過(guò)共晶Al-22Si合金的切削加工性能研究

王志廣,顧恒恒,馮冠華

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

過(guò)共晶Al-22Si合金的切削加工性能研究

王志廣,顧恒恒,馮冠華

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

采用金屬鑄造法制備過(guò)共晶Al-22Si合金試樣塊，在光學(xué)顯微鏡上觀察細(xì)化變質(zhì)后過(guò)共晶Al-22Si合金的微觀組織形貌，并測(cè)試其布氏硬度值和銑削表面粗糙度.通過(guò)正交試驗(yàn)探究軸向切深、進(jìn)給量、銑刀轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：細(xì)化變質(zhì)后的過(guò)共晶Al-22Si合金初晶硅尺寸減小，共晶硅呈短棒狀，合金硬度很高，銑削表面粗糙度較?。辉阢娤骷庸ぶ?，銑刀轉(zhuǎn)速對(duì)合金銑削力的影響最大，其次是軸向切深，最小的是進(jìn)給量.

過(guò)共晶Al-22Si合金；粗糙度；硬度；銑削力

過(guò)共晶鋁硅合金具有密度小、比強(qiáng)度高、輕質(zhì)、耐磨等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和車(chē)架、飛機(jī)殼體等，在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛[1-2].但是，鋁硅合金在車(chē)、銑削加工過(guò)程中有嚴(yán)重的黏刀傾向，常常在前刀面上形成非常堅(jiān)硬的金屬堆積物.這種堆積物被業(yè)界稱為積屑瘤.積屑瘤在切削過(guò)程中不穩(wěn)定，當(dāng)它生長(zhǎng)到一定高度后，就會(huì)發(fā)生脆裂，被積屑帶走從而消失，之后又會(huì)開(kāi)始生長(zhǎng)，如此從小到大，周而復(fù)始地循環(huán).它時(shí)現(xiàn)時(shí)失，時(shí)大時(shí)小，使被切削工件的實(shí)際切削厚度不斷改變，造成工件表面的高低不平，降低工件的加工尺寸精度，增加工件的表面粗糙度，甚至?xí)诠ぜ砻娈a(chǎn)生應(yīng)力集中而降低零件的機(jī)械強(qiáng)度.因此，研究強(qiáng)度高、機(jī)械加工性能優(yōu)良的過(guò)共晶鋁硅合金具有極其重要的意義[3].

本文擬通過(guò)正交試驗(yàn)法，研究進(jìn)給量、銑削轉(zhuǎn)速、銑削厚度對(duì)過(guò)共晶Al-22Si合金銑削力和表面粗糙度產(chǎn)生的影響.

1 試驗(yàn)材料與方法

采用金屬鑄造法制備的試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示.首先將適量純鋁、硅塊、鎳、錳、銅放入SG2-7.5-12坩堝式電阻爐中，加熱到800 ℃，全部熔化后充分?jǐn)嚢?，然后將變質(zhì)劑Al-P投放到坩堝中，充分?jǐn)嚢?，并靜置5 min，將熔液澆注入金屬模具中，待冷卻后從模具中取出，并將獲得的試驗(yàn)材料自然時(shí)效處理.當(dāng)鋁和硅全部熔化后，先將不易燒損的錳、銅放進(jìn)坩堝中，熔化后充分?jǐn)嚢?，再將海綿鈦放入坩堝，直至鈦熔化后再次充分?jǐn)嚢?，之后將鎂放到漏勺里，壓進(jìn)坩堝底部熔化，再次攪拌5 min之后，添加0.2%的稀土和0.8%的Na3PO4進(jìn)行復(fù)合細(xì)化變質(zhì)處理，10 min后用鋁箔包覆六氯乙烷精煉，并保溫15 min，充分?jǐn)嚢璨浅鰻t渣，最后澆鑄到金屬模具中.金屬塊冷卻至常溫，48 h后在480 ℃條件下固溶2 h，取出試件，在20 ℃水中淬火，并在190 ℃條件下人工時(shí)效10 h.

