等，以利于在中、低速条件下进行活塞粗加工或成形表面的加工。 同时发展介于硬质合金与金刚石之间的刀具材料，以利于在更高的速度条件下 进行活塞精加工，有效降低活塞的加工成本； 4 ) 发展通用性广的合金，既能切削加工铝合金，又能切削加工铸铁( 活 塞铸铁环) ；既能低速，又能高速切削的刀具，以简化活塞加工工序，优化适 合加工活塞的合金牌号，方便管理与使用； 5 ) 发展复合材料刀具，如高速钢涂层刀具、涂层硬质合金刀具、复合金 刚石刀具、复合立方氮化硼刀具等等。这是提高刀具综合性能、延长刀具寿命、 降低加工成本的有效措施； 6 ) 发展耐热、高硬度、高强度，适合加工活塞新型材料的其它新型材料的 刀具。 1 2 铝活塞加工过程中影响刀具使用寿命的主要因素 活塞加工过程涉及到刀刃前端铝合金材料的大塑性变形、高切削温度( 可 达到或超过7 0 0 。c ) 、新鲜的和具有化学敏感性的活塞已加工表面、刀具工作区 相当高的机械应力和热应力以及刀具的破损和磨损等等“1 。 因此，铝活塞加工过程中影响刀具使用寿命的主要因素有以下几个方面： 1 刀具材料及其性能； 2 刀具形状及几何参数； 山东大学硕士学位论文 3 切削方法，如：车、铣、钻、磨等； 4 切削参数( 包括切削速度、切削深度和进给量等) ： 5 切削变形、切削力、切削温度； 6 是否使用切削液及切削液的种类； 7 活塞材料的成份、硬度、强度和加工性能等； 8 机床的型号规格、功率、刚度等。 1 3 本课题的意义 金属切削加工是机械制造工业中最基本和应用最广泛的加工方法。目前世 界各国都在切削加工机理、切削力、切削温度、加工表面质量等方面进行大量 的研究，使切削加工技术得到很大的发展。我国在金属切削刀具研究方面取得 了很大的成绩，已研究开发和生产出许多新型刀具材料，制造和广泛应用各类 高性能可转位刀具、组合刀具、自动生产线刀具和数控加工刀具等等“1 。 随着机械制造业向高效率、精密化方向的发展，新材料、新产品不断出现， 在金属切削加工中遇到的新问题也日益增多。 。 近年来，为了减轻关键产品和零部件的重量，铝合金的使用量逐年增加。 尽管在加工铝合金时的切削阻力比切削加工钢时小，但由于铝合金比较软，切 削加工过程容易发生粘刀现象，影响工件的加工表面粗糙度。为了增加铝合金 材料的强度，通常在铝合金中加入大量硅元素，由于硅元素是以颗粒的形式均 匀分布在铝合金材料内部，并且这些硅颗粒的硬度很高( 1 0 0 0 h v 左右) ，在切削 加工时会导致刀具刃部的磨损严重。因此，高硅铝合金材料属于难切削加工材 料“。 作为精密机械加工的一个典型产品，现代高性能汽车发动机用活塞多采用 高硅铝合金材料( 有些在活塞的头部镶有耐磨铸铁环) ，其结构越来越复杂，材 质和内部金相组织不断改进，活塞纵向型线、横向截面椭圆越来越复杂化，而 4 山东大学硕士学位论文 且活塞表面粗糙度的要求越来越高，对活塞切削加工刀具提出了新的要求。 对铝合金活塞的切削性能有重大影响的，甚至是起决定性作用的是硅颗粒 的含量、大小、形状及其分布情况。工件材料中的硅对刀具起磨损作用，由于 硅渗入金属铝基而提高其强度，随着硅含量的增加，在同样的切削速度条件下 刀具磨损加快，寿命缩短。另外，铝合金的硬度低、熔点低，切削时易形成积 屑瘤，降低工件加工尺寸精度，增大加工表面粗糙度。为了得到需要的加工精 度和表面粗糙度，必须选择合适的刀具”。 研究开发适合铝合金活塞精加工的新型优质刀具，改进刀具结构、几何参 数，优化切削加工参数，提高加工表面质量与切削加工效率、降低生产成本。 系统深入地研究切削加工机理，特别是难加工活塞材料及新型活塞材料的切削 加工机理，开发新型优质刀具，研究刀具的磨损形态和磨损机理，探索刀具磨 损规律，自动采集和处理实验数据，寻求最佳加工工艺参数，提高活塞专用刀 具的标准化和系列化的程度，指导实际生产。填补我公司多年来在刀具方面只 有应用而无理论研究的空白。