（机械工程专业论文）内燃机铝活塞环槽加工刀具研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本课题结合滨州渤海活塞股份有限公司的实际生产状况，详细研究了加工铝硅 合金活塞环槽成型刀具及其相关内容。 在大量切削试验基础上，选择了较为理想的整体硬质合金环槽刀具材料，结合 实践与试验确定了等宽整体硬质合金环槽刀的刃带宽度，并对整体硬质合金环槽刀 具切削环槽过程中副后刀面与已加工表面之间的挤压机理进行了研究、探讨。 随着聚晶金刚石( p c d ) 刀具材料在切削铝合金上的广泛应用，本文根据活塞 环槽的性能要求及铝合金的切削特点，确定了p c d 槽刀几何角度，设计了p c d 环槽 成型刀具。p c d 材料的难磨削性使它的推广应用又受到很大的限制，主要体现在磨 削效率低、磨削成本高。如何提高磨削效率同时降低磨削成本成为国内外研究的重 点。本文理论与实践相结合，根据p c d 刀具尤其p c d 槽刀刃磨实践，分析了p c d 刀 具的刃磨设备要求与特点，结合p c d 刀具的刃磨机理，探讨了p c d 槽刀再次刃磨后 寿命降低的原因。 关键词：铝硅合金；刀具材料；活塞环槽；p c d 槽刀；刀具刃磨 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t ht h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r es t a t u s i nb i n z h o ub o h a i p i s t o nc o l t d ，t h i st h e s i sa c h i e v e das y s t e m i cs t u d yo nt h ec u t t i n gt o o l s f o rm a c h i n i n gt h ea 1 一s ia l l o yp i s t o nr i n gg r o o v e o nt h eb a s i so f c u t t i n gt e s t sa n dp r a c t i c e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e c u t t i n gt o o ll i f ea n dt h ec u t t i n gp a r a m e t e r sa n dt h ec u t t e r sg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ，t h ew i d t ho fc e m e n t e dc a r b i d et o o l c u t t i n ge d g eo ft h ep i s t o nr i n gg r o o v eh a sb e e nd e t e r m i n e db yt e s t sa n d p r a c t i c e s b yt h et e s tr e s u l t sa n dt h e o r i e s ，t h ew e a rm e c h a n i s mo ft h e c m t i n gt o o la n dt h ee x t r u s i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h ec u t t i n gt o o la n dt h e m a c h i n e ds u r f a c eo fw o r k p i e c ei nc u t t i n gp i s t o nr i n gg r o o v e sh a v eb e e n r e s e a r c h e d t h ep o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ( p c d 、h a sb e e na p p l k dw i d e l yi ni n d u s t r i a l f i e l d sa san e w c u t t i n g t o o lm a t e r i a lo fh i 【g hh a r d n e s sa n dg o o d w e a r - r e s i s t a n c e t h i st h e s i sd e s i g n e dat y p eo fp c dg r o o v ec u t t e rb y m e a n so fp i s t o nr i n gg r o o v ef u n c t i o n p c dp i s t o nr i n gg r o o v ec u t t e r ， m a t e r i a ls e c t i o no fp c di np c dg r o o v ec u r e ra n dt h ec u t t e r s g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sh a v eb e e nr e s e a r c h e