鋁基碳化硅電機機殼加工

曹德偉，孔令光，楊 健

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

科學技術的進步引領了航天行業的飛速發展，對電機機殼材料的性能提出了更高的要求。傳統的金屬材料已不能滿足需求，對于新材料的需求日益增強。金屬復合材料的出現恰好解決了上述問題[1]。鋁基碳化硅是由基體鋁合金和增強顆粒碳化硅組成的新型金屬復合材料，碳化硅顆粒具有較高的強度，耐高溫，良好的耐腐蝕能力，鋁合金基體具有良好的塑性和較小的密度。鋁基碳化硅具備了兩種材料的優良性能[2]，滿足了電機機殼對高強度、輕質量的要求。此外，相比航天電機機殼常用的鈦合金，鋁基碳化硅有更小的膨脹率，在溫差較大的環境中與定子間連接的可靠性更高。對鋁基碳化硅機殼表面進行發黑處理，可以使發射率控制在85%以上，且良好的散熱能力保證了電機的性能和正常運轉。

鋁基碳化硅中的碳化硅增強顆粒具有很高的強度、硬度及耐磨度，對其車削加工十分困難。車削刀具磨損嚴重，使用壽命大大縮短，很大程度上降低加工效率，經濟性較差。因此，對鋁基碳化硅的車削加工進行分析、制定合理的加工工藝變得尤為重要。

1 鋁基碳化硅性能分析

粉末冶金方法制造的鋁基碳化硅由鋁基體粉末和碳化硅增強顆粒混合后，經真空熱壓制成。碳化硅的體積分數直接影響復合材料的物理性能，如表1所示。隨著碳化硅體積分數增加，鋁基碳化硅抗拉強度增大，在25%時達到600 MPa,在30%時下降為550 MPa，之后隨著體積分數的增加，在45%時達到600 MPa。隨碳化硅顆粒體積含量從15%升至45%，屈服強度由360 MPa增長到550 MPa。相比傳統鋁合金，碳化硅顆粒的加入，使材料延伸率減小，塑性降低，在切削過程中更容易排屑。

表1 鋁基碳化硅物理性能

碳化硅顆粒硬度非常高，材料加工時十分困難。采用加工鋁合金的傳統方法加工鋁基碳化硅時，刀具損壞嚴重，且容易生成積屑瘤，加重了刀具對零件表面的擠壓，材料堆積增多。此外，刀具與零件表面會產生劇烈的摩擦，使零件表面發生局部熔化，表面會被“熨平”，加工精度無法保證。在加工鋁基碳化硅的過程中，碳化硅顆粒可能會被拔出，隨著加工的進行，這些顆粒會在零件表面形成劃痕和空洞[3]，另一部分顆粒會被壓碎，擠入零件表面，產生凸起和裂紋[4]，嚴重增加了零件的表面粗糙度。對存在尖角的零件加工時，比如機殼止口根部位置，由于材料脆性較大，很容易產生應力集中，使零件產生裂紋。上述原因使鋁基碳化硅的加工難度相比傳統材料大大增加，但由于其優異的物理性能及力學性能，在有特殊要求的航天領域依然有廣泛的應用。

2 鋁基碳化硅機殼加工工藝

鋁基碳化硅加工難度大，刀具的選擇、熱處理和加工工藝路線的合理性以及加工參數的確定將直接影響加工效率和加工質量。機殼材料選用體積分數30%的鋁基碳化硅，其物理性能及力學性能如表2所示。在進行粗加工時，加工余量較大，因此采用“軟”退火態材料便于加工。

表2 體積分數30%鋁基碳化硅性能參數

2.1 刀具的選擇

2.1.1 刀具材料選擇

鋁基碳化硅復合材料具有十分優秀的性能，但含有硬度極高的碳化硅增強顆粒，其硬度可以到2 700 HV，這就使其加工十分困難。

使用高速鋼刀具對鋁基碳化硅進行加工時，刀具很快就磨損，無法繼續進行加工，因此高速鋼刀具并不適合用來對鋁基碳化硅進行加工。

硬質合金刀具是在具有高耐熱性和高耐磨性的金屬碳化物中添加金屬粘結劑，在高溫下通過粉末冶金方法制備而成的。常用的硬質合金有YG類、YT類及YW類，硬度在1 500 HV～1 800 HV之間，具有良好的耐磨性和耐高溫性。使用YG6硬質合金刀具對體積分數30%的鋁基碳化硅進行加工，加工初期工件表面成灰白色，隨著加工進行，刀具在一定程度上磨損，切削力增大，對工件表面擠壓，使鋁合金發生塑性流動，工件出現光亮的“熨平”現象，同時還會出現“讓刀”現象，使加工精度及表面粗糙度無法得到保證。因此硬質合金刀具只適合加工要求不高的粗車。