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题主要研究适合加工a 卜s i 合金材料的活塞专用刀具及其相关内容。 1 系统分析制造活塞常用的铝合金材料( 亚共晶、共晶和过共晶硅铝合 金) 的性能，寻找影响铝合金材料切削加工性能的主要因素，为合理选择刀具、 延长刀具寿命、降低加工成本、提高活塞加工质量提供理论依据。 2 每一种刀具材料都有其特定的加工范围，只能适用于一定的工件材料 和切削速度范围。不同的刀具或同种刀具n i 不同的工件材料时，刀具寿命往 往会存在很大的差别。每一种刀具材料都有其最佳加工对象，即存在切削刀具 与加工对象的合理匹配问题。切削刀具与加工对象的匹配主要是指二者的力学 性能、物力性能和化学性能的匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工 山东大学硕士学位论文 生产率。从制造活塞用铝合金材料的性能和刀具材料的性能相互匹配的角度研 究适合加工铝合金材料活塞的刀具材料。 3 我公司从事铝合金材料活塞加工生产多年，近几年大量采用p c d 刀具。 对切削力、切削温度、p c d 刀具磨损规律及其磨损机理进行系统深入的研究， 分析其对活塞加工精度、表面粗糙等的影响规律。 4 研究铝合金材料中硅晶粒的含量、大小、形状和分布情况对p c d 刀具磨 损的影响，优化切削加工过程，降低生产成本。 6 山东大学硕士学位论文 第二章铸造铝活塞用铝合金材料 2 1 活塞对合金材料的要求 在发动机的所有部件中，活塞是承受应力和温度范围最广的部件之一。它 在发动机中必须承受较大范围的静应力和动应力，并承受从零下几度到8 0 0 c 左右的温度变化，由于爆燃及冷却等原因的影响，其承受的瞬时温度可能还要 高很多。因此，选择最合适的工件材料并确定最有效的制造工艺成为能否成功 生产活塞的关键。选用的工件材料不仅必须具有完成技术功能所需的物理性能 和机械性能，而且在制造和使用过程必须可靠、经济。因此，一种理想的活塞 材料必须满足很多方面的要求，而且往往是互相矛盾的要求。一般情况下这些 要求可大致归纳如下： 1 在一定的应力和温度范围内，具有适当的机械性能( 或者说具有一定 的常温强度和尽可能高的高温强度) 。 2 热膨胀系数小( 热膨胀性低) 。 3 热稳定性好，即反复加热时，永久变形量小。 4 具有良好的减磨性、耐磨性、耐热性及抗腐蚀性。 5 吸热性差，而导热性好。 6 较小的比重( 重量轻) ，较强的比强度和比刚度。 7 较高的疲劳强度。 8 价格便宜，成型性好，热处理工艺简单。 9 材料切削加工性能好。 迄今为止，还没有一种单一的材料能够完全满足上述复杂的要求。因此， 合金材料的选择应多方面予以兼顾。铝硅系合金具有优良的铸造性能，良好的 山东大学硕士学位论文 兰曼曼烹! 曼曼曼毫暑蔓曼量曼! ! 篁鼍曼! 曼皇篁暑! 曼寰晕曼曼曼皇皇皇曼曼曼皇曼e 鼍曼曼曼曼! 曼曼鼍置曼墨i i i i 耐热、耐腐蚀性，以及较低的线膨胀系数和比重“。特别是随着硅含量的增加， 能获得更低的线膨胀系数和商耐磨性。因此，a 卜s i 合金特别是共晶a 卜s i 合 金作为内燃机活塞材料被广泛采用。过共晶a 卜s i 合金虽然具有良好的使用性 能，但因工艺性能较差，目前应用还不广泛。过共晶型金相组织的共晶a 卜s i 合金( p 变质组织) 性能更为优越，达到了各种性能最好的匹配，在国内外得 到广泛的应用。 由于a 卜s i 合金是在铝基体中加入了硅及其它元素，具有较高的硬度和耐 磨性。切削加工性能( 加工工艺性) 下降，对加工刀具提出了较高的要求。 2 2 影响工件材料切i l i f j j n - r 性能的因素 1 工件材料的硬度对切削加工性的影响 一般情况下，材料硬度越高其切削加工性越低。材料硬度高时，切屑与前 刀面的接触长度减小，致使前刀面上的法向应力增大，摩擦热最集中在较小的 刀一屑接触面上，使切削温度增高和加剧刀具磨损。工件材料硬度过高时，甚 至会引起刀尖的烧损及崩刃。