導(dǎo)語：汽車活塞增強(qiáng)層材料機(jī)械加工性能探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為解決加工質(zhì)量差、精度低等問題，本文針對(duì)汽車活塞增強(qiáng)層材料機(jī)械加工性能做出了進(jìn)一步探究，提出了試驗(yàn)方法、檢測(cè)措施，進(jìn)而提出了方案，可為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車活塞；增強(qiáng)層材料；機(jī)械加工

一般來說，制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)應(yīng)用Al-Si鑄造合金制成，有的會(huì)在第一道環(huán)槽中，對(duì)高鎳鑄鐵環(huán)進(jìn)行鑲嵌，并將耐熱鋼鑲嵌在活塞頂部。之后通過復(fù)合材料的使用，如氧化鋁或氧化鋁和二氧化硅短纖維鋁基復(fù)合材料，可強(qiáng)化活塞零件的環(huán)槽以及頂部，這樣產(chǎn)生的新型活塞便會(huì)升級(jí)換代。因?yàn)樘沾稍鰪?qiáng)相產(chǎn)生的作用，能夠使部位具備有耐磨性以熱穩(wěn)定性有效提升，以此將早期磨損引發(fā)的失效問題徹底解決，進(jìn)而延長(zhǎng)活塞的應(yīng)用壽命。針對(duì)增強(qiáng)型活塞的應(yīng)用，內(nèi)部存在的Al2O3（SiO2）/Al鋁復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)便是，熱膨脹系數(shù)非常低、高溫強(qiáng)度高等。但是，對(duì)于新型活塞開展工業(yè)化推廣的過程中，還有很多阻礙因素，例如：制備復(fù)合材料以及活塞的加強(qiáng)工藝還需要提升，價(jià)格也比較高。實(shí)施機(jī)械加工復(fù)合材料有大的困難。第一種困難正在逐步克服中，但第二種困難，因?yàn)樘沾稍鰪?qiáng)相具有很高的硬度和強(qiáng)度，所以刀具的磨損會(huì)非?？?，很難把控好加工的質(zhì)量以及精度，特別是精密加工的開展，更是難上加難。因此，本文針對(duì)汽車活塞增強(qiáng)層材料機(jī)械加工性能給出了如下分析。

1試驗(yàn)方法及檢測(cè)

對(duì)于試驗(yàn)內(nèi)容的開展，選用的金剛石數(shù)控車床為HCM-I型精密數(shù)控車床。準(zhǔn)備好的材料包括：Al2O3（SiO2）/Al、增強(qiáng)相Al2O3、SiO2。其中，有22%以及3%的體積分?jǐn)?shù)，直徑范圍（0.1~1.5m），長(zhǎng)度范圍（10~100m）。在試驗(yàn)中，應(yīng)用的所有切削刀具都是聚晶金剛石刀具PCD[1]。試驗(yàn)的開展，具體參數(shù)為，選取vc=65~300m/min的切削速度，挑選5個(gè)速度值開展相應(yīng)的試驗(yàn)。取f=0.8μm/r、2.0μm/r、4.0μm/r、6.0μm/r等4個(gè)速度級(jí)作為進(jìn)取量。選取ap=2μm、3μm、6μm、9μm、12μm共5個(gè)等級(jí)作為背吃刀量。檢測(cè)工具的選擇中，針對(duì)表面粗糙度的測(cè)量，應(yīng)用Talysurf-6型表面輪廓儀。對(duì)于已經(jīng)完成加工的表面開展微觀形貌分析時(shí)，選用原子力顯微鏡和電子掃描顯微鏡[2]。

