硼铝合金作为一种新型金属基颗粒增强复合材料，其硬度(莫氏硬度为9.36)仅次于金刚石，因而在铣削加工过程中易被挤压而发生崩裂，从而影响零件的加工质量。硼铝合金是一种掺杂了铝金属、高硬度B4C颗粒的新型金属基颗粒增强复合材料，通过深入研究其车、铣、磨、电火花和钳等加工性能，解决硼铝合金的加工难题，可使硼铝复合材料代替钛合金，从而广泛应用于需要减重且要求零件变形小的场合。
硼铝合金是可满足系统轻量化、热稳定性好和低膨胀系数要求，且具有适合的力学性能的复合材料。不同B4C含量的硼铝合金如图1所示，其力学性能见表1。硼铝复合材料与常见的铝合金2A12、钢2Cr13、钛合金TC4材料的各项性能对比见表2。
图1 不同B4C含量的硼铝合金光学显微照片
表1 不同B4C含量的硼铝合金力学性能表
B4C含量/%退火态T4态屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%弹性模量/GPa151402307～93405005～8105±3201502506～83605204～6115±3251702604～63705003～4125±3311602203～43604602～3131±3
表2 硼铝合金与常见材料力学性能对比[1]
名称密度/g·cm-3弹性模量/GPa屈服强度/MPa抗拉强度/MPa线胀系数/10-6K-1热导率/W·(m·K)-1延伸率/%硼铝(30%颗粒含量)2.64131360460131123～4铝2A122.86827042023.6121—钢2Cr137.7522851070610.5——钛合金TC44.441098258959——
由表2可知，与铝合金相比，硼铝合金可以减重7%，弹性模量增加91%，屈服强度增加33.3%，抗拉强度增加9.2%，线胀系数只有铝合金的55%；与钛合金相比，硼铝合金的弹性模量增加20%，线胀系数与钛合金相当， 而密度只有钛合金的59%，所以硼铝合金的比刚度比钛合金高，更易于抵抗变形。
本文选取如图2所示支架类零件为试验零件对硼铝合金的加工工艺进行研究。原料为方块料，材料成分为B4C/Al 复合材料，状态为挤压态,热处理状态为退火态。
图2 支架零件三维图
零件加工工艺如下：铣(铣六方，以方便装夹定位，做基准)→线切割(线切割零件外形)→数控铣(半精加工，有精度要求部位留0.5 mm余量)→钳(采用研磨平台，钳工研磨基准面)→数控铣(精加工有精度要求部位到尺寸、钻孔)→热处理(去除应力，稳定尺寸)→钳(钻孔、攻丝)→表面处理。
3.1 铣削
3.1.1 刀具的选择
对于金属基颗粒增强复合材料，当采用硬质合金刀具切削时，B4C颗粒被挤压而发生崩裂，容易造成零件锐边崩边；当采用金刚石刀具切削时，B4C颗粒常被劈开而破裂。
在高转速和高切削速度的情况下，非金刚石刀具很快就会磨损，在加工质量上表现为在刀轨重叠处产生高度差，或刀纹呈颤抖纹状或者鱼鳞纹状。而与硬质合金刀具相比，金刚石刀具有很高的耐用度，金刚石的热导率(146.5 W/(m·k))是硼铝合金的1.31倍，是钛合金的13.99～26.9倍；其硬度高,切削刃可以磨得非常锋利；切削时产生的切削热较少，刀具又能传出大部分的切削热；金刚石刀具允许较高的切削速度，而其与切削材料之间产生黏结和扩散的可能性较小，切削时刀具产生的黏结磨损和扩散磨损较小，因而更加适合硼铝合金的铣削[2]。
相对硬质合金铣刀，采用金刚石刀具更能保证零件锐边加工质量，有效避免零件锐边崩边。本试验刀具选用直径为8 mm、长度为80 mm的镶嵌刀片式直柄金刚石铣刀，铣削表面质量如图3所示。
图3 镶嵌刀片式金刚石刀具铣削硼铝合金表面
3.1.2 铣削参数的选择
试验结果表明，金刚石刀具加工硼铝合金材料比较适宜的铣削参数为：铣削速度F=100 mm/min，主轴转速S=400 r/min。