另外，工件材料中的硬质点愈多，形状愈尖锐， 分布愈广，则工件材料的切削加工性愈低。硬质点对刀具的磨损作用有两个方 面，其一是硬质点对刀具的机械擦伤作用；其二是工件材料晶界处微细硬质点 能使材料硬度和强度都提高，致使在切削过程中对剪切变形的抗力增大，使材 料的切削性能降低”“。 2 工件材料的强度对切削加工性的影响 工件材料的强度愈高，切削力就愈大，切削功率消耗增大，切削温度因之 增高，刀具磨损加剥。一般情况下，切削加工性随着工件材料强度的提高两降 低。 3 工件材料的导热系数对切削加工性的影响 一般情况下，导热系数高的材料，其切削加工性较高，导热系数低的材料。 8 山东大学硕士学位论文 其切削加工性较低。导热系数高的材料，在加工过程中温升较高，控制加工尺 寸比较困难。 4 材料金相组织对切削加工性的影响 金属的材料相同，但金相组织不同时，其力学物理性能也不同，致使切削 加工性不同。 2 3 常用铝活塞材料牌号及性能： 我公司常用的铝活塞合金部分性能见下表。 字材料 机械物理性能 强度 相同材料 号牌号 比重硬度( h b ) ( m p a ) 1b h i l l2 81 6 6 69 5 1 3 00 0 3z l l l 0a l l 0 2b h l l 2 2 7 42 1 3 79 5 1 3 00 0 2 5 a c 8 b 3b h l l 2 aa c 8 cs a e 3 3 2 4b h l l 32 7 l3 2 3 49 5 1 3 00 0 2a - 3 8y l l 2 5b h l 2 1 2 7 31 9 6 1 29 5 1 3 0 o 0 3z l1 0 8s a e 3 2 8 6b h l 2 1 a0 0 2 5z l l 0 8 g 7 b h l 2 2o 0 3z l l 0 9 2 71 9 6 1 29 5 1 3 0z l l 0 9 g 8b h l 2 2 a0 0 2 5 s a e 3 2 i 9b h l 2 32 71 9 6 1 29 5 1 3 00 0 36 6 - l 1 0b h l 3 1 a c 9 b 2 6 8 1 9 6 1 29 5 1 2 5 0 0 2 m a h l e l 3 8 a c 9 a l lb h l 3 2 i d a h l e 2 4 4 1 2b h 2 1 l2 7 42 0 61 0 00 0 2a c s as a e 3 9 1 b h l ( 相当于国标z l l l 0 ) 属铝铜硅合金，该材料含铜量较高而含硅量较低，比重较大而且膨胀系数 较大，属于淘汰材料。目前还在空压机、气泵、制冷机等工作效率要求不高的 机型上采用。其加工性能较好。 9 山东大学硕士学位论文 2 b h l l 2 及b h l l 2 a ( 相当于日本a c s ba c 8 c ) 属亚共晶a 卜s i 合金与共晶a 卜s i 合会相比，硅含量稍低。一方面可以 省去精炼时的变质处理，即可消除组织中的板条状共晶硅，从而提高了材料的 常温强度。同时避免了因钠盐变质而使合会流动性变坏造成的铸造废品率高的 问题。此外，可省去热处理时的固溶处理，减少铸件内部的应力变形，同时减 少能耗并提高生产率。其加工性能也较好。 3 b h l 2 1 、b h l 2 1 a 、b h l 2 2 、b l t l 2 2 a ( s a e 3 2l 、a c 8 a 、m a l e l 2 4 、k s l 2 7 5 、 c m l 3 、a e 2 5 等) 属共晶m - s i 合金，膨胀系数小，耐磨性好而且比重小。从综合性能方面f 来看是比较理想的活塞材料，目前应用最为广泛。不进行磷变质时，其会相组 织为树枝状的固溶体和( a + s i ) 共晶体组成的亚共晶型组织。共晶硅呈细粒 状或粗片状，见图2 l 。 磷变质后共晶体上均匀分布着小块状的初晶硅，共晶硅呈粗短条或短车1 ： 状，见图2 2 。