硼鋁合金作為一種新型金屬基顆粒增強復合材料，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生崩裂，從而影響零件的加工質量。硼鋁合金是一種摻雜了鋁金屬、高硬度B4C顆(ke)粒(li)的(de)(de)新型金(jin)屬基顆(ke)粒(li)增強(qiang)復合(he)(he)材(cai)料(liao)，通(tong)過(guo)深(shen)入研究其(qi)車、銑、磨、電火花和鉗等加工性能，解(jie)決硼(peng)鋁合(he)(he)金(jin)的(de)(de)加工難題，可使(shi)硼(peng)鋁復合(he)(he)材(cai)料(liao)代替鈦(tai)合(he)(he)金(jin)，從而廣泛應用于需要(yao)減重且要(yao)求零件(jian)變形小的(de)(de)場合(he)(he)。
硼鋁合金是可滿足系統輕量化、熱穩定性好和低膨脹系數要求，且具有適合的力學性能的復合材料。不同B4C含量的硼鋁合金如圖1所(suo)示，其力學性能(neng)見(jian)(jian)表(biao)1。硼鋁復合材料與常見(jian)(jian)的鋁合金2A12、鋼(gang)2Cr13、鈦合金TC4材料的各項性能(neng)對比見(jian)(jian)表(biao)2。
圖1 不同(tong)B4C含量(liang)的硼鋁合(he)金(jin)光(guang)學(xue)顯微照片
表(biao)1 不同(tong)B4C含量的(de)硼鋁合金力學性能表
B4C含(han)量/%退火態T4態屈(qu)服強度(du)/MPa抗(kang)拉強度(du)/MPa延伸(shen)率(lv)/%屈(qu)服強度(du)/MPa抗(kang)拉強度(du)/MPa延伸(shen)率(lv)/%彈性(xing)模(mo)量/GPa151402307～93405005～8105±3201502506～83605204～6115±3251702604～63705003～4125±3311602203～43604602～3131±3
表2 硼鋁合(he)金與常(chang)見材料(liao)力學(xue)性能對(dui)比[1]
名(ming)稱密度/g·cm-3彈性(xing)模量/GPa屈服(fu)強度/MPa抗拉(la)強度/MPa線脹系(xi)數/10-6K-1熱導率/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(tai)合金TC44.441098258959——
由表2可(ke)知，與(yu)鋁(lv)合金(jin)相(xiang)比(bi)，硼(peng)鋁(lv)合金(jin)可(ke)以(yi)減重(zhong)7%，彈(dan)性模(mo)量增(zeng)加91%，屈服(fu)強度增(zeng)加33.3%，抗拉強度增(zeng)加9.2%，線(xian)脹系數只(zhi)有(you)鋁(lv)合金(jin)的(de)(de)55%；與(yu)鈦(tai)合金(jin)相(xiang)比(bi)，硼(peng)鋁(lv)合金(jin)的(de)(de)彈(dan)性模(mo)量增(zeng)加20%，線(xian)脹系數與(yu)鈦(tai)合金(jin)相(xiang)當， 而密度只(zhi)有(you)鈦(tai)合金(jin)的(de)(de)59%，所以(yi)硼(peng)鋁(lv)合金(jin)的(de)(de)比(bi)剛度比(bi)鈦(tai)合金(jin)高(gao)，更易于抵抗變形。
本文選取如圖2所示支架類零件為試驗零件對硼鋁合金的加工工藝進行研究。原料為方塊料，材料成分為B4C/Al 復合(he)材料，狀(zhuang)態為擠壓態,熱處理狀(zhuang)態為退火態。
圖2 支架零件三維圖
零(ling)件加工(gong)工(gong)藝如下：銑(銑六方，以方便裝夾定位，做基準)→線切割(線切割零(ling)件外形)→數控(kong)銑(半精(jing)(jing)加工(gong)，有精(jing)(jing)度要求(qiu)部(bu)位留0.5 mm余量)→鉗(qian)(采用研磨(mo)平臺，鉗(qian)工(gong)研磨(mo)基準面(mian))→數控(kong)銑(精(jing)(jing)加工(gong)有精(jing)(jing)度要求(qiu)部(bu)位到尺(chi)寸、鉆(zhan)孔)→熱(re)處理(li)(li)(去除應力，穩定尺(chi)寸)→鉗(qian)(鉆(zhan)孔、攻絲)→表面(mian)處理(li)(li)。
3.1 銑削
3.1.1 刀具的(de)選擇
對于金屬基顆粒增強復合材料，當采用硬質合金刀具切削時，B4C顆粒被擠壓而發生崩裂，容易造成零件銳邊崩邊；當采用金剛石刀具切削時，B4C顆粒常被劈(pi)開而破裂。
在高轉速和高切削速度的情況下，非金剛石刀具很快就會磨損，在加工質量上表現為在刀軌重疊處產生高度差，或刀紋呈顫抖紋狀或者魚鱗紋狀。而與硬質合金刀具相比，金剛石刀具有很高的耐用度，金剛石的熱導率(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；切削時產生的切削熱較少，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生黏結和擴散的可能性較小，切削時刀具產生的黏結磨損和擴散磨損較小，因而更加適合硼鋁合金的銑削[2]。
