硼鋁合金作為一種新型金屬基顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料,其硬度(莫氏硬度為9.36)僅次于金剛石,因而在銑削加工過程中易被擠壓而發(fā)生崩裂,從而影響零件的加工質(zhì)量。硼鋁合金是一種摻雜了鋁金屬、高硬度B4C顆粒的新型金屬基顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料,通過深入研究其車、銑、磨、電火花和鉗等加工性能,解決硼鋁合金的加工難題,可使硼鋁復(fù)合材料代替鈦合金,從而廣泛應(yīng)用于需要減重且要求零件變形小的場合。
硼鋁合金是可滿足系統(tǒng)輕量化、熱穩(wěn)定性好和低膨脹系數(shù)要求,且具有適合的力學(xué)性能的復(fù)合材料。不同B4C含量的硼鋁合金如圖1所示,其力學(xué)性能見表1。硼鋁復(fù)合材料與常見的鋁合金2A12、鋼2Cr13、鈦合金TC4材料的各項(xiàng)性能對(duì)比見表2。
圖1 不同B4C含量的硼鋁合金光學(xué)顯微照片
表1 不同B4C含量的硼鋁合金力學(xué)性能表
B4C含量/%退火態(tài)T4態(tài)屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%彈性模量/GPa151402307~93405005~8105±3201502506~83605204~6115±3251702604~63705003~4125±3311602203~43604602~3131±3
表2 硼鋁合金與常見材料力學(xué)性能對(duì)比[1]
名稱密度/g·cm-3彈性模量/GPa屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa線脹系數(shù)/10-6K-1熱導(dǎo)率/W·(m·K)-1延伸率/%硼鋁(30%顆粒含量)2.64131360460131123~4鋁2A122.86827042023.6121—鋼2Cr137.7522851070610.5——鈦合金TC44.441098258959——
由表2可知,與鋁合金相比,硼鋁合金可以減重7%,彈性模量增加91%,屈服強(qiáng)度增加33.3%,抗拉強(qiáng)度增加9.2%,線脹系數(shù)只有鋁合金的55%;與鈦合金相比,硼鋁合金的彈性模量增加20%,線脹系數(shù)與鈦合金相當(dāng), 而密度只有鈦合金的59%,所以硼鋁合金的比剛度比鈦合金高,更易于抵抗變形。
本文選取如圖2所示支架類零件為試驗(yàn)零件對(duì)硼鋁合金的加工工藝進(jìn)行研究。原料為方塊料,材料成分為B4C/Al 復(fù)合材料,狀態(tài)為擠壓態(tài),熱處理狀態(tài)為退火態(tài)。
圖2 支架零件三維圖
零件加工工藝如下:銑(銑六方,以方便裝夾定位,做基準(zhǔn))→線切割(線切割零件外形)→數(shù)控銑(半精加工,有精度要求部位留0.5 mm余量)→鉗(采用研磨平臺(tái),鉗工研磨基準(zhǔn)面)→數(shù)控銑(精加工有精度要求部位到尺寸、鉆孔)→熱處理(去除應(yīng)力,穩(wěn)定尺寸)→鉗(鉆孔、攻絲)→表面處理。
3.1 銑削
3.1.1 刀具的選擇
對(duì)于金屬基顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料,當(dāng)采用硬質(zhì)合金刀具切削時(shí),B4C顆粒被擠壓而發(fā)生崩裂,容易造成零件銳邊崩邊;當(dāng)采用金剛石刀具切削時(shí),B4C顆粒常被劈開而破裂。