据有关材料介绍。这有利于材料耐磨性和高温强度的提高以及 膨胀系数的降低。因此，作为活塞材料，这才是适宜的。目前我公司应用最多 的锅合金材料是b h l l 2 a ，其切削加工性能比b h l l 】、b h l l 2 及b h l l 2 a 要差得多。 铝合金材料机械加工性的优劣主要取决于初晶硅的析出程度，析出的初晶硅越 多，晶粒越大，机械加工性越差“。 l o 山东大学硕士学位论文 嘲 谢d o ，止c - v：2 0 w 鼬喇 ：8 e f s o o tr a z e ：4 1 图2 1来进行磷变质时共晶a 1 一s i 合金的金相组织 ：0 2 0 r n m 悯 蜊 c c i v ：2 0 k v 鼬嘣 ：s e i 8 鳅曲潍：4 t ：o 2 0 m m 图2 - 2进行磷变质时共晶a 卜s i 台金的金相组织 4 b h l 3 1 、b h l 3 2 ( 相当于日本a c 9 a 、a c 9 b ，德国m a h l e l 3 8 、m a h l e 2 4 4 ) 属过共晶( 高硅) a 1 一s i 合金，过共晶铝硅合金的常温组织是初晶硅加共 晶组织。在未经变质处理的共晶铝硅合金中，硅呈粗大针状，严重影响合金的 力学性能。变质处理能有效地改变共晶硅的形状，使其呈细小球状分布，合会 的力学性能大大提高。由于过共晶合金含有大量的初晶硅，除了要进行共晶硅 变质处理以外，还要进行初晶硅变质处理。初晶硅细化是使过共晶铝硅合金具 山东大学硕士学位论文 i l l 有使用价值的关键。初晶硅硬而脆( 显微硬度9 0 0 h v 一1 3 0 0 t t v ) ，当均匀弥散分 布时，作为硬质点可以提高合金的耐磨性。还能在一定程度上阻止位错在基体 滑移面上的滑移，使合金强度提高，同时，对共晶基体的切削加工性能影响较 小。但若呈粗大板条或针片状大量分布则会严重割裂基体，使合金失去必需的 使用性能，也使合金的切削加工非常困难“。因而，尚未在工业上大量应用。 近年来，由于科学技术的发展，需要采用线膨胀系数很低和耐磨性很高的铝台 金材料来制造内燃机活塞，又由于有了改善初晶硅形态的处理方法，切削技术 及刀具材料也有了更快的发展，才使得过共晶铝硅合金在生产上得以应用。随 着过共晶铸造铝合金的发展，合金中硅的含量已从初期的1 4 1 8 9 6 提高到 2 2 2 6 ；由简单的铝硅二元合金发展到含有多种其它合金成分，如：c u ，m g ， n i ，c o ，t i ，b i 等多种过共晶a 1 - s i 合金，以便在保证高耐磨性的前提下， 提高合金的强度、塑性、高温强性以及改善其加工工艺性能等。该类合金的热 膨胀系数、耐磨性、高温强度、体积稳定性等关键指标比共晶a 卜s i 合金的 b h l 2 1 a 、b h l 2 2 a 更好。随着含硅量的增加，初晶硅数量增多，而且有时粗大( 变 质不好) ，使切削加工性能随之降低，所以目前仅用于直径较小的高性能摩托车 活塞。 相同硅含量的过共晶铝硅会金当组织不相同时( 如图2 3 所示) 其切削加 工性能有很大的差别，组织中初晶硅的大小、形状和分布状况对刀具寿命、切 屑形成、加工表面质量等方面都有很明显的影响。具有细小、分散而形状圆钝 化初晶硅的过共晶铝硅合金有比较好的切削加工性能，切屑变形相对较大，切 削过程中硅块容易协同基体变形和被压入基体，刀具受磨料机械磨损的作用轻 微，寿命较长，已加工表面粗糙度较小，加工硬化明显；切削具有粗大初晶硅 的过共晶铝硅合金时，切屑薄而短，在剪切变形区硅块大量碎化，切削表面的 硅块受刀具冲击挤压发生解理或脱落、位移，由于直接与刀具发生强烈的摩擦 山东大学硕士学位论文 而使刀具很快发生径向磨损，同时在已加工表面上存留许多缺陷，外观星亮暗 花斑分布，加工硬化很不均匀。用金刚石等高硬度刀具切削加工具有粗大初晶 硅的过共晶铝硅合金时，才能获得比较好的刀具耐用度和已加工表面质量。 ( 1 )初晶硅细密 岫 喇 a c o v ：加￥v b l - _ ：葛扫 b 嘲堕 ：4 1 o o d 阳m 岫 一 v：2 0 w 嗣口脯i ：s f j 目p 醇衲瞳 a 圆r r r a ( 2 ) 初晶硅粗大 图2 3 相同硅含量的过共晶铝硅台金组织不相同 5 b h 2 l l ( a c 5 、s 盹3 9 ) 属铝铜合金，热膨胀系数大( 则配缸间隙大，相对窜气、窜油量大、噪音 大、油耗高) ，但其高温强度高，工作可靠，所以目前还在采用，多用于载重车 或工程机械上。此外，该材料收缩率大，铸件易形成热裂，铸造模具应形成一 山东大学硕士学位论文 曼曼曼量曼曼皇| 鼍鼍曼皇曼曼| 一ii i 。 个很好的顺序凝固的温度梯度，以利于补缩。其切削加工性适中。 2 4 ，j 、结 活塞用铝硅合金是在金属基体铝( a 1 ) 中加入硅( s i ) 形成的a 1 一s i 合金， 合金中又加入c u 、m g 、n i 、m n 、c o 、t i 、b i 等成分，以便在保证高耐磨性的前 提下，提高合金的强度、塑性、高温强度以及加工工艺性能等。该类合金具有 重量轻、比强度和比刚度高、剪切强度高、热膨胀系数低、良好的热弹性和导 热导电性能、良好的抗腐蚀、耐磨损性能等一系列优点。但随着含硅量的增加， 初晶硅数量增多，形成硬质点颗粒，均匀分布在合金基体中，基体和颗粒共同 承受载荷。颗粒的作用是约束合金材料中的基体变形，并使合金材料的基体硬 化。这种合金材料是各向同性的，其应力一应变关系曲线为连续曲线或有明显 的屈服点。 铝硅合金中的颗粒增强相使合金材料具有较高的硬度和耐磨性，组织中初 晶硅的大小、形状和分布情况对刀具磨损、刀具寿命、切屑形成过程和活塞加 工表面质量等方面都有很明显的影响。在含硅量相同的条件下，具有细小、分 散而形状圆钝化初晶硅的铝硅合金有比较好的切削加工性能，切屑变形较大， 在切削过程中硅粒子容易协同基体变形或被压入基体，刀具受磨料机械磨损作 用较轻微，刀具寿命较长，工件) j - r 表面质量也较高。切削加工具有粗大初晶 硅的铝硅合金时，切屑短，在剪切变形区硅块大量碎化，加工表面的硅块受刀 具冲击挤压发生位移或脱落，与刀具直接发生强烈摩擦而使刀具磨损加剧，同 时在活塞已加工表面上存留许多加工缺陷，对加工刀具提出了更高的要求。 山东大学硕士学位论文 第三章切削铝活塞刀具的材料及其合理选用 刀具材料性能的优劣是影响加工表面质量、切削加工效率、刀具寿命的基 本因素“。切削加工时，直接担负切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性 能的好坏取决于构成刀具切削部分的材料、切削部分的几何参数及刀具结构的 选择和设计是否合理。切削加工生产率和刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工 成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等等。在很大程度上都取决于刀具材 料的合理选择。正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。 长期以来，我公司选择刀具材料的方式是以传统的试切法和参照以前的经 验为主。在加工某一种新型活塞材料时，往往需要使用多种刀具材料进行试验 研究，分析刀具的磨损、破损方式及其原因，通过比较选择合适的刀具材料。 这种方法盲目性大。造成人力、财力和资源的大量浪费。往往不能选择到最佳 的刀具材料，造成切削加工生产率低、切削加工成本增加、刀具材料( 尤其是 一些贵重的刀具材料) 浪费严重。 每一品种刀具材料都有其特定的加工范围，只能适用于一定的工件材料和 切削速度范围“”。不同的刀具材料和同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命 往往存在很大的差别，例如：加工铝活塞时，金刚石刀具的寿命是y g 类硬质合 金刀具寿命的几倍到几十倍：y g 类硬质合金刀具加工含硅量高、中、低的铝合 金时其寿命也有很大的差别。