相(xiang)對硬質合金銑(xian)刀(dao)(dao)，采用(yong)(yong)金剛(gang)石刀(dao)(dao)具更能保證零件銳(rui)邊加工質量，有效(xiao)避免零件銳(rui)邊崩邊。本試驗刀(dao)(dao)具選(xuan)用(yong)(yong)直徑為8 mm、長度為80 mm的鑲嵌刀(dao)(dao)片式直柄金剛(gang)石銑(xian)刀(dao)(dao)，銑(xian)削表(biao)面質量如圖3所示。
圖3 鑲嵌刀片式(shi)金(jin)(jin)剛(gang)石刀具(ju)銑削(xue)硼鋁(lv)合金(jin)(jin)表面
3.1.2 銑削參數(shu)的選擇
試驗結果表明，金剛石刀具加工硼鋁合金材料比較適宜的銑削參數為：銑削速度F=100 mm/min，主軸轉速S=400 r/min。
3.1.3 刀軌路(lu)徑
選用金剛(gang)石刀(dao)(dao)具(ju)(ju)銑削，應考慮(lv)適(shi)宜(yi)的(de)走(zou)刀(dao)(dao)方(fang)式，以(yi)減少零(ling)件平(ping)面棱(leng)(leng)邊(bian)(bian)邊(bian)(bian)緣崩碎現象的(de)發生。走(zou)刀(dao)(dao)方(fang)式選擇順銑，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)在零(ling)件平(ping)面棱(leng)(leng)邊(bian)(bian)處銑削時，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)中心應居于(yu)棱(leng)(leng)邊(bian)(bian)處，這樣(yang)可以(yi)保證有更多的(de)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)面積參與切(qie)削，同時材料受力方(fang)向為材料多的(de)一側(ce)，使材料受擠壓力，而(er)不(bu)(bu)是分離力，這樣(yang)脆性材料在加(jia)工中才不(bu)(bu)至(zhi)于(yu)棱(leng)(leng)邊(bian)(bian)邊(bian)(bian)緣崩碎。適(shi)宜(yi)的(de)刀(dao)(dao)軌(gui)路徑如(ru)圖4所示。
圖4 適宜的刀軌路(lu)徑
3.2 研磨
為了對半精加(jia)工(gong)提供(gong)良(liang)好(hao)的(de)平面加(jia)工(gong)基準，對試驗零件基準面進行(xing)手(shou)工(gong)研磨，手(shou)工(gong)研磨加(jia)工(gong)現場如圖5所示(shi)。試驗結果(guo)表(biao)明，硼鋁合(he)金的(de)手(shou)工(gong)研磨與(yu)鋁合(he)金2A12—T4等(deng)的(de)磨削參數(shu)、加(jia)工(gong)效(xiao)果(guo)接近(jin)。
圖5 手工磨削(xue)加工現(xian)場
3.3 線切割
線切割成品如圖(tu)6所示(shi)。試驗結果表明，硼鋁合金(jin)的線切割參(can)數、加工效果和普(pu)通鋁合金(jin)沒有區(qu)別。
圖6 線切割成品
3.4 熱處理
根據(ju)硼(peng)鋁(lv)合(he)(he)金(jin)(jin)材(cai)料的(de)特點，退火(huo)態(tai)硼(peng)鋁(lv)合(he)(he)金(jin)(jin)強度比T4態(tai)略(lve)低(di)，毛坯(pi)料選用退火(huo)態(tai)，有(you)利(li)于零件加工。在(zai)數控(kong)銑(xian)粗(cu)加工之后(hou)，精加工之前(qian)，對零件進(jin)行(xing)固溶(rong)處理(li)(li)或穩定化處理(li)(li)。固溶(rong)處理(li)(li)可(ke)以(yi)(yi)提高合(he)(he)金(jin)(jin)性(xing)能，獲(huo)得較(jiao)高的(de)強度、較(jiao)好的(de)塑性(xing)及耐(nai)腐蝕性(xing)能；而穩定化處理(li)(li)可(ke)以(yi)(yi)提高合(he)(he)金(jin)(jin)組織及尺寸(cun)穩定性(xing)。
本試驗精加工(gong)后，進行了固溶處理。熱(re)處理前(qian)，材料硬(ying)度(du)(du)為80 HRB；固融強(qiang)化后，硬(ying)度(du)(du)達(da)到88 HRB。
3.5 數(shu)控銑半精、精加(jia)工
數控銑半精加工時使用退火態硼鋁合金，關鍵部位留0.5 mm余量，加工完畢進行熱處理，最后進行精加工。刀具選用聚晶金剛石刀具與金剛石鉆頭。試驗結果表明，比較適宜的銑削參數為銑削速度F=100 mm/min，主軸轉速S=400 r/min，銑削深度H=2 mm；點鉆孔參數為S=400～600 r/min，F=20～50 mm/min，H=2 mm；鏜削參數為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(shi)。零件精加工后經三(san)坐標檢驗，基本合格。
