汽车活塞增强层材料机械加工性能探讨

摘要：为解决加工质量差、精度低等问题，本文针对汽车活塞增强层材料机械加工性能做出了进一步探究，提出了试验方法、检测措施，进而提出了方案，可为相关人员提供参考。

关键词：汽车活塞；增强层材料；机械加工

一般来说，制造汽车发动机都会应用Al-Si铸造合金制成，有的会在第一道环槽中，对高镍铸铁环进行镶嵌，并将耐热钢镶嵌在活塞顶部。之后通过复合材料的使用，如氧化铝或氧化铝和二氧化硅短纤维铝基复合材料，可强化活塞零件的环槽以及顶部，这样产生的新型活塞便会升级换代。因为陶瓷增强相产生的作用，能够使部位具备有耐磨性以热稳定性有效提升，以此将早期磨损引发的失效问题彻底解决，进而延长活塞的应用寿命。针对增强型活塞的应用，内部存在的Al2O3（SiO2）/Al铝复合材料的优势便是，热膨胀系数非常低、高温强度高等。但是，对于新型活塞开展工业化推广的过程中，还有很多阻碍因素，例如：制备复合材料以及活塞的加强工艺还需要提升，价格也比较高。实施机械加工复合材料有大的困难。第一种困难正在逐步克服中，但第二种困难，因为陶瓷增强相具有很高的硬度和强度，所以刀具的磨损会非常快，很难把控好加工的质量以及精度，特别是精密加工的开展，更是难上加难。因此，本文针对汽车活塞增强层材料机械加工性能给出了如下分析。

1试验方法及检测

对于试验内容的开展，选用的金刚石数控车床为HCM-I型精密数控车床。准备好的材料包括：Al2O3（SiO2）/Al、增强相Al2O3、SiO2。其中，有22%以及3%的体积分数，直径范围（0.1~1.5m），长度范围（10~100m）。在试验中，应用的所有切削刀具都是聚晶金刚石刀具PCD[1]。试验的开展，具体参数为，选取vc=65~300m/min的切削速度，挑选5个速度值开展相应的试验。取f=0.8μm/r、2.0μm/r、4.0μm/r、6.0μm/r等4个速度级作为进取量。选取ap=2μm、3μm、6μm、9μm、12μm共5个等级作为背吃刀量。检测工具的选择中，针对表面粗糙度的测量，应用Talysurf-6型表面轮廓仪。对于已经完成加工的表面开展微观形貌分析时，选用原子力显微镜和电子扫描显微镜[2]。

2试验结果以及分析

2.1加工表面的质量分析

2.1.1已加工表面开展微观形貌分析分析Al2O3（SiO2）/Al已加工表面AFM形貌扫描图和拔出不同方向Al2O3后凹坑的AFM形貌扫描图，对于已经加工的表面微观形貌进行观察时，使用原子力显微镜。前者可观察到增强相Al2O3，通过PCD刀被切断之后的状态。后者为增强晶须与已加工表面平行，拔出刀具之后留下的凹坑。在后者中，可以看见，增强晶须与已加工表面垂直，拔出刀具之后留下的凹坑[3]。通过电子扫描显微镜，可以得到需要的加工表面图像，其中Al2O3（SiO2）/Al铝复合材料，对已经加工的表面进行精密切削，包括：因为刀具非常锋利，可将增强相直接切断，进而留下断头。拔出增强相，会有相应的孔洞以及凹坑留下。在后者形貌扫描图中，在与切削方向构成一定角度之后，拔出水利方位的增强相之后，出现的凹坑。在凹坑的右侧，存在的白色突起物质，为增强相推挤铝基体之后，出现的驼峰[4]。在后者形貌扫描图中，为与切削表面相互垂直的增强相，或者将大聚集物在复合材料中拔出，产生的大型凹坑。在切削增强相当中，被刀具压碎的部分，会在已经加工的表面重新压入，进而有凹坑留下。铝基体当中，增强相被直接切断产生的断头以及压碎之后碎块、脱落之后的积屑瘤碎片等很多的磨料耕犁，会沿着不同的切削方向，产生不一致的凹坑。由于推挤以及擦划，造成的驼峰，形状各不相同。此外，会沿着vc、f、ap不同的方向，出现沟痕，且高低不平。已经加工的表面增强相四周，会由于集中起来的应力，发生裂纹。此外，Al2O3界面会有破损情况。制作复合材料时，会使增强相存在聚堆的情况，所以切削表面铝基体结合增强相之后，会使产生片状铝基体剥落降低[5]。2.1.2表面粗糙度的轮廓仪检测对于不同的切削工况，会有不同的加工表面粗糙值。在评定粗糙度值的范围当中，例如：垂直方向有0.5m/格，评定的长度为0.25mm×5。其中，在将切削速度提升之后，表面的粗糙度开始减小，这一点一致于45钢切削时的规律。2.1.3影响表面粗糙度值的因素分析对比切削铝基体材料，Al2O3（SiO2）/Al采用的精密切削，已经加工的表面粗糙度数值，受到的影响因素会更多一些，如果将相切削变形的破坏形式加强，强化切削的用量、PCD刀具刃口钝圆半径rn、材料自己的属性等，都会对表面粗糙度产生很大的影响[6]。其一，最关键的一项因素，是增强相因为刀具切削发生变形，产生了破坏。在试验中发现，Al2O3被刀具直接切断，凸出量产生的最大相，只有6.77nm，直径为434.60nm。事实说明，属于Al2O3的晶须。这是因为增强相具有0.1~1.5μm的直径范围，对其表面粗糙度开展检测时，数值为Ra6.35nm。将Al2O3拔出，会有凹坑量出现，其中差值最大为30.89nm，检测中，存在Ra122.10nm表面粗糙度数值。对比分析可知，两者相比，大概相差5倍，表面具有的粗糙程度，有20倍的差距。因此，切削材料当中，加工表面的精度把控具备很大的困难。针对拔出之后存在的凹坑，即使最小的凹坑，范围也有50~750nm。增强相与加工表面相互垂直被拔出，凹坑的深度，可以达到100m；其二，切削用量对表面粗糙度也会产生一定的影响。在实验中，通过原子力显微镜，对一组表面粗糙度进行了检测，从数据中可以得出，表面粗糙程度会逐步减小，这与切削速度有着紧密的联系。其中，铝基体无论是弹性还是塑性变形，都开始减小，复合材料各相当中的变相更加协调，减小了裂纹数量以及磷刺的数量。此外，在试验中还会发现，利用AFM获取的数量，与粗糙度轮廓仪数据相比较，要更小一下，这一问题是由于评定范围没有轮廓仪大的原因。同时，PCD刀具的刃口钝圆半径也会影响表面粗糙度。只有比较小的钝圆半径，才会让概率比较大的增强相，利用直接切断的形式直接剪断。总的来说，这类铝复合材料，需要对大部分的Al2O3保障，使其被直接切断，才能对精密级的加工表面进行获取。