所以，合理选用刀具是成功进行切削加工的关键 ”。每一种刀具材料都有其最佳的加工对象，即存在切削刀具与加工对象的合 理匹配问题。切削刀具与加工对象的匹配主要是指二者的力学性能、物理性能 和化学性能的匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。 山东大学硕士学位论文 3 1 刀具材料应具备的性能 刀具在切削过程中要承受很大的压力和冲击力。同时，由于工件材料产生 的金属塑性变形以及在刀具、切屑、工件相互接触表面问产生的强烈摩擦，使 刀具切削刃上产生很高的温度和承受很大的应力，在这样的条件下，刀具将逐 渐磨损或破损“”。理想的刀具材料应具备如下一些性能： a 在切削温度下具有高强度； b 高的断裂韧性； c 优良的抗磨损性： d 优良的抗疲劳性能； e 高的热容和热导； f 在被加工材料中溶解度小； g 优良的抗热震性： h 优良的抗氧化性能。 因此刀具材料应满足以下要求： 3 1 1 高的硬度和耐磨性 硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑，其硬度必 须比工件材料的硬度大。切削金属所用刀具的切削刃硬度，一般都在6 0 1 1 r c 以 上。 耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度越高，其耐磨 性就越好。组织中的硬质点( 碳化物、氮化物等) 的硬度越高，数量越多，颗 粒越小，分布越均匀，则耐磨性越好“。耐磨性还与材料的化学成分、强度、 显微组织及摩擦区的温度有关。可用公式表示材料的耐磨性： w , - - k 。f 旷b h 。” 式中 h 一材料硬度( g p a ) 。硬度愈高，耐磨性愈好。 1 6 山东大学硕士学位论文 ! ! # _ _ 目ii 目! _ | 目_ 目_ _ | _ 茸_ | _ ! ! ! s _ _ _ 目_ | _ _ 目_ _ s k i c _ 一材料的断裂韧性( m p a m “2 ) 。k 。愈大，则材料受应力引起的断裂愈 小，耐磨性愈好。 e 一材料的弹性模量( g p a ) 。e 很小时。由于磨粒引起的显微应变，有 助于产生较低的应力，耐磨性提高。 3 1 2 足够的强度和韧性 要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程经常出现的冲击和振动条件下 工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。 3 1 3 高的耐热性( 热稳定性) 耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温条件 下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。 刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩散的能 力，即刀具材料应具有良好的化学稳定性。 3 1 4 良好的热物理性能和耐热冲击性能 刀具材料的导热性愈好。切削热愈容易从切削区敞走，有利于降低切削温 度。 刀具在断续切削或使用切削液时，常常受到很大的热冲击( 温度变化剧烈) ， 因而刀具内部会产生裂纹而导致断裂。刀具材料抵抗热冲击的能力可用耐热冲 击系数r 表示，r 的定义为： r = o 。( t - u ) e a 式中：凡一导热系数： 0 b _ 抗拉强度： u 一泊松比； 卜弹性模量； a 一热膨胀系数。 山东大学硕士学位论文 自e s l ! 自| g e 自目i i i ,i _ _ | e _ ! e ! ! e 目e 导热系数大，使热量容易教走，降低刀具表面的温度梯度；热膨胀系数小， 可减少热变形；弹性模量小，可以降低因热变形而产生的交交应力的幅度：有 利于材料耐热冲击性能的提高。 