高硅铝合金的CNC加工方法

随着发动机活塞材料含硅量的增多，材料的加工性能下降，以往沿用的硬质合金刀具就难以胜任了。本文探讨了切削高硅铝合金的理想刀具材料——PCD刀具，阐明在实际应用中要达到良好的切削效果应选择高粒度牌号的默克PCD刀具，并采用合理的刀具几何参数。
在发动机的各个部件中，活塞大概算是承受应力和温度范围最宽的一种部件。它在发动机中承受一定范围的静应力和动应力，并承受从零度以下到400℃的温度变化，由于火焰的冲击，瞬时温度可能还要高得多。因此，选择最适宜的材料成为能否成功生产活塞的关键。

活塞选用的材料不仅必须具有完成技术功能所需要的足够的物理和机械性能，而且在制造方面必须可靠、经济。从内燃机活塞所处的工作环境可以看出，对活塞用铝合金的材料特性有一系列的要求：比重小、热膨胀系数小、耐磨性好、机械性能好、热传导热性好以及加工性能好。根据以上要求，活塞用铝合金的发展过程中形成了3种合金类型，根据硅含量的高低划分为：共晶合金（硅含量约12%）、过共晶合金（硅含量约18%）及高硅合金（硅含量约25%）。

在我国，活塞常用的合金材料一般是共晶合金或过共晶合金，而俄罗斯等国家由于当地气候等因素，一般要求其活塞材料是高硅铝合金。本文就高硅铝合金的切削加工进行了深入的研究。

切削加工性差的原因

硅铝合金特别是高硅铝合金能否应用于大批量生产的零件，在很大程度上取决于它的切削加工性能，它比其他铝合金的切削要困难。切削这种合金时刀具磨损非常严重，因为这种合金的基体是粗大的、一次析出的硅结晶体就像砂轮一样，以很高的显微硬度作用在刀具上，当含硅量增加到17%～18%时，刀具磨损更为严重。此外，在切削加工高硅铝合金铸件时，在刀尖上常会产生积屑瘤，其高频的生长与脱落，往往使加工表面粗糙度增大。产生上述现象的主要原因是由于高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。由于铝的延展性大、融点低，易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。加工高硅铝合金活塞时，刀具不仅受到高频交变冲击，工件内高硬度硅颗粒分布密度加大，且还受热传导、化学和磨粒磨损等因素影响，刀具的磨损和破损较为严重，寿命较短，严重影响了活塞的生产效率。

加工性能的改善措施

为了提高改善高硅铝合金的切削加工性能，主要采取以下几方面的措施：

1.进行细化处理

试验与使用证实，对高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19%的Al、1.0%的Si、0.4%的Mg及少量锰合金砂型铸件进行的车削结果表明，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著减轻。

2.加入合金元素

在硅铝合金中加入0.5%的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%的Cu、1.0%的Mg和1.0%的Ni的硅铝合金工件时，其表面粗糙度比加工不含这些元素材料时要低。

3.加入易切削元素

在硅铝合金中加入1%的Pb或1%的Bi可使刨削后的工件表面撕裂现象减少，切屑易于碎断。如加入2%的Cu还能作进一步改善，可使铣削后的工件表面刀痕减少，切屑卷曲成圈。此外，在硅铝合金中加Sn元素可减小车削、铣削和钻孔时的切削力，并能得到良好的加工表面而不影响其机械性能。

4.热处理

热处理可改善铝合金的切削性能。硅铝合金加热时，α固溶体因强化相溶入而带来的浓度变化，其晶体结构并未改变，硅铝合金淬火后基体组织并未变化，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。

理想的加工刀具

PCD是指将金刚石微粉(粒度为微米级)与少量的金属粉末(如Co等)混合后在高温(1400℃)高压下烧结而成的聚晶体。市场上作为商品供应的PCD复合片，是由0.5～0.7mm厚的聚晶金刚石层在高温、高压下使其牢固地和硬质合金衬底结合的一种超硬复合材料。它既具备了PCD的高硬度、高耐磨性，又兼有硬质合金的良好强度和韧性，因此用PCD复合片制成的刀具是使用最广泛的金刚石刀具，被大量应用于汽车、航空航天等工业领域。

随着发动机活塞材料由低硅铝合金改为高硅铝合金，含硅量的增多令材料的加工性能下降，以往沿用的硬质合金刀具就难以胜任了。PCD刀具比较适合加工硅铝合金，尤其适合加工含硅量高的铝合金零件。PCD刀具是加工铝合金，特别是高硅铝合金最为有效的刀具材料，也是这种刀具材料使用的最为广泛的加工领域。高硅铝合金的硬度和耐磨性比其他铝合金高，切削时刀具交替地切削软的铝基和硬的硅颗粒，使用普通硬质合金刀具时很容易磨损；同时刀具也很容易产生积屑瘤，因而会使加工精度和表面粗糙度恶化。为了避免积屑瘤和加工硬化，刀刃必须锋利，刀面必须光滑，PCD刀具正好符合这些要求。

1.加工高硅铝合金应采用高粒度的PCD刀具

加工高硅铝合金材料须采用粗颗粒PCD牌号刀具，例如：钧杰陶瓷加工日本客户的高硅产品时，使用通用的硬质合金焊接刀具，刃磨一次仅能加工20～30只活塞，刀具磨损特别严重，活塞加工表面质量也非常差，根本无法达到加工要求。而改用粗粒度的PCD刀具后，刃磨一次加工量能达到300多只，加工数量与加工质量比以前大大提高。

2.切削高硅铝合金时，PCD刀具应采用合理的几何参数

在加工高硅铝合金时(尤其在用PCD刀具替代硬质合金刀具进行加工时)，PCD刀具的后角最好比原硬质合金刀具采用的后角略微减小，以改善PCD刀具切削刃对高硅铝合金的切削性能。PCD刀具的前角也不宜过大，因为刀具前角越大，其切削刃强度越低；PCD刀具的后角越小，切削刃的强度越高。在保证刀具为正切削角的前提下，应尽可能提高切削刃强度。

理想的机床

加工高硅铝合金最好选用专用的CNC机床，鑫腾辉数控为高硅铝合金的加工研发了专用CNC机床，并且我们提供一站式加工解决方案。我们可以提供从刀具、工艺流程设计、加工程式编辑、人员培训等全方位服务。咨询热线：15012558160。

结语

高硅铝合金因具有较高的高温强度、良好的热稳定性和较高的耐磨性，广泛应用在高性能的内燃机活塞上，要改善其切削性能，应对其进行相关的细化、化学处理和热处理。PCD刀具是切削高硅铝合金的理想刀具材料，且应选择高粒度牌号的PCD刀具，并采用合理的刀具几何参数，才能达到良好的切削效果。