在高轉(zhuǎn)速和高切削速度的情況下,非金剛石刀具很快就會(huì)磨損,在加工質(zhì)量上表現(xiàn)為在刀軌重疊處產(chǎn)生高度差,或刀紋呈顫抖紋狀或者魚鱗紋狀。而與硬質(zhì)合金刀具相比,金剛石刀具有很高的耐用度,金剛石的熱導(dǎo)率(146.5 W/(m·k))是硼鋁合金的1.31倍,是鈦合金的13.99~26.9倍;其硬度高,切削刃可以磨得非常鋒利;切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱較少,刀具又能傳出大部分的切削熱;金剛石刀具允許較高的切削速度,而其與切削材料之間產(chǎn)生黏結(jié)和擴(kuò)散的可能性較小,切削時(shí)刀具產(chǎn)生的黏結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損較小,因而更加適合硼鋁合金的銑削[2]。
相對(duì)硬質(zhì)合金銑刀,采用金剛石刀具更能保證零件銳邊加工質(zhì)量,有效避免零件銳邊崩邊。本試驗(yàn)刀具選用直徑為8 mm、長度為80 mm的鑲嵌刀片式直柄金剛石銑刀,銑削表面質(zhì)量如圖3所示。
圖3 鑲嵌刀片式金剛石刀具銑削硼鋁合金表面
3.1.2 銑削參數(shù)的選擇
試驗(yàn)結(jié)果表明,金剛石刀具加工硼鋁合金材料比較適宜的銑削參數(shù)為:銑削速度F=100 mm/min,主軸轉(zhuǎn)速S=400 r/min。
3.1.3 刀軌路徑
選用金剛石刀具銑削,應(yīng)考慮適宜的走刀方式,以減少零件平面棱邊邊緣崩碎現(xiàn)象的發(fā)生。走刀方式選擇順銑,刀具在零件平面棱邊處銑削時(shí),刀具中心應(yīng)居于棱邊處,這樣可以保證有更多的刀具面積參與切削,同時(shí)材料受力方向?yàn)椴牧隙嗟囊粋?cè),使材料受擠壓力,而不是分離力,這樣脆性材料在加工中才不至于棱邊邊緣崩碎。適宜的刀軌路徑如圖4所示。
圖4 適宜的刀軌路徑
3.2 研磨
為了對(duì)半精加工提供良好的平面加工基準(zhǔn),對(duì)試驗(yàn)零件基準(zhǔn)面進(jìn)行手工研磨,手工研磨加工現(xiàn)場如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,硼鋁合金的手工研磨與鋁合金2A12—T4等的磨削參數(shù)、加工效果接近。
圖5 手工磨削加工現(xiàn)場
3.3 線切割
線切割成品如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,硼鋁合金的線切割參數(shù)、加工效果和普通鋁合金沒有區(qū)別。
圖6 線切割成品
3.4 熱處理
根據(jù)硼鋁合金材料的特點(diǎn),退火態(tài)硼鋁合金強(qiáng)度比T4態(tài)略低,毛坯料選用退火態(tài),有利于零件加工。在數(shù)控銑粗加工之后,精加工之前,對(duì)零件進(jìn)行固溶處理或穩(wěn)定化處理。固溶處理可以提高合金性能,獲得較高的強(qiáng)度、較好的塑性及耐腐蝕性能;而穩(wěn)定化處理可以提高合金組織及尺寸穩(wěn)定性。
本試驗(yàn)精加工后,進(jìn)行了固溶處理。熱處理前,材料硬度為80 HRB;固融強(qiáng)化后,硬度達(dá)到88 HRB。
3.5 數(shù)控銑半精、精加工
數(shù)控銑半精加工時(shí)使用退火態(tài)硼鋁合金,關(guān)鍵部位留0.5 mm余量,加工完畢進(jìn)行熱處理,最后進(jìn)行精加工。刀具選用聚晶金剛石刀具與金剛石鉆頭。試驗(yàn)結(jié)果表明,比較適宜的銑削參數(shù)為銑削速度F=100 mm/min,主軸轉(zhuǎn)速S=400 r/min,銑削深度H=2 mm;點(diǎn)鉆孔參數(shù)為S=400~600 r/min,F=20~50 mm/min,H=2 mm;鏜削參數(shù)為S=400~600 r/min,F=30~60 mm/min,H=0.02~0.2mm。
零件成品圖如圖7所示。零件精加工后經(jīng)三坐標(biāo)檢驗(yàn),基本合格。