耐热冲击性能好的刀具材料，在切削加工时可以使用切削液a 3 1 5 良好的工艺性能 为了便于刀具的制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、 热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等。 3 1 6 经济性 经济性是刀具材料的重要指标之一，优质刀具材料虽然单件刀具成本很高， 但因其使用寿命长，分摊到每个零件的成本则不一定很高。因此在选用刀具材 料时要综合考虑其经济效果。 3 2 刀具材料 3 2 1 高速钢 高速钢是种加入了较多的钨、镅、铬、钒等合金元素的高合金工具钢“1 。 高速钢具有较高的强度和韧性，并且具有一定的硬度和耐磨性适合各类刀具 的要求。高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，因此尽管各种新型 刀具材料不断出现，高速钢刀具在金属切削中仍占较大的比例。可以加工有色 金属和高温合金。由于高速钢具有以上性能，活塞加工中的铣浇冒口、铣横槽 及铣膨胀槽用铣刀、钻油孔用钻头等刀具都为高速钢材料。 3 2 2 硬质合金 硬质合金是由难熔金属碳化物( 如w c 、t i c 、t a c 、n b c 等) 和金属粘结剂 ( 如c o 、n i 等) 粉末经粉末冶金的方法制成。 由于硬质合金中都含有大量的金属碳化物，这些碳化物都有熔点高、硬度 高、化学稳定好、热稳定性好等特点，因此，硬质合金材料的硬度、耐磨性、 山东大学硕士学位论文 曼量置蕾量皇奢量詈鼍i 一 i i ii w 。 耐热性都很高m 1 。常用硬质合金的硬度为8 9 9 3 h r a ，比高速钢的硬度 ( 8 3 8 6 6 h r a ) 高，在8 0 0 一t 0 0 0 0 c 时尚能进行切削。在5 4 0 。c 时。硬质合金的 硬度为8 2 8 7 h r a ，在7 6 0 c 时，硬度仍能保持7 7 8 5 h r a 。因此，硬质合金的切 削性能比高速钢高得多，刀具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时， 切削速度可提高4 1 0 倍。 目前我公司使用的硬质合金刀具主要是y g 类( w c t i c - c o ) 中的y g 6 和y g x ， y t 类( w c t i c c o ) 中的y t l 5 等硬质合金用于活塞粗加工、半精加工和部分精 加工工序。 3 2 3 金刚石 金刚石是目前己知矿物材料中硬度最高、热传导性最好的物质，与各种金 属、非金属材料配对摩擦的磨损量仅为硬质合金的1 5 0 - - l 8 0 0 1 ，是制作 切削刀具最理想的材料。然而，天然单晶金鞫1 j 石仅用于制作首饰及某些有色金 属的超精密加工“”。刀具用人造大颗粒单晶金刚石尽管目前d eb e e r s 公司、住 友电工等均已工业化生产，但还没有进入大量应用阶段。 金刚石刀具的切削刃非常锋利( 这对切下极小断面的切屑是很重要的) ，刃 部粗糙度很小，摩擦系数又低，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量高“”。 加工有色金属时，表面粗糙度可达到r a o 0 1 2pm 。加工精度可达到i t 5 级以上。 金刚石刀具有三种：天然单晶金刚石刀具、整体人造聚晶金刚石刀具、金 刚石复合刀具。天然金刚石刀具由于成本较高等原因，在实际生产中应用较少。 人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。金刚石复 合刀片是在硬质合金基体上经过高温、高压等先进工艺烧结一层约0 5 - 1 “m 厚的金冈u 石，这种材料是以硬质合金做基体，其机械性能、热传导性和膨胀系 数都近似于硬质合金，基体上的人造多晶金刚石磨料中的金刚石晶体呈不规则 排列，其硬度和耐磨性在各个方向都是均匀的，即表现为各向同性1 。 