導語：汽車活塞增強層材料機械加工性能探討一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為解決加工質量差、精度低等問題，本文針對汽車活塞增強層材料機械加工性能做出了進一步探究，提出了試驗方法、檢測措施，進而提出了方案，可為相關人員提供參考。

關鍵詞：汽車活塞；增強層材料；機械加工

一般來說，制造汽車發動機都會應用Al-Si鑄造合金制成，有的會在第一道環槽中，對高鎳鑄鐵環進行鑲嵌，并將耐熱鋼鑲嵌在活塞頂部。之后通過復合材料的使用，如氧化鋁或氧化鋁和二氧化硅短纖維鋁基復合材料，可強化活塞零件的環槽以及頂部，這樣產生的新型活塞便會升級換代。因為陶瓷增強相產生的作用，能夠使部位具備有耐磨性以熱穩定性有效提升，以此將早期磨損引發的失效問題徹底解決，進而延長活塞的應用壽命。針對增強型活塞的應用，內部存在的Al2O3（SiO2）/Al鋁復合材料的優勢便是，熱膨脹系數非常低、高溫強度高等。但是，對于新型活塞開展工業化推廣的過程中，還有很多阻礙因素，例如：制備復合材料以及活塞的加強工藝還需要提升，價格也比較高。實施機械加工復合材料有大的困難。第一種困難正在逐步克服中，但第二種困難，因為陶瓷增強相具有很高的硬度和強度，所以刀具的磨損會非常快，很難把控好加工的質量以及精度，特別是精密加工的開展，更是難上加難。因此，本文針對汽車活塞增強層材料機械加工性能給出了如下分析。

1試驗方法及檢測

對于試驗內容的開展，選用的金剛石數控車床為HCM-I型精密數控車床。準備好的材料包括：Al2O3（SiO2）/Al、增強相Al2O3、SiO2。其中，有22%以及3%的體積分數，直徑范圍（0.1~1.5m），長度范圍（10~100m）。在試驗中，應用的所有切削刀具都是聚晶金剛石刀具PCD[1]。試驗的開展，具體參數為，選取vc=65~300m/min的切削速度，挑選5個速度值開展相應的試驗。取f=0.8μm/r、2.0μm/r、4.0μm/r、6.0μm/r等4個速度級作為進取量。選取ap=2μm、3μm、6μm、9μm、12μm共5個等級作為背吃刀量。檢測工具的選擇中，針對表面粗糙度的測量，應用Talysurf-6型表面輪廓儀。對于已經完成加工的表面開展微觀形貌分析時，選用原子力顯微鏡和電子掃描顯微鏡[2]。

2試驗結果以及分析

2.1加工表面的質量分析

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，對于已經加工的表面微觀形貌進行觀察時，使用原子力顯微鏡。前者可觀察到增強相Al2O3，通過PCD刀被切斷之后的狀態。后者為增強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鋁復合材料，對已經加工的表面進行精密切削，包括：因為刀具非常鋒利，可將增強相直接切斷，進而留下斷頭。拔出增強相，會有相應的孔洞以及凹坑留下。在后者形貌掃描圖中，在與切削方向構成一定角度之后，拔出水利方位的增強相之后，出現的凹坑。在凹坑的右側，存在的白色突起物質，為增強相推擠鋁基體之后，出現的駝峰[4]。在后者形貌掃描圖中，為與切削表面相互垂直的增強相，或者將大聚集物在復合材料中拔出，產生的大型凹坑。在切削增強相當中，被刀具壓碎的部分，會在已經加工的表面重新壓入，進而有凹坑留下。鋁基體當中，增強相被直接切斷產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，會沿著不同的切削方向，產生不一致的凹坑。由于推擠以及擦劃，造成的駝峰，形狀各不相同。此外，會沿著vc、f、ap不同的方向，出現溝痕，且高低不平。已經加工的表面增強相四周，會由于集中起來的應力，發生裂紋。此外，Al2O3界面會有破損情況。制作復合材料時，會使增強相存在聚堆的情況，所以切削表面鋁基體結合增強相之后，會使產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對于不同的切削工況，會有不同的加工表面粗糙值。在評定粗糙度值的范圍當中，例如：垂直方向有0.5m/格，評定的長度為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，這一點一致于45鋼切削時的規律。2.1.3影響表面粗糙度值的因素分析對比切削鋁基體材料，Al2O3（SiO2）/Al采用的精密切削，已經加工的表面粗糙度數值，受到的影響因素會更多一些，如果將相切削變形的破壞形式加強，強化切削的用量、PCD刀具刃口鈍圓半徑rn、材料自己的屬性等，都會對表面粗糙度產生很大的影響[6]。其一，最關鍵的一項因素，是增強相因為刀具切削發生變形，產生了破壞。在試驗中發現，Al2O3被刀具直接切斷，凸出量產生的最大相，只有6.77nm，直徑為434.60nm。事實說明，屬于Al2O3的晶須。這是因為增強相具有0.1~1.5μm的直徑范圍，對其表面粗糙度開展檢測時，數值為Ra6.35nm。將Al2O3拔出，會有凹坑量出現，其中差值最大為30.89nm，檢測中，存在Ra122.10nm表面粗糙度數值。對比分析可知，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，切削材料當中，加工表面的精度把控具備很大的困難。針對拔出之后存在的凹坑，即使最小的凹坑，范圍也有50~750nm。增強相與加工表面相互垂直被拔出，凹坑的深度，可以達到100m；其二，切削用量對表面粗糙度也會產生一定的影響。在實驗中，通過原子力顯微鏡，對一組表面粗糙度進行了檢測，從數據中可以得出，表面粗糙程度會逐步減小，這與切削速度有著緊密的聯系。其中，鋁基體無論是彈性還是塑性變形，都開始減小，復合材料各相當中的變相更加協調，減小了裂紋數量以及磷刺的數量。此外，在試驗中還會發現，利用AFM獲取的數量，與粗糙度輪廓儀數據相比較，要更小一下，這一問題是由于評定范圍沒有輪廓儀大的原因。同時，PCD刀具的刃口鈍圓半徑也會影響表面粗糙度。只有比較小的鈍圓半徑，才會讓概率比較大的增強相，利用直接切斷的形式直接剪斷。總的來說，這類鋁復合材料，需要對大部分的Al2O3保障，使其被直接切斷，才能對精密級的加工表面進行獲取。

