过共晶Al-22Si合金的切削加工性能研究

王志广,顾恒恒,冯冠华

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

过共晶Al-22Si合金的切削加工性能研究

王志广,顾恒恒,冯冠华

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

采用金属铸造法制备过共晶Al-22Si合金试样块，在光学显微镜上观察细化变质后过共晶Al-22Si合金的微观组织形貌，并测试其布氏硬度值和铣削表面粗糙度.通过正交试验探究轴向切深、进给量、铣刀转速对铣削力的影响.实验结果表明：细化变质后的过共晶Al-22Si合金初晶硅尺寸减小，共晶硅呈短棒状，合金硬度很高，铣削表面粗糙度较小；在铣削加工中，铣刀转速对合金铣削力的影响最大，其次是轴向切深，最小的是进给量.

过共晶Al-22Si合金；粗糙度；硬度；铣削力

过共晶铝硅合金具有密度小、比强度高、轻质、耐磨等特点，主要应用于汽车发动机活塞和车架、飞机壳体等，在机械行业的应用日益广泛[1-2].但是，铝硅合金在车、铣削加工过程中有严重的黏刀倾向，常常在前刀面上形成非常坚硬的金属堆积物.这种堆积物被业界称为积屑瘤.积屑瘤在切削过程中不稳定，当它生长到一定高度后，就会发生脆裂，被积屑带走从而消失，之后又会开始生长，如此从小到大，周而复始地循环.它时现时失，时大时小，使被切削工件的实际切削厚度不断改变，造成工件表面的高低不平，降低工件的加工尺寸精度，增加工件的表面粗糙度，甚至会在工件表面产生应力集中而降低零件的机械强度.因此，研究强度高、机械加工性能优良的过共晶铝硅合金具有极其重要的意义[3].

本文拟通过正交试验法，研究进给量、铣削转速、铣削厚度对过共晶Al-22Si合金铣削力和表面粗糙度产生的影响.

1 试验材料与方法

采用金属铸造法制备的试验材料的化学成分如表1所示.首先将适量纯铝、硅块、镍、锰、铜放入SG2-7.5-12坩埚式电阻炉中，加热到800 ℃，全部熔化后充分搅拌，然后将变质剂Al-P投放到坩埚中，充分搅拌，并静置5 min，将熔液浇注入金属模具中，待冷却后从模具中取出，并将获得的试验材料自然时效处理.当铝和硅全部熔化后，先将不易烧损的锰、铜放进坩埚中，熔化后充分搅拌，再将海绵钛放入坩埚，直至钛熔化后再次充分搅拌，之后将镁放到漏勺里，压进坩埚底部熔化，再次搅拌5 min之后，添加0.2%的稀土和0.8%的Na3PO4进行复合细化变质处理，10 min后用铝箔包覆六氯乙烷精炼，并保温15 min，充分搅拌并扒出炉渣，最后浇铸到金属模具中.金属块冷却至常温，48 h后在480 ℃条件下固溶2 h，取出试件，在20 ℃水中淬火，并在190 ℃条件下人工时效10 h.

表1 Al-22Si合金的化学成分 wt%

将过共晶Al-22Si合金制成φ10×20的试样块，在PG-2B型抛光机(抛光盘直径为220 mm，抛光盘转速为900 r/min)上进行抛光，然后在AFT-DC130光学显微镜下观察其金相组织.在HB-3000布氏硬度计上使用直径为5 mm的钢球压头，加载500 kg，保持时间30 s，卸载后用JXD-2显微镜测出所得压痕的直径，对照布氏表，查出硬度值.在X5646/1型立式滑枕升降台铣床上测量过共晶Al-22Si合金的铣削力时，设定铣削的两种情况如下：轴向切深分别为0.4 mm、0.8 mm；进给量分别为100 mm/min、200 mm/min；铣削转速分别为470 r/min、650 r/min.

2 试验结果及分析

2.1 合金组织分析

图1所示为过共晶Al-22Si合金的微观组织形貌.从图1可以看出，合金中初晶硅分布均匀，且棱角钝化，其形态呈四边形或相对规则的五边形，平均轮廓尺寸为40-50 μm，未出现初晶硅棱角尖锐、形貌粗大现象，多为五瓣星形或板片状初晶硅[4].共晶硅呈短棒状，弥散分布于基体表面，没有出现尺寸粗大且呈长针状的共晶硅组织[1].这是由于P元素与Al元素作用生成了AlP，其晶格常数为5.45，与Si 的晶格常数5.42相近，且AlP与硅的晶型均为金刚石型点阵，具有异质晶核作用，使初晶硅细化.共晶硅细化是由于稀土具有细化共晶硅的作用，加之应用T6热处理后，共晶硅产生缩颈熔断，最终由长针状变为短棒状.

图1 Al-22Si合金的金相组织

2.2 合金的硬度

过共晶Al-22Si合金的布氏硬度值达到了145 HBW，大于文献[5]中介绍的未变质合金硬度127 HBW.这是因为添加细化剂Al-3%P后，过共晶铝硅合金中细小的初晶硅硬质颗粒被牢固地镶嵌在基体中，有效地抑制了细小初晶硅与基体之间裂纹的萌生和扩展，而且，热处理后过共晶铝硅合金中球化的共晶硅也能够有效抑制裂纹的形成.由于合金基体中裂纹减少，基体密实度增加，因此合金的硬度增加.

