硅铝合金切削加工性的研究.doc

硅铝合金切削加工性的研究第6期f总第87期)No,6(SUMNo,87)机械管理开发MECHANICALMANAGEMENTANDDEVEL0PMENT2005年12月Dec,2005硅铝合金切削加工性的研究袁跃峰常兴(中北大学山西太原030051)【摘要】介绍了硅铝合金的应用,论述了硅铝合金切削加工性差的原因,简介了硅铝合金国内外加工的现状,提出了改善硅铝合金切削加工性的措施【关键词】硅铝合金切削加工性刀具【中图分类号】TG146,21【文献标识码】B【文章编号】1003773X(2005)06001003引言硅铝合金由于其比重小,强度高,导热性好,耐腐蚀,耐磨,便于回收再利用等优点,广泛应用于飞机,汽车,坦克及船用发动机等工业部门中.目前,就铝合金产量而言.在金属材料中已占据第二位.超过其它有色金属产量的总和,仅次于钢铁.另外,由于铝的自然资源十分丰富,占地壳重量7.45%,居各金属元素之首位.因此,发展应用前景广阔.工业上很重要的硅铝合金可分为3类:1亚共晶硅铝合金含硅9%12%.f2)共晶硅铝合金含硅11%13%.f3)过共晶硅铝合金硅含量,主要在15%3O%范围中共晶硅铝合金由于在使用性能方面还存在一些缺点:如耐磨性能差,切削性能也不好.热膨胀系数还不够小等,在应用上仍受到一些限制.如能将硅铝合金中的硅含量提高到15%以上f即所谓过共晶硅铝合金1.就能有效提高耐磨性,并能使热膨胀系数,比重有所减小,流动性,抗裂性都很好.但由于结晶温度范围加大和显微组织中存在着粗大的板状初晶硅.所以它既恶化了补缩性能,又降低了机械性能,使其切削加工性比共晶硅铝合金还要差.因此长期以来过共晶铝合金在工业上没有得到广泛的应用.经过长期的系统研究,采用初晶硅细化与合金化等措施.使过共晶硅铝合金的常温和高温机械性能都达到了实际需要的水平.另外,通过加入某些易切削元素,也能使切削加工性得到改善.1硅铝合金的应用过共晶硅铝合金的优良特性首先在西欧f主要是德国,意大利和法国)引起了重视.早在二战以前,就已比较普遍地用作内燃机活塞.美国雷纳德金属公司曾用390合金制造了雷佛莱织女星牌轿车2300发动机缸体,代替了价格较高,较重的灰铸铁缸套,大大降低了作者简介:袁跃峰,男,1976年生,中北大学在读硕士研究生.?10?缸体的制造成本,并有利于组织流水线大量生产.在日本,近年来对过共晶硅铝合金的成分,细化处理,组织和机械性能,切削加工性等方面进行了大量的研究工作,且已把过共晶硅铝合金应用于工业中.俄罗斯已经把含硅量为20,0%22.0%的高硅铝合金作为实用材料正常供应生产需要,有的工厂已将其用来制造活塞铸件.2硅铝合金切削加工性差的原因硅铝合金特别是过共晶硅铝合金能否应用于大量生产,在很大程度上取决于它的切削加工性.它比其它铝合金的切削加工性要差得多.生产实际及研究证明,硅铝合金对刀具的磨损相当严重.更难以获得较低的表面粗糙度和较高的加工精度.以此为标志.硅铝合金属于难加工材料.2.1加工硅铝舍金表面易划伤硅铝合金的硬度低,切屑稍粘在刀具上就能划伤已加工表面.加工或搬运过程中稍不小心就容易碰伤工件表面.在军工产品加工中出现划伤和碰伤即属于废品,是绝对不允许使用的.2.2刀屑易粘结硅铝合金的熔点低,在切削加工中切屑很容易粘在刀具的前后刀面上,同时与加工其它金属相比,加工硅铝合金对容易形成积屑瘤.且积屑瘤的高度也比较大,这都成为影响硅铝合金加工表面质量的主要因素.2.3对刀具磨料磨损严重铝在空气中很快就氧化.切屑和工件表面产生的Al,O,以及积屑瘤都对刀具发生磨料磨损.这是刀具耐用度低的主要原因.硅铝合金是一种高延性,高脆性的复合材料,脆性粒子硅分布在延性的基体铝中.切削加工时,铝发生塑性变形,最后脆性断裂,而硅则产生脆性变形以至脆性断裂.由于铝的延性大和融点低,易第6期f总第87期)袁跃峰等:硅铝合金切削加工性的研究2005年12月于在刀具与工件接触处产生积屑瘤,随后与破碎的初晶硅一起在刀具表面上刻出划痕,加大刀具的磨损.另外,硅铝合金的弹性模量较小(只有45钢的1/3左右),切削中由于工件弹性恢复产生的后刀面摩擦更为严重,这也是刀具耐用度低的一个原因.