高硅鋁合金的CNC加工方法

隨著發動機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，闡明在實際應用中要達到良好的切削效果應選擇高粒度牌號的默克PCD刀具，并采用合理的刀具幾何參數。
在發動機的各個部件中，活塞大概算是承受應力和溫度范圍最寬的一種部件。它在發動機中承受一定范圍的靜應力和動應力，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活塞的關鍵。

活塞選用的材料不僅必須具有完成技術功能所需要的足夠的物理和機械性能，而且在制造方面必須可靠、經濟。從內燃機活塞所處的工作環境可以看出，對活塞用鋁合金的材料特性有一系列的要求：比重小、熱膨脹系數小、耐磨性好、機械性能好、熱傳導熱性好以及加工性能好。根據以上要求，活塞用鋁合金的發展過程中形成了3種合金類型，根據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地氣候等因素，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用于大批量生產的零件，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。切削這種合金時刀具磨損非常嚴重，因為這種合金的基體是粗大的、一次析出的硅結晶體就像砂輪一樣，以很高的顯微硬度作用在刀具上，當含硅量增加到17%～18%時，刀具磨損更為嚴重。此外，在切削加工高硅鋁合金鑄件時，在刀尖上常會產生積屑瘤，其高頻的生長與脫落，往往使加工表面粗糙度增大。產生上述現象的主要原因是由于高硅鋁合金是一種高延性、高脆性的復合材料，脆性粒子硅分布在延性的基體鋁中。

切削加工時，鋁發生塑性變形，最后脆性斷裂，而硅則產生脆性變形以至脆性斷裂。由于鋁的延展性大、融點低，易在刀具與工件接觸處產生積屑瘤，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，刀具不僅受到高頻交變沖擊，工件內高硬度硅顆粒分布密度加大，且還受熱傳導、化學和磨粒磨損等因素影響，刀具的磨損和破損較為嚴重，壽命較短，嚴重影響了活塞的生產效率。

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.進行細化處理

試驗與使用證實，對高硅鋁合金進行細化處理不僅使初晶硅細化，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行的車削結果表明，經細化處理使加工表面粗糙度明顯降低。此外，細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。磨削試驗結果表明，加工含1.0%的Cu、1.0%的Mg和1.0%的Ni的硅鋁合金工件時，其表面粗糙度比加工不含這些元素材料時要低。

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象減少，切屑易于碎斷。如加入2%的Cu還能作進一步改善，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、銑削和鉆孔時的切削力，并能得到良好的加工表面而不影響其機械性能。

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，α固溶體因強化相溶入而帶來的濃度變化，其晶體結構并未改變，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塑性反而進一步提高。強度則因基體合金元素濃度的增加而提高，即獲得了固溶強化。由此可知，強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)與少量的金屬粉末(如Co等)混合后在高溫(1400℃)高壓下燒結而成的聚晶體。市場上作為商品供應的PCD復合片，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合金襯底結合的一種超硬復合材料。它既具備了PCD的高硬度、高耐磨性，又兼有硬質合金的良好強度和韌性，因此用PCD復合片制成的刀具是使用最廣泛的金剛石刀具，被大量應用于汽車、航空航天等工業領域。

隨著發動機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域。高硅鋁合金的硬度和耐磨性比其他鋁合金高，切削時刀具交替地切削軟的鋁基和硬的硅顆粒，使用普通硬質合金刀具時很容易磨損；同時刀具也很容易產生積屑瘤，因而會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牌號刀具，例如：鈞杰陶瓷加工日本客戶的高硅產品時，使用通用的硬質合金焊接刀具，刃磨一次僅能加工20～30只活塞，刀具磨損特別嚴重，活塞加工表面質量也非常差，根本無法達到加工要求。而改用粗粒度的PCD刀具后，刃磨一次加工量能達到300多只，加工數量與加工質量比以前大大提高。

2.切削高硅鋁合金時，PCD刀具應采用合理的幾何參數

在加工高硅鋁合金時(尤其在用PCD刀具替代硬質合金刀具進行加工時)，PCD刀具的后角最好比原硬質合金刀具采用的后角略微減小，以改善PCD刀具切削刃對高硅鋁合金的切削性能。PCD刀具的前角也不宜過大，因為刀具前角越大，其切削刃強度越低；PCD刀具的后角越小，切削刃的強度越高。在保證刀具為正切削角的前提下，應盡可能提高切削刃強度。

理想的機床

加工高硅鋁合金最好選用專用的CNC機床，鑫騰輝數控為高硅鋁合金的加工研發了專用CNC機床，并且我們提供一站式加工解決方案。我們可以提供從刀具、工藝流程設計、加工程式編輯、人員培訓等全方位服務。咨詢熱線：15012558160。

結語

高硅鋁合金因具有較高的高溫強度、良好的熱穩定性和較高的耐磨性，廣泛應用在高性能的內燃機活塞上，要改善其切削性能，應對其進行相關的細化、化學處理和熱處理。PCD刀具是切削高硅鋁合金的理想刀具材料，且應選擇高粒度牌號的PCD刀具，并采用合理的刀具幾何參數，才能達到良好的切削效果。