d b u ti t ss u p e r h a r d n e s sa n d h i g hw e a r - r e s i s m n c em a k ei td i f f i c u rt ob eg r i n d e d h i g hg r i n d i n gc o s ta n d l o w g r i n d i n ge f f i c i e n c y r e s t r i c ti t s p o p u l a r i t y t oi m p r o v eg r i n d i n g e f f i c i e n c ya n dt or e d u c eg r i n d i n gc o s t sa r ei m p o r t a n ta n d d i f f i c u l tf i e l d sf o r 山东大学硕士学位论文 p c dt o o l s p c dc u t t e rg r i n d i n gm e c h a n i s ma n dt h er e a s o no fp c dp i s t o n r i n gg r o o v ec u t t e rl i f ed e c l i n ea f t e rr e g r i n d i n ga r ed i s c u s s e do nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t sa n dt h e o r ya n a l y s i s k e y w o r d s ：s i a 1a l l o y ：c u t t i n gt o o lm a t e r i a l ：p i s t o nr i n gg r o o v e ： p c dp i s t o nr i n gg r o o v ec u t t e r ：c u t t e rg r i n d i n g v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：主正复4 导师签名：雌日期：血 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 金属切削理论发展概况 制造业是国民经济和国家安全的物质主体和支柱产业，是国民经济高速增长 的发动机，其发展水平是衡量工业化国家或地区综合实力和竞争力的重要标志。 而金属切削加工在机械制造业中起着举足轻重的重用，“工欲善其事，必先利其 器”，金属切削理论研究及刀具的设计、制造历来受到机械行业的高度重视，随着 现代科学技术的发展，先进制造技术的不断出现，为金属切削理论提出了新的课 题，因此，它是一门与时俱进的学科。金属切削作为一门技术可以追溯到古代， 而应用机床加工金属还是近两百年的事。真正作为一门学科进行研究还是近百年 开始的，一直至今“1 。 金属切削是用切削工具，把坯料或工件上多余的材料层切去，使工件获得规 定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。现代产业和工程领域都需要应用机 械，几乎没有不经过切削加工的机械，即使没有直接经过切削加工，其生产过程 所使用的模具、夹具等仍少不了要求切削加工。 金属切削理论的研究，经过几代人的探索研究，已经达到了较高的水平，但 由于受到时代和科学技术的限制，人们还不可能把这门科学研究到尽善尽美的地 步。 刀具的发展离不开人们对金属切削机理的认识。在过去几十年的时间里，随 着科学技术发展的突飞猛进，人们对切削理论的研究已从宏观观察进入到微观定 型、定量分析研究，从单因素的研究进入到多因素综合研究，从静态研究进入到 动态研究，研究手段己进入到“电子显微镜时代”0 1 。 自二十世纪六十年代开始，美、日、德、英等国先后采用近代先进的电子检 测仪器进行切削研究。例如，高压透射电子显微镜( h t 删) 、扫描电子显微镜( s 跏) 、 俄歇电子能谱仪( a e s ) 、电子探针显微分析仪( e p m a ) 、离子探针显微分析仪( i p m s ) 、 x 射线光电子谱仪( e s c a ) 和x 光衍射仪等，甚至将扫描电子显微镜直接用于对切 削过程进行动态研究。这些先进的电予仪器的普遍运用，是当代金属切削理论发 展的标志嘲。 当代一些新兴学科的相互渗透，有力地推动了金属切削理论的发展。例如， 金属物理学，摩擦学、断裂力学、位错理论、超塑性理论以及纳米技术等理论和 技术应用于切削过程，各种关于切屑形成、刀具磨损机理方面的新观点层出不穷。 山东大学硕士学位论文 数控机床、加工中心、柔性制造系统等应用与发展对刀具寿命及其可靠性要 求越来越高，因此，对于工件材料的切削性、刀具材料的稳定性以及切削力、切 削温度、振动等方面的研究愈来愈引起人们的重视。新兴宇航业的诞生与发展， 一些难加工材料相继被采用，普通切削工具已无能为力，使传统的切削原理受到 挑战。切削加工中的切屑形成机理、刀具的各种磨损机理等再次成为研究的热点。 以上这些都是金属切削理论近期的研究动向。”。 1 2 刀具及刀具材料的发展概况 科学技术的发展对机械制造业提出了不断提高劳动生产率、提高加工质量和 降低加工成本的要求。