圖(tu)7 數(shu)控銑精加工之后零(ling)件圖
3.6 鉆孔、攻絲
試驗中發現(xian)，采用普通的(de)(de)麻花鉆(zhan)對(dui)硼(peng)鋁合(he)金(jin)進行鉆(zhan)孔(kong)(kong)會非常吃力，往(wang)往(wang)一(yi)個(ge)底孔(kong)(kong)沒(mei)有鉆(zhan)完，鉆(zhan)頭(tou)切削刃就已經磨損，不能工作了，如果(guo)繼續鉆(zhan)削，就會造成材料崩碎。同(tong)樣，對(dui)于(yu)深度達10個(ge)螺(luo)(luo)距以(yi)上的(de)(de)螺(luo)(luo)紋(wen)孔(kong)(kong)，普通絲(si)(si)錐(zhui)只能勝任前半部分螺(luo)(luo)紋(wen)深度，后半部分螺(luo)(luo)紋(wen)深度的(de)(de)攻絲(si)(si)幾乎無法完成。為(wei)此(ci)，專(zhuan)門購買了金(jin)剛石鉆(zhan)頭(tou)與德國EMUGE公(gong)司絲(si)(si)錐(zhui)，順利(li)完成鉆(zhan)孔(kong)(kong)、攻絲(si)(si)。硼(peng)鋁合(he)金(jin)鉆(zhan)孔(kong)(kong)、攻絲(si)(si)如圖8所示。
圖8 硼鋁合金鉆(zhan)孔、攻絲
3.7 表面處理
為驗證硼鋁(lv)合金的(de)表面(mian)處(chu)理(li)性能，對(dui)加工殘(can)料(liao)分別進(jin)(jin)行導(dao)電氧化、黑色(se)陽(yang)(yang)極(ji)化、本色(se)陽(yang)(yang)極(ji)化和黃(huang)色(se)陽(yang)(yang)極(ji)化處(chu)理(li)(見圖9)。陽(yang)(yang)極(ji)化時(shi)間(jian)為1 h，膜層(ceng)厚度(du)為20 μm，試驗按2A12-T4硬(ying)鋁(lv)的(de)表面(mian)處(chu)理(li)工藝(yi)進(jin)(jin)行。
圖9 硼鋁合金4種表面處理成(cheng)品圖片(pian)
對硼鋁合金表面處理后的樣品進行鹽霧試驗(見圖10)。鹽霧試驗條件如下：在35 ℃環境溫度下，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標準連續(xu)試驗96 h。試驗結(jie)果(guo)表明(ming)，試驗前、試驗過程中及(ji)試驗后試驗樣品外觀均未見(jian)異(yi)常(chang)。
圖10 硼鋁合金4種表(biao)面處理成品鹽霧試驗
依據GJB 150.9—1986，在(zai)溫度為30～60 ℃交變、相對濕(shi)度為95%的條件下保持240 h(其(qi)中60 ℃為6 h，30 ℃為8h)，對4組、每組2件硼(peng)鋁合金試(shi)(shi)驗(yan)件做濕(shi)熱試(shi)(shi)驗(yan)(見(jian)圖11)。結果顯示，試(shi)(shi)驗(yan)前、試(shi)(shi)驗(yan)過程中及試(shi)(shi)驗(yan)后試(shi)(shi)驗(yan)樣(yang)品外觀均未見(jian)異常。
圖11 4種表(biao)面處理濕熱試驗
3.8 車削與平面磨(mo)床磨(mo)削性(xing)能
為驗證硼鋁合金的車削性能，探索其適宜的車削參數，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，表面粗糙度能達到Ra3.2 μm左右。車削參數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(xing)能良好。
圖12 使用金剛石車(che)刀片車(che)削硼(peng)鋁合金情(qing)況
使用平(ping)面磨床做(zuo)機械(xie)磨削(xue)時，硼鋁(lv)合金(jin)(jin)比鋁(lv)合金(jin)(jin)耐磨，適宜比較(jiao)小的切深，加工(gong)效果(guo)(guo)與鋁(lv)合金(jin)(jin)2A12-T4效果(guo)(guo)接近。平(ping)面磨床磨削(xue)加工(gong)現場如圖13所示。
圖(tu)13 平面磨床(chuang)磨削加工現(xian)場(chang)
硼鋁合金的加工技術總結如下：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)硼鋁合金的數控銑削、鉆孔、攻絲和鏜孔都需要定制金剛石刀具，加工參數比加工普通鋁合金低，一般為：F=40～100 mm/min,S=400 r/min；3)硼鋁(lv)合(he)金的研磨、磨削、線切割加(jia)工(gong)(gong)性(xing)能與普通鋁(lv)合(he)金相似(si)，因為退(tui)火態(tai)坯料強度較低(di)，所以毛坯適(shi)用退(tui)火態(tai)材(cai)料，并(bing)在數(shu)控粗加(jia)工(gong)(gong)之后(hou)，精加(jia)工(gong)(gong)之前，應對零件(jian)進行(xing)固溶處理。硼鋁(lv)合(he)金表面處理參照2A12-T4鋁(lv)合(he)金工(gong)(gong)藝參數(shu)。