1 9 山东大学硕士学位论文 聚晶金刚石( 简称p c d ) 是由经过筛选的人造金刚石微晶体在高温高压下 烧结而成。在烧结过程中，由于添加剂的加入，使金刚石晶体间形成以t i c 、 s i c 、f e 、c o 和n i 等为主要成分的结合桥。金刚石晶体以共价键的结合形成牢 固地嵌于结构桥构成的坚强骨架中，使p c d 的强度和韧性都大大提高，其硬度 约为9 0 0 0 h v ，抗弯强度为0 2 1 0 4 8 g p a ，导热系数为2 0 9 j c m s ，热膨 胀系数为3 1 x 1 0 1 m 3 。现在使用的聚晶金刚石刀具大多是p c d 与硬质合金 基体烧结形成的复合体，即在硬质合金基体上烧结上一层p c d 。p c d 的厚度一般 为0 5 m m 和0 8 m m ，由于底层为硬质合金，焊接方便；又由于p c d 结合桥的导 电性，使得p c d 便于切割加工成各种形状，制成各种刀具，成本远远低于天然 金刚石。 聚晶金刚石( p c d ) 可加工各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如 铝、铜、镁及其合金，硬质合余，纤维增强塑料，金属基复合材料，木材复合 材料等。p c d 刀具材料中金刚石晶粒平均尺寸不同，对性能产生的影响也不同， 晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，则刃 口质量越好。选用晶粒尺寸为l o 一2 5 m 的p c d 刀具，可以5 0 0 1 5 0 0 m m i n 的高 速切削s i 含量1 2 - 1 8 的硅铝合金，晶粒尺寸8 9 m 的p c d 加工s i 含量小于 1 2 的铝合金。超精密加工，则应选用晶粒尺寸小的p c d 刀具。p c d 的耐磨性 在超过7 0 0 0 c 时会减弱，因其结构中含有金属c o ，会促进“逆向反应”即由金 刚石向石墨转变。p c d 有较好的断裂韧性，可以进行断续切削，可以以2 5 0 0 m m i n 的高速端铣s i 含量1 0 的铝合会。 可利用金刚石材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色 金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。在 切削加工有色金属时，p c d 刀具的寿命是硬质合金刀具的几十倍甚至几百倍， 是目前铝活塞精密加工的理想刀具。例如：精车活塞环槽、精镗活塞销孔、精 山东大学硕士学位论文 车活塞外圆、精车活塞顶面等工序。 3 2 4 立方氮化硼 聚晶立方氮化硼( p c b n ) 是由c b n 微粉与少量粘结相( c o ，n i 或t i c 、t i n 、 a 1 ：0 。) 在高温高压下加入催化剂烧结而成的。它具有很高的硬度( 仅次于金刚石) 和耐热性( 1 3 0 0 - 1 5 0 f f ) ，优良的化学稳定性、比金刚石刀具高得多的热稳定性 ( 达1 4 0 0 0 c ) 和导热性，低的摩擦系数，但其强度较低。与金刚石相比，p c b n 的突出优点是热稳定性高得多，可达1 2 0 0 c ( 金刚石为7 0 0 8 0 0 c ) ，可承受较 高的切削速度：另一个突出优点是化学惰性大，与铁族金属在1 2 0 0 - - 1 3 0 0 c 下 也不起化学反应，可用于加工钢铁。因此，p c b n 刀具主要用于高效加工黑色难 加工材料”。 p c b n 刀具除了具有以上的特点外，还有以下几项优点：硬度高，特别适 合于加工从前只能磨削的h r c 5 0 以上的淬硬钢、h r c 3 5 以上的耐热合金和h r c 3 0 以下而其它刀具很难加工的灰口铸铁。与硬质合金刀具相比，切削