随着高强度、高抗磨损性、高抗腐蚀性、低热传导、高耐 高温性的难加工材料的出现，相继出现了许多新的刀具材料，例如：新型硬质合 金、各种涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石刀具、立方氮化硼刀具等相 继出现，使刀具耐用度和切削速度有了更大幅度的提高。刀具材料的进步极大的 推动着切削加工技术的发展。特别是近三十年来，作为切削加工最基本要素的刀 具材料得到了迅速发展，采用各种氧化物、氮化物、碳化物、硼化物和合金制造 的刀具材料不断出现，刀具材料的物理及化学性能和切削加工性能都有了很大的 提高，应用范围也不断扩大。开发的新型刀具材料，例如纳米复合刀具、纳米涂 层刀具、晶须增韧陶瓷刀具、梯度功能陶瓷刀具等为现代切削加工提供了新的选 择”1 。目前国际上广泛应用的刀具材料主要有；高速钢、硬质合金，超硬刀具材料 等，刀具材料的牌号多达上千种。 各种刀具材料的性能范围如图i - 1 所示。 图i - ! 切削刀具材料性能 山东大学硕士学位论文 各种轻质强韧材料、新型航空航天材料、复合材料、生物材料、纳米材料、 新型金属或非金属材料等不断出现并应用日益广泛，对刀具材料也提出了愈来愈 高的要求。在可以预见的将来，继续提高切削加工牛产率、降低加工成本和减小 资源消耗，是新型刀具发展的一个重要方向。 1 2 1 以硬质合金为主的各种刀具材料性能全面提高 在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着主导作用，此外，其它刀具材料的 性能也得到了显著改善，扩大了各自的应用领域，形成了各种刀具材料既有独特 优势、使用范围又相互取代补充的整体格局。正是刀具材料全面、迅速的发展为 当今高速、高效的金属切削加工奠定了基础。 硬质合金的性能不断改进，应用面不断扩大，成为切削加工的主要刀具材料， 对推动切削效率的提高起到了重要作用。首先，细颗粒、超细颗粒硬质合金材料 的开发显著提高了硬质合金材料的强度和韧性，用它制造的整体硬质合金刀具( 尤 其是量大面广的中小规格通用刀具如钻头、立铣刀、丝锥等) 用于替代传统的高速 钢刀具，使切削速度和加工效率大幅度提高，把量大面广的通用刀具带入了高速 切削范围。其次，硬质合金加压烧结等新工艺的开发和应用，提高了硬质合金的 内在质量，针对不同加工需求开发专用牌号的做法进一步提高了硬质合金的使用 性能。开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金，作为化学涂 层硬质合金刀片牌号的基体材料，提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范 围。 陶瓷和金属陶瓷刀具材料品种增多，强度和韧性提高，应用领域和加工范围 不断扩大，在钢材、铸铁的精加工、半精加工中代替硬质合金，提高了加工效率 和产品质量。目前，此类刀具材料不仅可用于单件、小批量生产，而且已应用于 流水线的批量生产，由于价格较低，可作为干切削、硬切削的首选刀具。 p c d 、c b n 超硬刀具材料改性和制造工艺的改进，使其应用领域不断扩大。用 c b n 制造的缸孔螳刀已可用在自动生产线以及铸铁、淬硬件的加工中，并从精加工 领域扩大到半精加工领域，使切削加工效率大幅提高。铝合金是航空工业和汽车 工业广泛使用的重要材料，铝合金的高效加工是这两个工业部门的一项关键技术。 目前，由于广泛应用各种高性能p c d 刀具，使切削效率显著提高，最高切削速度已 达7 0 0 0 m m i n 。产品已从车刀、面铣刀扩大到立铣刀、钻头，铰刀、成形刀具等； p c d 还是加工石墨、合成材料等非金属难加工材料唯一适用的高效刀具。今后，随 着c b n 、p c d 刀具的推广应用，刀具品种将进一步增加，应用领域将进一步扩大， 在切削加工朝着高速、高效加工方向发展中起到领先作用。 山东大学硕士学位论文 1 2 2 涂层成为提高刀具性能的关键技术 刀具涂层技术近几年取得r 重大进展。化学涂层( c v d ) 仍然是可转位刀片的e 要涂层工艺，已开发出中温c v d 、厚膜a 1 2 0 。、过渡层等新工艺，在改进基体材料的 基础上，使c v d 涂层的耐磨性和韧性均得到提高；c v d 金刚石涂层也取得了较大进 展，提高了涂层表面光洁度，并进入实用阶段。目前，国外硬质合金可转位刀片 的涂层比例己达7 0 9 6 以上。在此期间，物理涂层( p v d ) 的进展尤为引人注目，在涂 层炉结构、工艺过程、自动控制技术等方面都取得了新进展，不仅开发了适用于 高速切削、干切削、硬切削的高耐热性涂层( 如超级t i a i n ) 以及综合性能更好的 t i a i c n 通用涂层和d l c 、w c 减摩涂层，而且通过对涂层结构的创新，开发了纳米、 多层结构，大幅度提高了涂层硬度和韧性。 p v d 涂层技术的新进展，显示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特优 势，通过对涂层工艺参数的控制和对靶材、反应气体的调整，可不断开发出新的 高性能涂层，以满足加工多样性的需要。涂层技术将成为提高和改善刀具性能的 捷径，有着十分广阔的应用前景。 