2.2分析加工變質層

2.2.1分析變質層的形貌針對材料開展精密化切削時，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，但是加工變質層依然存在，只是相對薄一些。對于加工變質層的觀測，借助SEM照片可以看出增強相的趨勢為破碎、細化，并且開始轉向切削的方向，之后會重新組合排列。加工變質層主要有三層：其一為缺陷聚集層；其二為細化以及硬化層；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加工變質層顯微硬度檢測與分析顯微硬度計的使用必不可少，會針對加工變質層產生的顯微硬度做出非常細致的檢測，以此得出關系曲線圖，即顯微硬度與距表層深度。利用該關系圖的分析可以得出，與切削一般材料對比，共同點為，產生的加工變質層深度，切削參數對其造成的影響會非常大。一旦vc、f和ap有所加大，都會使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。切削表層當中的顯微硬度，并不屬于最高的因素便是因為切削表面溫度與里層相比較，會更高一些，所以會對鋁基產生松弛以及軟化的效果，降低鋁基體的位錯密度，以至于減小的顯微硬度。變質層增高內部硬度的關鍵原因主要有：①在增強相的周圍，最顯著的區域為兩端鋁基體，應力集中并不小，所以切削鋁基體之后，有非常大的位錯聚集密度存在，強化了硬度。②切削當中，增強相由于存在的剪切應力作用比較大，所以會有細化以及斷裂問題，進而增大了硬度。③切削開展時，后刀面深入的區域需要直達工表面的第三變形區，鋁基體有塑性變形問題出現，以至于增強相發生轉動，方向為沿切削方向，所以硬度值會有所加大。通過一系列的研究表明，一旦增強晶須開始有同一方向進行排列的趨勢，CO數值便會越大，按照隨機方向排列的CO便會比較小。在對形成加工表面的過程中，變質層中存在的增強晶須，沿著切削方向多次有所轉動，使得CO值有所加大，所以變質層的強度有所加大。

3結語

總之，PCD刀具對Al2O3（SiO2）/Al鋁復合材料進行切削時，獲取的精密級已加工表面較為理想。增強晶須的概率比較大，Al2O3通過刀具被直接切斷，可進一步保障精密加工的表面，增強須在拔出之后，可對表面粗糙度產生很大的影響，是主要因素。利用精密的切削工況，依然會有一層比較薄的加工變質層出現，同時內部具有的增強晶須，會沿著切削方向有所轉動。

參考文獻：

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[2]邱加棟，閆勇剛，黃冠星.汽車活塞增強層材料機械加工性能研究[J].機械工程師，2008（005）：58-61.

[3]鄭永剛，張國華，趙士博，等.車用發動機復合材料增強活塞分析研究[J].汽車工藝與材料，2002.

[4]饒牧成.鋁活塞材料性能增強途徑探討[C]//全國鑄造復合材料學術年會，全國半固態加工技術及其應用高層論壇.中國機械工程學會；湖北省鑄造協會；武漢鑄鍛熱行業協會，2011.

[5]陳艷，唐前鵬.內燃機活塞材料及其強化工藝研究現狀與展望[J].熱加工工藝，2013，42（014）：8-10.

[6]閆建.輕質機械活塞材料的成分及熱處理工藝優化[J].熱加工工藝，2018，47（8）：189-191.

[7]王金玉，邱亞男，孫曉幫.可控懸架減振器活塞桿制造工藝的研究[J].汽車實用技術，2017，03（3）：38.·25·

作者：左冬曉 單位：河南工業貿易職業學院