2試驗(yàn)結(jié)果以及分析

2.1加工表面的質(zhì)量分析

2.1.1已加工表面開展微觀形貌分析分析Al2O3（SiO2）/Al已加工表面AFM形貌掃描圖和拔出不同方向Al2O3后凹坑的AFM形貌掃描圖，對(duì)于已經(jīng)加工的表面微觀形貌進(jìn)行觀察時(shí)，使用原子力顯微鏡。前者可觀察到增強(qiáng)相Al2O3，通過PCD刀被切斷之后的狀態(tài)。后者為增強(qiáng)晶須與已加工表面平行，拔出刀具之后留下的凹坑。在后者中，可以看見，增強(qiáng)晶須與已加工表面垂直，拔出刀具之后留下的凹坑[3]。通過電子掃描顯微鏡，可以得到需要的加工表面圖像，其中Al2O3（SiO2）/Al鋁復(fù)合材料，對(duì)已經(jīng)加工的表面進(jìn)行精密切削，包括：因?yàn)榈毒叻浅ｄh利，可將增強(qiáng)相直接切斷，進(jìn)而留下斷頭。拔出增強(qiáng)相，會(huì)有相應(yīng)的孔洞以及凹坑留下。在后者形貌掃描圖中，在與切削方向構(gòu)成一定角度之后，拔出水利方位的增強(qiáng)相之后，出現(xiàn)的凹坑。在凹坑的右側(cè)，存在的白色突起物質(zhì)，為增強(qiáng)相推擠鋁基體之后，出現(xiàn)的駝峰[4]。在后者形貌掃描圖中，為與切削表面相互垂直的增強(qiáng)相，或者將大聚集物在復(fù)合材料中拔出，產(chǎn)生的大型凹坑。在切削增強(qiáng)相當(dāng)中，被刀具壓碎的部分，會(huì)在已經(jīng)加工的表面重新壓入，進(jìn)而有凹坑留下。鋁基體當(dāng)中，增強(qiáng)相被直接切斷產(chǎn)生的斷頭以及壓碎之后碎塊、脫落之后的積屑瘤碎片等很多的磨料耕犁，會(huì)沿著不同的切削方向，產(chǎn)生不一致的凹坑。由于推擠以及擦劃，造成的駝峰，形狀各不相同。此外，會(huì)沿著vc、f、ap不同的方向，出現(xiàn)溝痕，且高低不平。已經(jīng)加工的表面增強(qiáng)相四周，會(huì)由于集中起來的應(yīng)力，發(fā)生裂紋。此外，Al2O3界面會(huì)有破損情況。制作復(fù)合材料時(shí)，會(huì)使增強(qiáng)相存在聚堆的情況，所以切削表面鋁基體結(jié)合增強(qiáng)相之后，會(huì)使產(chǎn)生片狀鋁基體剝落降低[5]。2.1.2表面粗糙度的輪廓儀檢測(cè)對(duì)于不同的切削工況，會(huì)有不同的加工表面粗糙值。在評(píng)定粗糙度值的范圍當(dāng)中，例如：垂直方向有0.5m/格，評(píng)定的長(zhǎng)度為0.25mm×5。其中，在將切削速度提升之后，表面的粗糙度開始減小，這一點(diǎn)一致于45鋼切削時(shí)的規(guī)律。2.1.3影響表面粗糙度值的因素分析對(duì)比切削鋁基體材料，Al2O3（SiO2）/Al采用的精密切削，已經(jīng)加工的表面粗糙度數(shù)值，受到的影響因素會(huì)更多一些，如果將相切削變形的破壞形式加強(qiáng)，強(qiáng)化切削的用量、PCD刀具刃口鈍圓半徑rn、材料自己的屬性等，都會(huì)對(duì)表面粗糙度產(chǎn)生很大的影響[6]。其一，最關(guān)鍵的一項(xiàng)因素，是增強(qiáng)相因?yàn)榈毒咔邢靼l(fā)生變形，產(chǎn)生了破壞。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Al2O3被刀具直接切斷，凸出量產(chǎn)生的最大相，只有6.77nm，直徑為434.60nm。事實(shí)說明，屬于Al2O3的晶須。這是因?yàn)樵鰪?qiáng)相具有0.1~1.5μm的直徑范圍，對(duì)其表面粗糙度開展檢測(cè)時(shí)，數(shù)值為Ra6.35nm。將Al2O3拔出，會(huì)有凹坑量出現(xiàn)，其中差值最大為30.89nm，檢測(cè)中，存在Ra122.10nm表面粗糙度數(shù)值。對(duì)比分析可知，兩者相比，大概相差5倍，表面具有的粗糙程度，有20倍的差距。因此，切削材料當(dāng)中，加工表面的精度把控具備很大的困難。針對(duì)拔出之后存在的凹坑，即使最小的凹坑，范圍也有50~750nm。增強(qiáng)相與加工表面相互垂直被拔出，凹坑的深度，可以達(dá)到100m；其二，切削用量對(duì)表面粗糙度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在實(shí)驗(yàn)中，通過原子力顯微鏡，對(duì)一組表面粗糙度進(jìn)行了檢測(cè)，從數(shù)據(jù)中可以得出，表面粗糙程度會(huì)逐步減小，這與切削速度有著緊密的聯(lián)系。其中，鋁基體無論是彈性還是塑性變形，都開始減小，復(fù)合材料各相當(dāng)中的變相更加協(xié)調(diào)，減小了裂紋數(shù)量以及磷刺的數(shù)量。此外，在試驗(yàn)中還會(huì)發(fā)現(xiàn)，利用AFM獲取的數(shù)量，與粗糙度輪廓儀數(shù)據(jù)相比較，要更小一下，這一問題是由于評(píng)定范圍沒有輪廓儀大的原因。同時(shí)，PCD刀具的刃口鈍圓半徑也會(huì)影響表面粗糙度。只有比較小的鈍圓半徑，才會(huì)讓概率比較大的增強(qiáng)相，利用直接切斷的形式直接剪斷?？偟膩碚f，這類鋁復(fù)合材料，需要對(duì)大部分的Al2O3保障，使其被直接切斷，才能對(duì)精密級(jí)的加工表面進(jìn)行獲取。