聚晶金剛石刀具(以下簡稱PCD)是人工合成金剛石粉末與粘結劑在高溫下按一定比例燒結而成。PCD刀具硬度在6 500 HV～8 000 HV，具有抗壓強度高、導熱和耐磨性好等優點，使用PCD刀具加工體積分數30%的鋁基碳化硅，工件表面成灰白色，更多的碳化硅顆粒以直接切斷的方式被去除，表面粗糙度低，加工精度高，刀具磨損遠遠小于硬質合金。因此在精加工階段時選用PCD刀具。

2.1.2 刀具幾何參數選擇

刀具前角增大可以使刃口更加鋒利，減小切削力并降低切削溫度，還可以抑制積屑瘤的產生。但同時會降低切削刃的強度和刀具的散熱體積，導致刀具的使用壽命降低。刀具后角的增大可以減小后刀面與工件的摩擦，同時增加刀刃的鋒利程度。但是后角的增大也會使刀刃的強度和散熱情況變差，降低了刀具的壽命。

日本的古沢利明研究表明，使用硬質合金刀具加工復合材料時磨損主要發生在后刀面[5]，為減少后刀面的磨損應適當增大刀具后角，但過大的后角也會降低刀具強度。在前角的選擇上，在保證加工質量的前提下應盡量選用較小的前角，以提高刀具的耐用性。El-Gallab[6]使用前角分別為0、-5°和5°的PCD刀具，對鋁基碳化硅復合材料進行了車削實驗，前角-5°時切削力最大，刀具磨損最輕，前角5°時切削力最小，刀具磨損情況最嚴重。綜合加工精度及刀具磨損情況，最后確定刀具參數，如表3所示。

表3 體積分數30%鋁基碳化硅加工刀具幾何參數

2.2 加工參數選擇

切削速度越高，背吃刀量越大；進給量越小，刀具磨損情況越嚴重。切削速度的提高及進給量的減小也會使鋁基體塑性變小，同時更多的碳化硅顆粒直接被切斷，從而使表面粗糙度降低。YG6刀具在較大的背吃刀量情況下進行加工會出現崩刃的情況。粗加工階段對表面粗糙度要求不高，應使用較小的切削速度和較大的進給量，背吃刀量不宜過大。為保證加工精度和較低的表面粗糙度，精加工時應選用較大切削速度和較小的進給量。結合加工的經濟性和加工質量，制定切削工藝參數，如表4所示。表4中，V為切削速度，f為進給量，αp為背吃刀量。

表4 加工工藝參數表

2.3 加工工藝方案

鋁基碳化硅加工難度大，零件表面質量和形位公差不好保證，采用粗車—半精車—精車的加工路線。毛坯加工采用硬爪裝夾，使用與機殼上最小內孔相匹配的鉆頭加工通孔。更換車刀，加工外圓和內孔，對于尺寸較大的機殼，單邊留4 mm加工余量，尺寸較小的機殼，單邊留2.5～3 mm加工余量。毛坯粗加工車削量較大，零件存在較大的殘余應力，會造成機殼變形尺寸和形位公差達不到設計要求，使電機氣隙發生改變，直接影響電機性能。為防止殘余應力導致零件變形，在半精加工前安排熱處理。熱處理分固溶和時效兩部分進行，固溶處理使材料組織均勻化，時效處理時組織析出增強相強化材料性能，同時消除加工產生的殘余引力。精車時采用軟三爪裝夾工件，可以最大程度保證工件重復定位，也可以避免在工件上產生劃痕。在加工止口外圓時由于工件壁厚比較薄，以機殼外圓定位在裝夾時，很容易產生變形，因此需要以內孔及端面定位上心軸加工，止口外圓與殼體外圓一次裝夾加工完成，保證其同軸度。

對某型號無刷直流電動機機殼進行加工，經測量，表面粗糙度0.8 μm，止口外圓跳動小于0.015 mm，與端面垂直度小于0.015 mm，尖角處未出現裂紋，尺寸無超差情況，工藝參數與工藝路線合理，滿足生產加工要求。

3 結 語

鋁基碳化硅復合材料因碳化硅顆粒的存在，使加工難度較大，制定合理的加工工藝，選擇適合的刀具及加工參數，才能保證加工效率和加工精度。

(1)粗加工時使用硬質合金刀具，采用較小的切削速度和較大的進給量，背吃刀量不宜過大，可以提高毛坯的加工效率。

(2)精加工時使用PCD刀具，采用較高的切削速度和較小的進給量，可以得到較好的加工表面和尺寸精度。