2.3 合金的铣削表面质量

图2所示为过共晶Al-22Si合金在轴向切深为0.8 mm，进给量为200 mm/min，铣削转速为470 r/min条件下的铣削表面质量.从图2可以看出，合金的表面由刀刃切削而成，刀痕清晰，整个表面为比较均匀的灰白色，除细密鳞刺外无其他明显缺陷.测得合金已加工表面的粗糙度为0.928 μm.过共晶Al-22Si合金的铣削表面质量较高，是因为合金经过复合变质后，初晶硅细小且分布均匀，每个硅颗粒与基体的黏合面积较小，减小了对基体造成的应力集中.虽然硅晶体的硬度(800-1 300 HV)比硬质合金的硬度(1 800 HV)低得不多，但只要有数百微米的切削层深度，切削时绝大多数硅粒会被包埋在基体中并随之变形.即使刀刃正面遇到突出的初晶硅，也会将之压入切屑底部或已加工表面，最终使已加工表面除了有较小的鳞刺外，没有出现其他明显缺陷.

图2 Al-22Si合金铣削表面质量

2.4 铣削因素对合金铣削力的影响

图3所示为铣削过共晶Al-22Si合金时铣削力的L4(34)正交试验数据.从图3可知，影响铣削力的因素有3个：轴向切深A、进给量B、铣削转速C，每个因素有两个变量1和2，A的两个变量为0.4 mm和0.8 mm，B的两个变量为100 mm/min和200 mm/min，C的两个变量为470 r/min和650 r/min.于是，1号方案为A1B1C1，2号方案为A1B2C2，3号方案为A2B1C2，4号方案为A2B2C1.

图3 测试过共晶Al-22Si合金铣削力的L4(34)正交试验数据

采用极差分析方法时，主要通过极差值来反映各因素的重要性，即极差越大的因素重要程度越高.对于X方向的铣削力，因素主次顺序应为C>A>B；对于Y方向的铣削力，因素主次顺序应为C>A=B；对于Z方向的铣削力，因素主次顺序应为A=B=C.可见，在3个铣削因素中，主轴转速对铣削力的影响最大，其次是轴向切深，最小的是进给量.分析可知，A因素的水平Ⅰ和Ⅱ均只出现了1次，它们出现的机会均等，可以得出结论：A因素的水平Ⅰ和Ⅱ之间没有相互干涉，同时B因素也不会影响到A因素的水平Ⅰ和Ⅱ两个值，而两个数值不同是由各因素水平变化引起的.同理，B、C两个因素也和A因素的分析一样.

通常希望材料的铣削力越小越好，因此进行铣削试验时，主轴转速的选择是首要考虑的问题.多次铣削试验的结果表明，当铣削时轴向切深、进给量、铣削转速中有两个因素固定而另一个因素改变时，铣削力随着转速的增加而减小，随着轴向切深和进给量中任一因素增加而增大.极差分析的结果说明，铣削材料时，在铣削条件允许的情况下，应当首先采用较高的铣削速度，并在轴向切深一定的情况下选择较大的进给量.

3 结束语

试验研究表明，过共晶Al-22Si合金中初晶硅呈四边形或相对规则的多边形，且棱角钝化，平均尺寸为40-50 μm；共晶硅细小弥散分布，呈短棒状形态.合金具有较高的硬度和较小的铣削表面粗糙度.当铣削过共晶Al-22Si合金时，对合金铣削力影响最大的是主轴转速，其次是轴向切深，最小的是进给量.

[1] 张金山，许春香，韩富银．复合变质对过共晶高硅铝合金组织和性能的影响[J].中国有色金属学报，2002,12(S1):107-110.

[2] 胥 锴，刘徽平，袁帮谊,等．过共晶铝硅合金变质处理的研究进展[J].金属铸锻焊技术，2009,38(3):31-35.

[3] 顾恒恒，水 丽.TiB2和Cu对过共晶Al-18Si合金切削性能的影响[J].工具技术，2016,50(7):41-43.

[4] 魏长传.变质处理对4032铝合金组织的影响[J]. 有色金属加工，2011,40(6):13-16.

[5] 许长林，方建儒，杨亚峰，等.变质及热处理对过共晶铝硅合金组织与滑动磨损性能的影响[J].金属加工，2009(15):23-25.

Milling Performance of Hypereutectic Al-22Si Alloy

WANG Zhi-guang,GU Heng-heng, FENG Guan-hua

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

This paper mainly researches on the influences of milling depth, feed rate, milling speed on milling force through orthogonal experiment by studying the microstructure of the Al-22Si alloy, and testing the Brinell hardness value & milling surface roughness. The results show that the size of primary silicon is decreased and the eutectic silicon is granular. The alloy has a high hardness and a small milling surface roughness. When milling, the alloy spindle speed will have the largest effect on alloy milling force and then is axial cutting depth & feed rate.

hypereutecticAl-22Si alloy; roughness;hardness; milling force

2016-09-15

王志广(1988-)，男，河北邯郸人，硕士研究生，研究方向为现代设计理论与应用技术.

1006-3269(2016)04-0030-03

TG146.2；TH161

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.007