2.2分析加工變質(zhì)層

2.2.1分析變質(zhì)層的形貌針對(duì)材料開展精密化切削時(shí)，與以往采用的粗加工形式相比較，力量方面、切削熱都要更完善一些，但是加工變質(zhì)層依然存在，只是相對(duì)薄一些。對(duì)于加工變質(zhì)層的觀測(cè)，借助SEM照片可以看出增強(qiáng)相的趨勢(shì)為破碎、細(xì)化，并且開始轉(zhuǎn)向切削的方向，之后會(huì)重新組合排列。加工變質(zhì)層主要有三層：其一為缺陷聚集層；其二為細(xì)化以及硬化層；其三為硬度衰減層。缺陷聚集層最突出的缺陷便是有孔洞以及裂紋[7]。2.2.2加工變質(zhì)層顯微硬度檢測(cè)與分析顯微硬度計(jì)的使用必不可少，會(huì)針對(duì)加工變質(zhì)層產(chǎn)生的顯微硬度做出非常細(xì)致的檢測(cè)，以此得出關(guān)系曲線圖，即顯微硬度與距表層深度。利用該關(guān)系圖的分析可以得出，與切削一般材料對(duì)比，共同點(diǎn)為，產(chǎn)生的加工變質(zhì)層深度，切削參數(shù)對(duì)其造成的影響會(huì)非常大。一旦vc、f和ap有所加大，都會(huì)使HV有所加大，顯微硬度在最高處，與地面的表面距離大概15μm處，但是在大概27μm處，顯微硬度與基體的硬度更加接近。切削表層當(dāng)中的顯微硬度，并不屬于最高的因素便是因?yàn)榍邢鞅砻鏈囟扰c里層相比較，會(huì)更高一些，所以會(huì)對(duì)鋁基產(chǎn)生松弛以及軟化的效果，降低鋁基體的位錯(cuò)密度，以至于減小的顯微硬度。變質(zhì)層增高內(nèi)部硬度的關(guān)鍵原因主要有：①在增強(qiáng)相的周圍，最顯著的區(qū)域?yàn)閮啥虽X基體，應(yīng)力集中并不小，所以切削鋁基體之后，有非常大的位錯(cuò)聚集密度存在，強(qiáng)化了硬度。②切削當(dāng)中，增強(qiáng)相由于存在的剪切應(yīng)力作用比較大，所以會(huì)有細(xì)化以及斷裂問題，進(jìn)而增大了硬度。③切削開展時(shí)，后刀面深入的區(qū)域需要直達(dá)工表面的第三變形區(qū)，鋁基體有塑性變形問題出現(xiàn)，以至于增強(qiáng)相發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，方向?yàn)檠厍邢鞣较?，所以硬度值?huì)有所加大。通過一系列的研究表明，一旦增強(qiáng)晶須開始有同一方向進(jìn)行排列的趨勢(shì)，CO數(shù)值便會(huì)越大，按照隨機(jī)方向排列的CO便會(huì)比較小。在對(duì)形成加工表面的過程中，變質(zhì)層中存在的增強(qiáng)晶須，沿著切削方向多次有所轉(zhuǎn)動(dòng)，使得CO值有所加大，所以變質(zhì)層的強(qiáng)度有所加大。

3結(jié)語

總之，PCD刀具對(duì)Al2O3（SiO2）/Al鋁復(fù)合材料進(jìn)行切削時(shí)，獲取的精密級(jí)已加工表面較為理想。增強(qiáng)晶須的概率比較大，Al2O3通過刀具被直接切斷，可進(jìn)一步保障精密加工的表面，增強(qiáng)須在拔出之后，可對(duì)表面粗糙度產(chǎn)生很大的影響，是主要因素。利用精密的切削工況，依然會(huì)有一層比較薄的加工變質(zhì)層出現(xiàn)，同時(shí)內(nèi)部具有的增強(qiáng)晶須，會(huì)沿著切削方向有所轉(zhuǎn)動(dòng)。

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作者：左冬曉 單位：河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院