1 2 3 刀具结构创新速度加快 随着制造业的高速发展，汽车工业、航空航天工业、模具工业等重点产业部 门对切削加工不断提出更高要求，推动着可转位刀具的持续发展。为汽车工业流 水线开发的专用成套刀具突破了传统的按需供刀、“闭门造刀”的做法，成为革 新加工工艺、提高加工效率、降低加工成本的重要工艺因素，发挥着重要的作用。 模具加工具有单件小批量生产、材料硬度高、型腔形状复杂、加工难度大、 金属切除量大、效率要求高、交货周期短等特点，模具工业的发展成为推动可转 位刀具结构创新的强大动力，促进了多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣 刀系统、择铣刀、大进给铣刀等高效加工刀具不断涌现。回顾上世纪9 0 年代以来 切削加工的发展历程，可看出模具工业是高速切削、硬切削、干切削等先进加工 技术的重要发源地之一。 为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要，开发出了结构新颖的 铝合金高速加工面铣刀等先进刀具。 与此同时，出现了各种新型可转位刀片结构，如用于车削的高效刮光刀片、 形状复杂的带前角铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等。 随着五轴联动数控工具磨床功能的完善及普及应用，使立铣刀、钻头等通用 刀具的几何参数进一步多样化，改变了标准刀具参数“千篇一律”的传统格局， 山东大学硕士学位论文 可适应不同的被加工材料和加工条件，切削性能也相应提高。一些创新的刀具结 构还可产生新的切削效果，如不等螺旋角立铣刀与标准立铣刀相比，可有效遏制 刀具的振动，提高加_ 亡光洁度，增大刀具的切削深度和进给速度。硬质合金丝锥 及硬质合金螺纹铣刀的开发将螺纹加工效率提高到高速切削的水平，尤其是硬质 合金螺纹铣刀，不仅加工效率高，而且通用性好，可显著降低刀具费用。 1 3 本课题的主要任务 1 3 1 活塞加工刀具现状及趋势 关于铝合金切削刀具及切削过程基础理论的研究近年来主要集中在以下方 面：金刚石刀具切削铝合金时的性能及磨损机理嘲，p c d 刀具切削铝合金表面质量， 表面微观形貌及形成机理”“”，超精密及纳米切削。埘等。在铝活塞加工方面，以 前占主导地位的高速钢刀具已经基本上退出活塞加工领域，由于铝合金强度、硬 度较低，因此硬质合金在加工铝活塞时具有较高的性能价格比，是铝活塞加工刀 具的主导材料。 随着铝合金含硅量的提高、刀具材料、刀具技术和金属切削机床的发展，新 型超硬刀具材料不断地被用于活塞加工，解决了不少活塞加工中的难题，例如在 高硅铝活塞加工中，硬质合金极易磨损，最终的精加工几乎离不开金刚石刀具。 近年来，在铝活塞加工领域，p c d 刀具发展速度相当迅猛，前几年p c d 材料几乎依 赖于进口的局面，现在已经基本解决，国产的己基本满足生产需要1 。普通的硬 质合金刀具已不能满足活塞精加工的技术和质量要求，目前部分精加工工序所用 刀具已相继被聚晶金刚石( p c d ) 刀具取代。 1 3 2 存在的问题 我国活塞行业现行的刀具设计一般都是在普遍适用的理论和实践经验指导下 进行的。关于铝活塞加工过程和刀具磨损与设计等方面的专门研究开展得不够， 很少见到报导。生产实践中的许多具体现象很难用现有的通用理论给予令人满意 的解释。如：一般情况下切削铝合金的硬质合金刀具材料选择y g 6 或y g 8 ，而实际 情况下y d l 5 刀具却有更高的寿命；成型刀设计过程中一般认为刀具副后角为零时 会使切削条件恶化，应设法避免，但切削活塞环槽时硬质合金刀具副后角为零时 却能提高已加工表面质量，刀具也不会产生剧烈磨损。 国内活塞加工企业已开始在部分工序上应用p c d 刀具加工活塞，但仅限于活 山东大学硕士学位论文 塞外圆和销孔的加工，对于环槽的加工还是个空白“”，原因是环槽加工精度高， 刀具要求是成形刀，刀具制造、刃磨困难，因此p c d 刀具加工活塞环槽尤其p c d 槽刀的设计还有待探索。 1 3 3 主要任务 本课题主要任务是，以工厂实际生产情况为基础，通过试验选择比较理想的 硬质合金槽刀材料，研究精车活塞环槽整体硬质合金刀具副后刀面刃带宽度与刀 具使用寿命之间的关系，确定刃带宽度的最佳值；探讨副后刀面对己加工表面的 挤压机理。“后刀面零后角等宽棱面”的刀具设计思想对某些特殊刀具的设计可能 有一定的指导意义。 理论与实践相结合设计p c d 槽刀，确定其几何参数。刃磨是p c d 刀具推广应 用的关键，本课题结合p c d 刀具的刃磨机理，分析p c d 槽刀重磨后寿命降低的原 因。 某活塞环槽( 粗线部位) 加工工艺简图如图l - 2 所示。 图卜2 环槽加工工艺简图 山东大学硕士学位论文 第2 章内燃机活塞用合金材料 在发动机的各个部件中，活塞人概要算是承受应力和温度范围最宽的的一种 部件。他在发动机中必须承受一定范围的静应力和动应力，并承受从零下可能到 4 0 0 c 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。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。 2 1 对材料的要求 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 1 、比重小 由于活塞的运动方向不断改变，为了使惯性力尽可能小，这就要求活塞材料 的比重要小。