2.2分析加工变质层

2.2.1分析变质层的形貌针对材料开展精密化切削时，与以往采用的粗加工形式相比较，力量方面、切削热都要更完善一些，但是加工变质层依然存在，只是相对薄一些。对于加工变质层的观测，借助SEM照片可以看出增强相的趋势为破碎、细化，并且开始转向切削的方向，之后会重新组合排列。加工变质层主要有三层：其一为缺陷聚集层；其二为细化以及硬化层；其三为硬度衰减层。缺陷聚集层最突出的缺陷便是有孔洞以及裂纹[7]。2.2.2加工变质层显微硬度检测与分析显微硬度计的使用必不可少，会针对加工变质层产生的显微硬度做出非常细致的检测，以此得出关系曲线图，即显微硬度与距表层深度。利用该关系图的分析可以得出，与切削一般材料对比，共同点为，产生的加工变质层深度，切削参数对其造成的影响会非常大。一旦vc、f和ap有所加大，都会使HV有所加大，显微硬度在最高处，与地面的表面距离大概15μm处，但是在大概27μm处，显微硬度与基体的硬度更加接近。切削表层当中的显微硬度，并不属于最高的因素便是因为切削表面温度与里层相比较，会更高一些，所以会对铝基产生松弛以及软化的效果，降低铝基体的位错密度，以至于减小的显微硬度。变质层增高内部硬度的关键原因主要有：①在增强相的周围，最显著的区域为两端铝基体，应力集中并不小，所以切削铝基体之后，有非常大的位错聚集密度存在，强化了硬度。②切削当中，增强相由于存在的剪切应力作用比较大，所以会有细化以及断裂问题，进而增大了硬度。③切削开展时，后刀面深入的区域需要直达工表面的第三变形区，铝基体有塑性变形问题出现，以至于增强相发生转动，方向为沿切削方向，所以硬度值会有所加大。通过一系列的研究表明，一旦增强晶须开始有同一方向进行排列的趋势，CO数值便会越大，按照随机方向排列的CO便会比较小。在对形成加工表面的过程中，变质层中存在的增强晶须，沿着切削方向多次有所转动，使得CO值有所加大，所以变质层的强度有所加大。

3结语

总之，PCD刀具对Al2O3（SiO2）/Al铝复合材料进行切削时，获取的精密级已加工表面较为理想。增强晶须的概率比较大，Al2O3通过刀具被直接切断，可进一步保障精密加工的表面，增强须在拔出之后，可对表面粗糙度产生很大的影响，是主要因素。利用精密的切削工况，依然会有一层比较薄的加工变质层出现，同时内部具有的增强晶须，会沿着切削方向有所转动。

参考文献：

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[2]邱加栋，闫勇刚，黄冠星.汽车活塞增强层材料机械加工性能研究[J].机械工程师，2008（005）：58-61.

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[4]饶牧成.铝活塞材料性能增强途径探讨[C]//全国铸造复合材料学术年会，全国半固态加工技术及其应用高层论坛.中国机械工程学会；湖北省铸造协会；武汉铸锻热行业协会，2011.

[5]陈艳，唐前鹏.内燃机活塞材料及其强化工艺研究现状与展望[J].热加工工艺，2013，42（014）：8-10.

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[7]王金玉，邱亚男，孙晓帮.可控悬架减振器活塞杆制造工艺的研究[J].汽车实用技术，2017，03（3）：38.·25·

作者：左冬晓 单位：河南工业贸易职业学院