圖7 數(shù)控銑精加工之后零件圖
3.6 鉆孔、攻絲
試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),采用普通的麻花鉆對(duì)硼鋁合金進(jìn)行鉆孔會(huì)非常吃力,往往一個(gè)底孔沒有鉆完,鉆頭切削刃就已經(jīng)磨損,不能工作了,如果繼續(xù)鉆削,就會(huì)造成材料崩碎。同樣,對(duì)于深度達(dá)10個(gè)螺距以上的螺紋孔,普通絲錐只能勝任前半部分螺紋深度,后半部分螺紋深度的攻絲幾乎無法完成。為此,專門購買了金剛石鉆頭與德國EMUGE公司絲錐,順利完成鉆孔、攻絲。硼鋁合金鉆孔、攻絲如圖8所示。
圖8 硼鋁合金鉆孔、攻絲
3.7 表面處理
為驗(yàn)證硼鋁合金的表面處理性能,對(duì)加工殘料分別進(jìn)行導(dǎo)電氧化、黑色陽極化、本色陽極化和黃色陽極化處理(見圖9)。陽極化時(shí)間為1 h,膜層厚度為20 μm,試驗(yàn)按2A12-T4硬鋁的表面處理工藝進(jìn)行。
圖9 硼鋁合金4種表面處理成品圖片
對(duì)硼鋁合金表面處理后的樣品進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)(見圖10)。鹽霧試驗(yàn)條件如下:在35 ℃環(huán)境溫度下,選用濃度為5%、pH值為6.5~7.2的NaCl溶液,鹽霧沉降率為1~2 mL/80 cm2·h,按GJB 150.11—1986標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)試驗(yàn)96 h。試驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)前、試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后試驗(yàn)樣品外觀均未見異常。
圖10 硼鋁合金4種表面處理成品鹽霧試驗(yàn)
依據(jù)GJB 150.9—1986,在溫度為30~60 ℃交變、相對(duì)濕度為95%的條件下保持240 h(其中60 ℃為6 h,30 ℃為8h),對(duì)4組、每組2件硼鋁合金試驗(yàn)件做濕熱試驗(yàn)(見圖11)。結(jié)果顯示,試驗(yàn)前、試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后試驗(yàn)樣品外觀均未見異常。
圖11 4種表面處理濕熱試驗(yàn)
3.8 車削與平面磨床磨削性能
為驗(yàn)證硼鋁合金的車削性能,探索其適宜的車削參數(shù),使用金剛石刀片車削一硼鋁合金軸類零件(見圖12)。車削效果表明,使用金剛石車刀片車削硼鋁合金,表面粗糙度能達(dá)到Ra3.2 μm左右。車削參數(shù)可以參考普通鋁合金,即: S=200~2 000 r/min;F=0.05~0.20 mm/r;ap=2~5 mm。車削性能良好。
圖12 使用金剛石車刀片車削硼鋁合金情況
使用平面磨床做機(jī)械磨削時(shí),硼鋁合金比鋁合金耐磨,適宜比較小的切深,加工效果與鋁合金2A12-T4效果接近。平面磨床磨削加工現(xiàn)場如圖13所示。
圖13 平面磨床磨削加工現(xiàn)場
硼鋁合金的加工技術(shù)總結(jié)如下:1)硼鋁合金彈性模量比鈦合金高,密度小,可作為鈦合金的替代品;2)硼鋁合金的數(shù)控銑削、鉆孔、攻絲和鏜孔都需要定制金剛石刀具,加工參數(shù)比加工普通鋁合金低,一般為:F=40~100 mm/min,S=400 r/min;3)硼鋁合金的研磨、磨削、線切割加工性能與普通鋁合金相似,因?yàn)橥嘶饝B(tài)坯料強(qiáng)度較低,所以毛坯適用退火態(tài)材料,并在數(shù)控粗加工之后,精加工之前,應(yīng)對(duì)零件進(jìn)行固溶處理。硼鋁合金表面處理參照2A12-T4鋁合金工藝參數(shù)。