铝的比重为2 7 9 c m 3 ，因此铝成为活塞用合金的基本元素。 2 、热膨胀系数“”小 活塞和铸铁缸套件的配合间隙是很小的，这就要求这两种元素的膨胀系数要 尽可能相近，只有这样才能保证发动机工作时，在所有温度范围内有一个良好的 配合间隙。缸套材料铸铁的膨胀系数约为9 x l o 一6 m m ，纯铝为2 4 x 1 0 6 m m ，通 过添加适当的合金元素，特别是硅，可将活塞用铝材料的热膨胀系数降低到1 7 x t o - = = 。( 余下的这一差值，现在一般是通过浇入可控膨胀钢片来加以补偿。) 3 、好的耐磨性 活塞环是为封闭高压燃气和提供润滑油而设置的，在工作时会对活塞的环槽 造成磨损。因此，环槽区的耐磨性比裙部和销孔重要的多，因为大多数活塞是环 槽区的磨损限制了活塞使用寿命，故合金的耐磨性是重要的。 4 、好的机械性能 气体作用力和惯性作用力作用于活塞顶、销座和环槽区，使之在高温时承受 交变载荷。铜、镁、硅加入到铝合金中，可以增加经过热处理后活塞合金的机械 强度。 5 、好的热传导热性 既要考虑到活塞的机械强度，又要照顾到活塞的尺寸稳定性，这就要求活塞 的导热性非常好。活塞所用铝合金的导热性约为灰口铸铁的3 倍，这么高的导热 能力使得熔点为6 0 0 c 的铝合金在于峰值温度高达2 0 0 0 的高温燃气相接处的情 况下仍能正常工作。这时燃气的平均温度为7 0 0 ( 3 ，活塞用铝合金能将高热负荷区 山东大学硕士学位论文 域的热很快地传递给冷却油和周围的曲柄连杆机构部件，以免过热。 6 、好的加工性能 内燃机活塞是精密产品，它必须满足尺寸精度和高得表面质肇要求。活塞用 合金具有特有的组织机构，即在相对软的基体材料中含有硬的晶体，因此加工时 所用刀具的载荷也非常高，必须通过冶金上的措施，使硬的组织成分变得尽可能 细且分布均匀。 2 2 活塞用铝合金 根据以上所提出的要求，在活塞用铝合金的发展过程中形成了三种合金类型， 他们主要根据硅含量的高低来划分。 共晶合金( 硅含量约1 2 ) 过共晶合金( 硅含量约1 8 ) 高硅合金( 硅含量约2 5 ) 滨州活塞集团常用的铝活塞合金部分性能见下表2 1 “”。 表2 - 1 材料牌号及其性能 材料机械物理性能 序号 相同材料 牌号 比重强度( m p a )硬度( h b ) lb h l l l2 81 6 6 69 5 1 3 00 0 3z l l l 0a l l o 2朋1 1 2a c 8 b 2 7 42 1 3 79 5 1 3 00 0 2 5 3叫1 1 2 aa c 8 cs a e 3 3 2 4b h l l 32 7 l3 2 3 49 5 1 3 0 0 0 2 a - 3 8 y 1 1 2 5b h l 2 10 0 3z l l 0 8s a e 3 2 8 2 7 31 9 6 1 29 5 1 3 0 6b h l 2 1 a0 0 2 5z l i o s g 7b h l 2 20 0 3z l l 0 9 2 71 9 6 1 29 5 1 3 0 8b h l 2 2 a0 0 2 5z l l 0 9 g s a e 3 2 1 9明1 2 32 71 9 6 1 29 5 1 3 00 0 36 6 - 1 1 0b h l 3 la c 9 b m a h l e l 3 8 2 6 81 9 6 1 2 9 5 1 2 5 o 0 2 1 1b h l 3 2a c 9 am a h l e 2 4 4 1 2b h 2 1 l2 7 42 0 51 0 00 0 2 c 5 as a e 3 9 1 、b h l l l ( 相当于国标z l l l o ) 属铝铜硅合金，该材料含铜量较高而含硅量较低，比重较大而且膨胀系数较 大，属于淘汰材料。目前还在空压机、气泵、制冷机等工作效率要求不高的机型 上采用。其加工性能较好。 山东大学硕士学位论文 2 、阴1 1 2 及b h i l 2 a ( 相当于日本a c 8 ba c 8 c ) 属亚共晶a 卜s i 合金，与共晶a i - s i 合金相比，硅含量稍低。一方面可以省 去精炼时的变质处理，即可消除组织中的板条状共晶硅，从而提高了材料的常温 强度。同时避免了因钠盐变质而使合金流动性变坏造成的铸造废品率高的问题。 此外，可省去热处理时的固溶处理，减少铸件内部的应力变形，同时减少能耗并 提高生产率。其加工性能也较好。 3 、b h l 2 1 、b h l 2 1 a 、b h l 2 2 、b h l 2 2 a ( s a e 3 2 1 、a c 8 a 、m a 甩e 1 2 4 、i ( s 1 2 7 5 、c m l 3 、 a e 2 5 等) 属共晶a l s i 合金，膨胀系数小，耐磨性好而且比重小。从综合性能方面来看 是比较理想的活塞材料，目前应用最为广泛。不进行磷变质时，其金相组织为树 枝状的c 【i 司溶体和( a + s i ) 共晶体组成的亚共晶型组织。共晶硅呈细粒状或粗片状， 见图2 一l 。 磷变质后共晶体上均匀分布着小块状的初晶硅，共晶硅呈粗短条或短杆状， 见图2 2 。据有关材料介绍，这有利于材料耐磨性和高温强度的提高以及膨胀系 数的降低。因此，作为活塞材料，这才是适宜的。