表1 Al-22Si合金的化學(xué)成分 wt%

將過(guò)共晶Al-22Si合金制成φ10×20的試樣塊，在PG-2B型拋光機(jī)(拋光盤(pán)直徑為220 mm，拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速為900 r/min)上進(jìn)行拋光，然后在AFT-DC130光學(xué)顯微鏡下觀察其金相組織.在HB-3000布氏硬度計(jì)上使用直徑為5 mm的鋼球壓頭，加載500 kg，保持時(shí)間30 s，卸載后用JXD-2顯微鏡測(cè)出所得壓痕的直徑，對(duì)照布氏表，查出硬度值.在X5646/1型立式滑枕升降臺(tái)銑床上測(cè)量過(guò)共晶Al-22Si合金的銑削力時(shí)，設(shè)定銑削的兩種情況如下：軸向切深分別為0.4 mm、0.8 mm；進(jìn)給量分別為100 mm/min、200 mm/min；銑削轉(zhuǎn)速分別為470 r/min、650 r/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 合金組織分析

圖1所示為過(guò)共晶Al-22Si合金的微觀組織形貌.從圖1可以看出，合金中初晶硅分布均勻，且棱角鈍化，其形態(tài)呈四邊形或相對(duì)規(guī)則的五邊形，平均輪廓尺寸為40-50 μm，未出現(xiàn)初晶硅棱角尖銳、形貌粗大現(xiàn)象，多為五瓣星形或板片狀初晶硅[4].共晶硅呈短棒狀，彌散分布于基體表面，沒(méi)有出現(xiàn)尺寸粗大且呈長(zhǎng)針狀的共晶硅組織[1].這是由于P元素與Al元素作用生成了AlP，其晶格常數(shù)為5.45，與Si 的晶格常數(shù)5.42相近，且AlP與硅的晶型均為金剛石型點(diǎn)陣，具有異質(zhì)晶核作用，使初晶硅細(xì)化.共晶硅細(xì)化是由于稀土具有細(xì)化共晶硅的作用，加之應(yīng)用T6熱處理后，共晶硅產(chǎn)生縮頸熔斷，最終由長(zhǎng)針狀變?yōu)槎贪魻?

圖1 Al-22Si合金的金相組織

2.2 合金的硬度

過(guò)共晶Al-22Si合金的布氏硬度值達(dá)到了145 HBW，大于文獻(xiàn)[5]中介紹的未變質(zhì)合金硬度127 HBW.這是因?yàn)樘砑蛹?xì)化劑Al-3%P后，過(guò)共晶鋁硅合金中細(xì)小的初晶硅硬質(zhì)顆粒被牢固地鑲嵌在基體中，有效地抑制了細(xì)小初晶硅與基體之間裂紋的萌生和擴(kuò)展，而且，熱處理后過(guò)共晶鋁硅合金中球化的共晶硅也能夠有效抑制裂紋的形成.由于合金基體中裂紋減少，基體密實(shí)度增加，因此合金的硬度增加.

2.3 合金的銑削表面質(zhì)量

圖2所示為過(guò)共晶Al-22Si合金在軸向切深為0.8 mm，進(jìn)給量為200 mm/min，銑削轉(zhuǎn)速為470 r/min條件下的銑削表面質(zhì)量.從圖2可以看出，合金的表面由刀刃切削而成，刀痕清晰，整個(gè)表面為比較均勻的灰白色，除細(xì)密鱗刺外無(wú)其他明顯缺陷.測(cè)得合金已加工表面的粗糙度為0.928 μm.過(guò)共晶Al-22Si合金的銑削表面質(zhì)量較高，是因?yàn)楹辖鸾?jīng)過(guò)復(fù)合變質(zhì)后，初晶硅細(xì)小且分布均勻，每個(gè)硅顆粒與基體的黏合面積較小，減小了對(duì)基體造成的應(yīng)力集中.雖然硅晶體的硬度(800-1 300 HV)比硬質(zhì)合金的硬度(1 800 HV)低得不多，但只要有數(shù)百微米的切削層深度，切削時(shí)絕大多數(shù)硅粒會(huì)被包埋在基體中并隨之變形.即使刀刃正面遇到突出的初晶硅，也會(huì)將之壓入切屑底部或已加工表面，最終使已加工表面除了有較小的鱗刺外，沒(méi)有出現(xiàn)其他明顯缺陷.

圖2 Al-22Si合金銑削表面質(zhì)量

2.4 銑削因素對(duì)合金銑削力的影響

圖3所示為銑削過(guò)共晶Al-22Si合金時(shí)銑削力的L4(34)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù).從圖3可知，影響銑削力的因素有3個(gè)：軸向切深A(yù)、進(jìn)給量B、銑削轉(zhuǎn)速C，每個(gè)因素有兩個(gè)變量1和2，A的兩個(gè)變量為0.4 mm和0.8 mm，B的兩個(gè)變量為100 mm/min和200 mm/min，C的兩個(gè)變量為470 r/min和650 r/min.于是，1號(hào)方案為A1B1C1，2號(hào)方案為A1B2C2，3號(hào)方案為A2B1C2，4號(hào)方案為A2B2C1.