铸造铝合金f含Si4%13%之问1,其金相组织由硅在铝内的固溶体和共晶体组成,硅呈粗大的片状夹杂形态存在,在切削过程中对刀具也产生磨料磨损.2.4切削加工后工件易变形硅铝合金的热胀系数大,零件切削时温度升高其尺寸胀大,切削后温度下降尺寸减小,又给尺寸精度控制带来困难.生产中零件内外圆出现椭圆以及平面出现不平度.3改善硅铝合金切削加工性的措施改善硅铝合金切削加工性的措施大致有以下几个方面:3.1进行细化处理试验与使用证实,对过共晶硅铝合金进行细化处理不仅使初晶硅细化,而且还可使其分布均匀.用含铝19%,硅1.0%,MgO.4%,少量Mn合金砂型铸件进行车削的结果表明,经细化处理使加工表面粗糙度明显降低,此外,细化初晶硅可使刀具磨损显着减轻.3.2加入合金元素在硅铝合金中加入0.5%Cu即可改善砂型和金属铸件的表面粗糙度.磨削试验结果表明:加工含1.0%Cu,1.0%Mg和1.0%Ni的硅铝合金工件时,其表面粗糙度比加工不含这些元素时要低.3_3加入易切削元素在硅铝合金中加入1%Pb或1%Bi可使刨削后的工件表面撕裂现象减少,切屑还易碎断.如加入2%Cu还能作进一步改善,即可使铣削后的工件表面刀痕减少,切屑卷曲成圈.此外,在硅铝合金中llSn可减小车削,铣削和钻孑L时的切削力并能得到良好的加工表面而不影响其机械性能.3.4热处理若使硅铝合金得到高强度,唯一可靠的方法是淬火.飞机,汽车,坦克上所用的硅铝合金主要是热处理强化过的硅铝合金.硅铝合金的淬火组织与钢的淬火组织完全不同.钢是奥氏体的相变产物,而硅铝合金加热时,固溶体只有因强化相溶入而带来的浓度变化,其晶体结构并未改变,淬火冷却过程中则完全不发生组织变化,仅仅是把高温相强制地”冻结”到室温.淬火组织上的差异必然导致性能上的不同.碳钢淬火后因形成马氏体而使钢硬而且脆,硅铝合金淬火后因基体组织并未变化,故仍保持了硅铝合金原有的良好塑性,而且因脆性第二相溶入基体有时塑性反而进一步提高.强度则因基体合金元素浓度的增加而提高,即获得了固溶强化.由此可知,强化热处理后的硅铝合金切削加工性反而得到了提高.4当前国内外硅铝合金加工的水平状况加工硅铝合金的最佳刀具材料是金刚石复合刀片,不同刀具材料加工含Si13%凸轮头的成本不同,见表1.表1不同刀具材料加工含Si13%凸轮头的成本对照表刀具购价单刃重每把刀磨损后每件产磨费刀刃总费用的加工品刀具材料(美元)数费用(美元)(美元)件数(美元)TC120.85161500.11PCD345408665350000.021955年美国通用电器公司研制成了人造金刚石,随后便被用于硅铝合金的精加工.1973年日本首先把烧结金刚石复合片用作刀具.用复合刀片加工硅铝合金,虽然其精度不如天然金刚石,但大大扩展了金刚石刀具的加工范围,不仅能车而且能铣,钻,镗等,切削用量也比天然金刚石大.用金刚石复合刀片加工硅铝合金,由于金刚石层的耐磨性,良好的导热性以及抗粘结性能,不仅刀具寿命比一般硬质合金刀具高100倍,而且加工质量也比硬质合金好.但是相当长时问里大多还采用硬质合金刀具,直到上世纪80年代中期,复合金刚石刀片应用才逐渐普及起来.主要原因是因其价格较高,机床及材料等工艺系统不配套,其经济效果不太明显.目前,日本在金刚石涂层技术方面处于世界领先水平,美国次之.我国自上世纪80年代开始,高硅铝合金的应用已日益增多,也出现了一些新型的加工方法如高速切削,用滚切刀具加工等.但总体来说,关于切削加工硅铝合金方面的资料与数据很少.在切削加工高硅铝合金时,如何降低表面粗糙度,提高加工精度和减少刀具的损耗,都是有待解决的问题.参考文献11EI!t洪.铝及铝合金热处理.北京:机械工业出版社,1986.2】汤铭权.高硅铝合金的切削加工.北京:机械:艺师.1994(9).3】常兴,庞学慧.难加工材料切削加工性及新型加工方法.华北工学院.1995.41ChariesWivk.theFactsaboutDiamonds.manuNllweEngineering,Nov1988.51Superabrasivesstarinhighspeedmilling.ToolingandProuction,Sep1989.61Raymondkester.theABCSofPCDs.CuttingToolEngineering,Aug,1987.(收稿日期:20050628)(下转第13页)?11?