目前我公司应用最多的铝合金 材料是b h i l 2 a ，其切削加工性能比b h l l l 、b h l l 2 及b h i l 2 a 要差得多。铝合金材 料机械加工性的优劣主要取决于初晶硅的析出程度，析出的初晶硅越多，晶粒越 大，机械加工性越差“”。 4 、b h l 3 1 、阴1 3 2 ( 相当于日本a c 9 a 、a c 9 b ，德国m a n e l 3 8 、m a i i l e 2 4 4 ) 属过共晶( 高硅) a l s i 合金，过共晶铝硅合金的常温组织是初晶硅加共晶 组织。在未经变质处理的共晶铝硅合金中，硅呈粗大针状，严重影响合金的力学 性能。变质处理能有效地改变共晶硅的形状，使其呈细小球状分布，合金的力学 性能大大提高。由于过共晶合金含有大量的初晶硅，除了要进行共晶硅变质处理 以外，还要进行初晶硅变质处理。初晶硅细化是使过共晶铝硅合金具有使用价值 的关键。初晶硅硬而脆( 显微硬度9 0 0 h v - - 1 3 0 0 h v ) ，当均匀弥散分布时，作为硬质 点可以提高合金的耐磨性，还能在一定程度上阻止位错在基体滑移面上的滑移， 使合金强度提高，同时，对共晶基体的切削加工性能影响较小。但若呈粗大板条 或针片状大量分布则会严重割裂基体，使合金失去必需的使用性能，也使合金的 切削加工非常困难“”。因而，尚未在工业上大量应用。近年来，由于科学技术的 发展，需要采用线膨胀系数很低和耐磨性很高的铝合金材料来制造内燃机活塞， 又由于有了改善初晶硅形态的处理方法，切削技术及刀具材料也有了更快的发展， 才使得过共晶铝硅合金在生产上得以应用。随着过共晶铸造铝合金的发展，合金 中硅的含量已从初期的1 4 1 8 提高到2 2 - 2 6 ；由简单的铝硅二元合金发展到含有 多种其它合金成分，如：c u ，m g ，n i ，蜘，c o ，t i ，b i 等多种过共晶a 卜s i 合金， 山东大学硕士学位论文 图2 - i 未进行磷变质时共晶a i - s i 合金的金相组织 图2 2 进行磷变质时共晶a 卜s i 台金的金相组织 以便在保证高耐磨性的前提下，提高合金的强度、塑性、高温强性以及改善其加 工工艺性能等。该类合金的热膨胀系数、耐磨性、高温强度、体积稳定性等关键 指标比共晶a l s i 合金的b h l 2 1 a 、b h l 2 2 a 更好。随着含硅量的增加，初晶硅数量 增多，而且有时粗大( 变质不好) ，使切削加工性能随之降低，所以目前仅用于直 径较小的高性能摩托车活塞。 相同硅含量的过共晶铝硅合金当组织不相同时( 如图2 3 所示) 其切削加工 性能有很大的差别，组织中初晶硅的大小、形状和分布状况对刀具寿命、切屑形 成、加工表面质量等方面都有很明显的影响。具有细小、分散而形状圆钝化初晶 硅的过共晶铝硅合金有比较好的切削加工性能，切屑变形相对较大，切削过程中 硅块容易协同基体变形和被压入基体，刀具受磨料机械磨损的作用轻微，寿命较 长，已加工表面粗糙度较小，加工硬化明显；切削具有粗大初晶硅的过共晶铝硅 合金时，切屑薄而短，在剪切变形区硅块大量碎化，切削表面的硅块受刀具冲击 山东大学硕士学位论文 挤压发生解理或脱落、位移，由于直接与刀具发生强烈的摩擦而使刀具很快发生 径向磨损，同时在已加工表面上存留许多缺陷，外观呈亮暗花斑分布，加工硬化 很不均匀。用金刚石等高硬度刀具切削加工具有粗大初晶碎的过共晶铝硅合金时， 才能获得比较好的刀具耐用度和己加工表面质量。 ( 1 ) 初晶硅细密 ( 2 ) 初晶硅粗大 图2 - 3 相同硅含量的过共晶铝硅合金组织不相同 5 b 1 2 1 1 ( a c 5 a 、s a e 3 9 ) 属铝铜合金，热膨胀系数大( 则配缸间隙大，相对窜气、窜油量大、噪音大、 油耗高) ，但其高温强度高，工作可靠，所以目前还在采用，多用于载重车或工程 机械上。此外，该材料收缩率大，铸件易形成热裂，铸造模具应形成一个很好的 顺序凝固的温度梯度，以利于补缩。其切削加工性适中。 2 3 铝活塞用合金材料的切削加工性分析 每一品种刀具材料都有其特定的加工范围，只能适用于一定的工件材料和切 削速度范围“8 。不同的刀具材料和同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往 山东大学硕士学位论文 存在很大的差别，例如：加工铝活塞时，金刚石刀具的寿命是硬质合金刀具寿命 的几倍到几十倍；硬质合金刀具加工含硅量高、中、低的铝合金时其寿命也有很 大的差别。所以，合理选用刀具是成功进行切削加工的关键2 “。每一种刀具材料 都有其最佳的加工对象，即存在切削刀具与加工对象的合理匹配问题。切削刀具 与加工对象的匹配主要是指二者的力学性能、物理性能和化学性能的匹配，以获 得最长的刀具寿命和最大的切削加工生产率。 制造活塞最常用的合金是共晶铝硅合金，牌号为b h l 2 2 a ( z l l 0 9 ) ，该合金的 化学成分及主要力学性能如表2 2 所示。 表2 - 2 共晶铝硅合金b h l 2 2 a 化学成分及含量 s i c u 1 4 9 m na l 1 l 1 3 1 0 2 o 0 4 i 0 0 3 0 9 余量 主要力学性能“”： 抗拉强度：1 9 6 m p a ，硬度：h b 9 5 1 3 0 。 