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(chǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)
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(wú)法完成。為此，專門購(gòu)買了金剛石鉆頭與德國(guó)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(yáng)極化、本色陽(yáng)極化和黃色陽(yáng)極化處理(見圖9)。陽(yáng)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(chǎng)如圖13所示。
圖13 平面磨床磨削加工現(xiàn)場(chǎng)
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)。