圖3 測(cè)試過(guò)共晶Al-22Si合金銑削力的L4(34)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用極差分析方法時(shí)，主要通過(guò)極差值來(lái)反映各因素的重要性，即極差越大的因素重要程度越高.對(duì)于X方向的銑削力，因素主次順序應(yīng)為C>A>B；對(duì)于Y方向的銑削力，因素主次順序應(yīng)為C>A=B；對(duì)于Z方向的銑削力，因素主次順序應(yīng)為A=B=C.可見(jiàn)，在3個(gè)銑削因素中，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削力的影響最大，其次是軸向切深，最小的是進(jìn)給量.分析可知，A因素的水平Ⅰ和Ⅱ均只出現(xiàn)了1次，它們出現(xiàn)的機(jī)會(huì)均等，可以得出結(jié)論：A因素的水平Ⅰ和Ⅱ之間沒(méi)有相互干涉，同時(shí)B因素也不會(huì)影響到A因素的水平Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)值，而兩個(gè)數(shù)值不同是由各因素水平變化引起的.同理，B、C兩個(gè)因素也和A因素的分析一樣.

通常希望材料的銑削力越小越好，因此進(jìn)行銑削試驗(yàn)時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速的選擇是首要考慮的問(wèn)題.多次銑削試驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)銑削時(shí)軸向切深、進(jìn)給量、銑削轉(zhuǎn)速中有兩個(gè)因素固定而另一個(gè)因素改變時(shí)，銑削力隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨著軸向切深和進(jìn)給量中任一因素增加而增大.極差分析的結(jié)果說(shuō)明，銑削材料時(shí)，在銑削條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)首先采用較高的銑削速度，并在軸向切深一定的情況下選擇較大的進(jìn)給量.

3 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)研究表明，過(guò)共晶Al-22Si合金中初晶硅呈四邊形或相對(duì)規(guī)則的多邊形，且棱角鈍化，平均尺寸為40-50 μm；共晶硅細(xì)小彌散分布，呈短棒狀形態(tài).合金具有較高的硬度和較小的銑削表面粗糙度.當(dāng)銑削過(guò)共晶Al-22Si合金時(shí)，對(duì)合金銑削力影響最大的是主軸轉(zhuǎn)速，其次是軸向切深，最小的是進(jìn)給量.

[1] 張金山，許春香，韓富銀．復(fù)合變質(zhì)對(duì)過(guò)共晶高硅鋁合金組織和性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2002,12(S1):107-110.

[2] 胥 鍇，劉徽平，袁幫誼,等．過(guò)共晶鋁硅合金變質(zhì)處理的研究進(jìn)展[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2009,38(3):31-35.

[3] 顧恒恒，水 麗.TiB2和Cu對(duì)過(guò)共晶Al-18Si合金切削性能的影響[J].工具技術(shù)，2016,50(7):41-43.

[4] 魏長(zhǎng)傳.變質(zhì)處理對(duì)4032鋁合金組織的影響[J]. 有色金屬加工，2011,40(6):13-16.

[5] 許長(zhǎng)林，方建儒，楊亞峰，等.變質(zhì)及熱處理對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織與滑動(dòng)磨損性能的影響[J].金屬加工，2009(15):23-25.

Milling Performance of Hypereutectic Al-22Si Alloy

WANG Zhi-guang,GU Heng-heng, FENG Guan-hua

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

This paper mainly researches on the influences of milling depth, feed rate, milling speed on milling force through orthogonal experiment by studying the microstructure of the Al-22Si alloy, and testing the Brinell hardness value & milling surface roughness. The results show that the size of primary silicon is decreased and the eutectic silicon is granular. The alloy has a high hardness and a small milling surface roughness. When milling, the alloy spindle speed will have the largest effect on alloy milling force and then is axial cutting depth & feed rate.

hypereutecticAl-22Si alloy; roughness;hardness; milling force

2016-09-15

王志廣(1988-)，男，河北邯鄲人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用技術(shù).

1006-3269(2016)04-0030-03

TG146.2；TH161

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.007