评价铸造铝合金切削加工性的优劣，要看其初晶硅的含量和形态，初晶硅硬 而脆，其硬度达到i ，9 0 0 i i ，1 3 0 0 “”，当均匀弥散分布时，作为硬质点可提高材料 的耐磨性和强度，对共晶体的切削加工性能影响较小。切削具有粗大初晶硅的铝 合金时，在剪切变形区硅块大量碎化，硅块受刀具冲击挤压发生脱落、位移，由 于直接与刀具摩擦使刀具很快磨损。z l l 0 9 是共晶铝合金，热处理后，硅呈小点状 或细小条状均匀分布，其初晶硅含量一般不超过3 5 ，而且合金的硬度和强度都 比较低，因此具有良好的切削加工性。 z l l 0 9 是典型的铸造铝合金，其强度、硬度比一般的钢铁材料要低。例如4 5 # 钢硬度鹏2 4 1 ，抗拉强度o 。5 9 8 m p a ，而用于制造活塞的z l l 0 9 硬度为 m 1 4 0 ， 抗拉强度o - ；，1 9 5 m p a 。由于硬度、强度低，一般情况下允许采用较大的切削用量， 切削时可以不使用切削液。但是硬度、强度低，材料抵抗塑性变形及划痕的能力 也差，己加工表面容易被切屑划伤。 铝合金的导热系数比钢铁要大，4 5 钢导热率为5 0 w k m ， 而铝合金为1 1 7 1 7 5w k m ，切削过程中切屑可带走大量热量，刀具磨损相对较小。这也是一般 车削铝合金可以不使用切削液的重要原因。 铝合金弹性模量较小，约为7 0 6 3 2 m p a ，而4 5 钢的弹性模量为1 9 6 2 0 0 m p a 。因此， 铝合金在切削力和夹紧力作用下，容易产生较大的弹性变形，使工件不易获得较 高的加工精度，而且会引起刀具后刀面和工件已加工表面之间的剧烈摩擦。 铝合金的线膨胀系数约为一般钢料的2 3 倍，因此热胀冷缩现象比一般钢铁材 料严重得多，这对加工精度会带来不利的影响。 共晶铝硅合金溶点为6 6 0 ，且温度升高后塑性很大。切屑流出时，在高温高 山东大学硕士学位论文 压作用下，切屑底层与前刀面的摩擦很大，滞流现象严重，易生成积屑瘤，使工 件的尺寸精度和表面粗糙度恶化，但对刀尖和刀具刃口有一定的保护作用。 切削铸迓铝合金的常用刀具是硬质合金和金刚石，粗加工一般选y g 6 硬质合 金，精加工选y g 8 或y d l 5 硬质合金，聚晶金刚石( p c d ) 刀具在精车( 镗) 铝合金 方面获得了广泛的运用。陶瓷材料与铝化学亲和力强，故不宜用来作切削铝合金 的刀具。涂层硬质合金在加工铝合金时并不能提高刀具耐用度1 ，主要原因是国 内所用的涂层材料对铝的亲和力较强。 车外圆时刀具几何角度的选择：铸造铝硅合金强度和硬度较低，导热性好、 溶点低，切削时切削力相对较小，切削温度不高，因此可选用较大前角的刀具， 但铝合金容易与刀具粘附，因此要求刀具刃口锋利，前刀面粗糙度值要低。较大 前角可使刀具刃口锋利，减少切削变形，减少切屑与前刀面的摩擦粘附，从而降 低切削力和切削热，提高刀具使用寿命，但过大的前角会使刀具强度和散热能力 过分减弱，反而使刀具使用寿命降低。由于铝合金弹性模量小、硬度低，容易产 生弹性变形和塑性变形，如果刀具刃口钝圆半径r 。太大，特别是在薄切削层的情况 下，刃口挤压作用较大，会加剧刀具与工件之间的摩擦，从而加剧刀具磨损，降 低加工表面质量。 从减少刀具后刀面与工件摩擦的角度出发，切削铝合金的刀具应选用较大后 角，这是由于工件材料弹性模数小而线膨胀系数大，由弹性恢复和热胀现象造成 的后刀面与加工表面的摩擦特别严重的缘故。当然，后角越大，刀刃的径向磨损 越快，因此副后角过大时，对加工尺寸精度会产生较大影响，在精加工时尤为突 出。 选择主偏角往往要考虑工件形状。铝合金弹性模数小，刚性较差，采用较大 的主偏角可减少径向切削力，从而减小变形和振动，当工件刚性差时尤为如此。 增大主偏角还能使切屑变得厚而窄，容易断屑和排屑，这对比较韧软的铝合金的 切削非常有利。 2 4 小结 活塞用铝硅合金是在金属基体铝( a i ) 中加入硅( s i ) 形成的a l s i 合金， 合金中又加入c u 、 i g 、n i 、c o 、t i 、b i 等成分，以便在保证高耐磨性的前提 下，提高合金的强度、塑性、高温强度以及加工工艺性能等“”。该类合金具有重 量轻、比强度和比刚度高、剪切强度高、热膨胀系数低、良好的热弹性和导热导 电性能、良好的抗腐蚀、耐磨损性能等一系列优点。但随着含硅量的增加，初晶 硅数量增多，形成硬质点颗粒，均匀分布在合金基体中，基体和颗粒共同承受载 山东大学硕士学位论文 荷，颗粒的作用是约束合金材料中的基体变形，并使合金材料的基体硬化。这种 合金材料是各向同性的，其应力应变关系曲线为连续曲线或有明显的屈服点。 铝硅合金巾的颗粒增强相使合金材料具有较高的硬度和耐磨性，组织中初晶 硅的大小、形状和分布情况对刀具磨损、刀具寿命、切屑形成过程和活塞加工表 面质量等方面都有很明显的影响。在含硅量相同的条件下，具有细小、分散而形 状圆钝化初晶硅的铝硅合金有比较好的切削加工性能，切屑变形较大，在切削过 程中硅粒子容易协同基体变形或被压入基体，刀具受磨料机械磨损作用较轻微， 刀具寿命较长，工件加工表面质量也较高。切削加工具有粗大初晶硅的铝硅合金 时，切屑短，在剪切变形区硅块大量碎化，加工表面的硅块受刀具冲击挤压发生 位移或脱落，与刀具直接发生强烈摩擦而使刀具磨损加剧，同时在活塞已加工表 面上存留许多加工缺陷，对加工刀具提出了更高的要求。 