第6期(总第87期)肖利民:大型锻造技术创新的思考有效防止开裂破坏.实践证明:这种新方法不仅攻克了高氮钢锻造开裂的难关,而且对提高大型护环生产的质量与效益有良好的作用.3采用新型砧新型坯及新操作方法改革锻造工具的工作面形状尺寸及其配置组合方式,可以改善坯料的应力应变分布,控制塑流矢量,减少变形不均匀性.改变坯料形状可以改善变形分布,防止不均匀变形和锻压开裂.新操作方法可以优化纤维分布,提高锻压质量与效率.实践证明:这是一种经济有效,简单适用的技术.例如:目前广泛采用的WHF锻造法,就是应用上下对称的宽平砧,高温大压下量锻造.KD锻造法是应用宽V型砧,高温大压下量锻造FM法是利用非对称变形原理,减少坯料芯部拉应力,防止开裂,提高锻压效果.FM法如图4所示.而FMV及PV/FM(图5所示)等方法也是根据不对称变形原理,用V型砧及平砧的不同配对,提高锻造压实的效果.以上方法,在转子,模块等锻件生产中都取得过很好的效果关于砧子工作面形状,配对组合方式以及相关尺寸关系和压下率的合理数值,国外学者和我国燕山大学及太原科技大学及有关大锻件生产厂家都进行过大量的研究和实践取得过良好的结果.另外,为了消除锻造中的难度形区,采用锥形镦粗板,凸平组合砧,较好地改善了锻压时的摩擦状况,使坯料内变形分布更为合理.在改变坯料形状方面,如采用凹腰形坯料镦粗.可以减少鼓肚变形.采用三瓣形钢锭拔长能够提高芯部变形程度等.此外应用合理改变边界接触条件,应用反复多向塑性流动,引入有限剪变形等思路,设计制造了一些特殊砧子,对提高锻件晶粒均匀度,改善坯料内变形分布,增强压实效果等方面也得到了良好的效果.利用不同的温度场可以控制变形区位,例WJTS(中心压实锻造法)图6所示就是通过将加热坯料出炉后预冷使外表降温形成”硬壳”,由于坯料中心与表层温度梯度加大,当用特殊形状的砧子沿坯料纵向施压时,高温的芯部受表层”硬壳”制约,处于闭式受压状态,于是产生很好的中心压实效果.所以不同的温度场,可以构成不同的变形结果图4FM法锻造图5PWFM法锻图6JTS锻造示意图造示意图法示意图对于一些承力的轴类锻件,可以通过控制压下程序,采用特定的翻转方法以及其他一些措施,使锻件内部纤维形成螺旋型分布,这样锻件切向性能会提高,于是尺寸可减小,并节约了材料.采用综合措施,科学地减少目前锻压生产中的无效变形,实行小锻造比锻造.减少火次,可以缩短工艺流程,总之,针对锻造开裂进行攻关研究,采用适用技术,改善锻造的可控性,对提高大锻件生产质量与效益有十分重要的意义.(收稿日期:20050902)ReflectiononLargeForgingTechnologyInnovationXiaoLiminAbstractHowtopreventforgingcrackingdefects,howtoadoptadvancedandadaptabletechnologytoheighteneconomybenefitsinlargeforgingarethekeyproblemsinproductionatthepresentmoment.Thistextelaboratestheapplicationofthermodynamicanalogueexperimentresearch,thermoplasticchangeandforgingcrackingmechanism,putsfowardthemeasuresforpreventionofcrackingandintroducesthethinkingofadoptingnewanvil,newsemifinishedmetalandnewoperationalmethodforelevatingproductiontechnologicalleve1.KeywordsForgingcrackingAdvancedtechnologyEconomicbenefitsAnalogueexperiment(上接第l1页)StudyonMachinabilityofAluminum-siliconAlloyYuanYuefengChangXingAbstractTheapplicationofaluminum-siliconalloyisintroducedinthisp