o 山东大学硕士学位论文 第3 章活塞环槽的工艺要求及加工特点 活塞头部有数道环槽，用以安装活塞环，起密封作用。柴油机压缩比岛，一 般有四道环槽，上部三道安装气环，下部安装油环。汽油机一般有三道环槽，其 中有两道气环槽和一道油环槽，在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从 气缸壁上刮下的机油经过这些小孔流回油底壳。活塞环槽的精度对活塞环的密封 性和活塞的使用寿命有很大的影响，因此活塞环槽的加工精度要求很高，环槽加 工成为了活塞加工中重要工序之一。活塞环槽的精度包括环槽侧面的垂直度、圆 跳动、粗糙度和槽宽的尺寸精度、槽侧面的表面粗糙度。在加工这种环槽时，刀 具的切削环境不好，工艺复杂，为达到加工要求，需多工步切削加工。 3 1 铝活塞环槽性能及要求 活塞环槽是活塞比较重要的加工特征之一，活塞环槽的质量是活塞和活塞环 合理选配应用的保证，活塞环槽过宽，活塞环边间隙过大，不但起不到刮油的作 用，而且“泵机油”，造成烧机油，引起飞车。活塞环槽过窄，活塞环放不进去， 即使放进去，由于间隙小，活塞环卡死，无法弹性膨胀，起不到密封的作用。垂 直度、平面度、槽侧粗糙度超差都会使得活塞环与环槽之间的密封性能降低，造 成窜气量大，机油消耗大，排放恶化，发动机性能降低。 活塞环槽的尺寸公差一般都在0 0 2 衄以内，见图3 - i 。 g b t 1 1 4 8 9 3 内燃机铝活塞技术条件对活塞环槽形位公差还有以下技术要 求： ( 1 ) 、环槽上、下两平面各素线对裙部轴线的垂直度为2 5 ：o 0 7 。 ( 2 ) 、环槽上、下两平面对裙部轴线的端面圆跳动为0 0 5 衄。 ( 3 ) 、环槽上下平面的平面度应符合表3 - 1 规定。 表3 - ig b t 1 1 4 8 - 9 3 内燃机铝活塞技术条件环槽平面度要求( m m ) 活塞直径平面度 1 5 0 o 0 1 5 1 5 00 0 2 5 3 2 铝活塞环槽的加工工艺 活塞环槽尺寸小，但加工精度要求高，对车刀来说，一次加工难于保证加工 质量，工艺上一般安排两次加工，即粗加工阶段完成粗车环槽，待完成定位基准 山东大学硕士学位论文 面( 即定位止口) 精加工后，再对环槽精车至图纸要求。 活塞加工一般采用流水线加工，整个机械加工流水线大致分为粗加工和精加 工阶段。精车环槽工序一般包括、# 精车和精车两个工步，半精车工步的t 要f j 的 是减小精车工步的加工余量并使精车工步两侧余量均匀，以提高精车刀具的使用 寿命。常见活塞一般有2 - 4 道气环槽，一道油环槽，其结构如图3 - 1 所示：气环 槽宽度一般为1 5 - 3 m m ，深3 - 5 r a m ，油环槽宽度一般为3 - 5 m m ，深3 - 5 m m 。对环槽 加工的质量要求一般包括以下方面( 如图3 - 1 所示) ： 宽度误差，一般公差带为0 0 2 r a m ， 表面粗糙度，侧面一般为r a o 4 - 0 8 ，底面为r a l 6 - 3 2 ， 两侧面及底面的跳动， 两侧面波纹度， 两侧面与裙部轴线垂直度， 由于环槽宽度比较窄，加工精度要求又高，故实际生产中几乎只能用与环槽 等宽的成型车刀加工。 图3 - 1 某活塞的精车环槽工艺卡片 3 3 铝活塞环槽切削过程的特点 活塞环槽切削既有一般金属切削的共性，又有自己的切削特点。 山东大学硕士学位论文 3 3 1 金属切削的一般过程 金属切削过程，是通过切削运动，使刀具从工什表面上切除一层多余的或预 留的金属，形成切屑和已加工面的过程，从而使工件的形状、尺寸、位置和表面质 量等都符合预定的要求的过程。图3 _ 2 所示为刀具与工件相对运动示意图。根据工 件材料的性质( 塑性、脆性、强度等) 和切削条件的差别，金属切削状态可以分 为若干类型。 本文研究的是铝硅合金切削时的切削变形。切削变形过程中，工件和切屑在 刀具切削力作用下发生各种弹性和塑性变形。经典理论把切削变形划分为三个变 形区伽3 ，如图3 3 所示，第一变形区的主要特征是变形区的金属沿滑移线的剪切变 形以及随之产生的加工硬化。从o a 线( 始滑移线) 金属开始发生剪切变形，到o m 线( 终滑移线) 金属晶粒剪切滑移基本结束，a o m 区域叫第一变形区。是切屑变形 的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。第二变形区( i i ) 是 刀屑接触区。切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶粒进一 步剪切滑移。特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀面，有时 有滞流层。第三变形区( i i i ) 刀工接触区。已加工表面受到刀具刀口钝圆和后 刀面挤压和摩擦，晶粒进一步剪切滑移。有时也呈纤维化，其方向平行已加工表 面，也产生加工硬化和回弹现象。三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又 复杂，三个变形区内的变形又相互影响。 图3 2 工件与刀具的相对运动图图3 3 金属切削过程中滑移线和流线示意图 被切金属在靠近刀刃的地方，除了在前刀面和刃口推挤作用下发生的剪切滑 移变形外，同时存在靠近刀刃尖端处发生的切屑与工件之间分离撕裂的过程。由 于刀具