3.1.3 刀轨路径
选用金刚石刀具铣削，应考虑适宜的走刀方式，以减少零件平面棱边边缘崩碎现象的发生。走刀方式选择顺铣，刀具在零件平面棱边处铣削时，刀具中心应居于棱边处，这样可以保证有更多的刀具面积参与切削，同时材料受力方向为材料多的一侧，使材料受挤压力，而不是分离力，这样脆性材料在加工中才不至于棱边边缘崩碎。适宜的刀轨路径如图4所示。
图4 适宜的刀轨路径
3.2 研磨
为了对半精加工提供良好的平面加工基准，对试验零件基准面进行手工研磨，手工研磨加工现场如图5所示。试验结果表明，硼铝合金的手工研磨与铝合金2A12—T4等的磨削参数、加工效果接近。
图5 手工磨削加工现场
3.3 线切割
线切割成品如图6所示。试验结果表明，硼铝合金的线切割参数、加工效果和普通铝合金没有区别。
图6 线切割成品
3.4 热处理
根据硼铝合金材料的特点，退火态硼铝合金强度比T4态略低，毛坯料选用退火态，有利于零件加工。在数控铣粗加工之后，精加工之前，对零件进行固溶处理或稳定化处理。固溶处理可以提高合金性能，获得较高的强度、较好的塑性及耐腐蚀性能；而稳定化处理可以提高合金组织及尺寸稳定性。
本试验精加工后，进行了固溶处理。热处理前，材料硬度为80 HRB；固融强化后，硬度达到88 HRB。
3.5 数控铣半精、精加工
数控铣半精加工时使用退火态硼铝合金，关键部位留0.5 mm余量，加工完毕进行热处理，最后进行精加工。刀具选用聚晶金刚石刀具与金刚石钻头。试验结果表明，比较适宜的铣削参数为铣削速度F=100 mm/min，主轴转速S=400 r/min，铣削深度H=2 mm；点钻孔参数为S=400～600 r/min，F=20～50 mm/min，H=2 mm；镗削参数为S=400～600 r/min，F=30～60 mm/min，H=0.02～0.2mm。
零件成品图如图7所示。零件精加工后经三坐标检验，基本合格。
图7 数控铣精加工之后零件图
3.6 钻孔、攻丝
试验中发现，采用普通的麻花钻对硼铝合金进行钻孔会非常吃力，往往一个底孔没有钻完，钻头切削刃就已经磨损，不能工作了，如果继续钻削，就会造成材料崩碎。同样，对于深度达10个螺距以上的螺纹孔，普通丝锥只能胜任前半部分螺纹深度，后半部分螺纹深度的攻丝几乎无法完成。为此，专门购买了金刚石钻头与德国EMUGE公司丝锥，顺利完成钻孔、攻丝。硼铝合金钻孔、攻丝如图8所示。
图8 硼铝合金钻孔、攻丝
3.7 表面处理
为验证硼铝合金的表面处理性能，对加工残料分别进行导电氧化、黑色阳极化、本色阳极化和黄色阳极化处理(见图9)。阳极化时间为1 h，膜层厚度为20 μm，试验按2A12-T4硬铝的表面处理工艺进行。
图9 硼铝合金4种表面处理成品图片
对硼铝合金表面处理后的样品进行盐雾试验(见图10)。盐雾试验条件如下：在35 ℃环境温度下，选用浓度为5%、pH值为6.5～7.2的NaCl溶液，盐雾沉降率为1～2 mL/80 cm2·h，按GJB 150.11—1986标准连续试验96 h。试验结果表明，试验前、试验过程中及试验后试验样品外观均未见异常。
图10 硼铝合金4种表面处理成品盐雾试验
依据GJB 150.9—1986，在温度为30～60 ℃交变、相对湿度为95%的条件下保持240 h(其中60 ℃为6 h，30 ℃为8h)，对4组、每组2件硼铝合金试验件做湿热试验(见图11)。结果显示，试验前、试验过程中及试验后试验样品外观均未见异常。
图11 4种表面处理湿热试验
3.8 车削与平面磨床磨削性能
为验证硼铝合金的车削性能，探索其适宜的车削参数，使用金刚石刀片车削一硼铝合金轴类零件(见图12)。车削效果表明，使用金刚石车刀片车削硼铝合金，表面粗糙度能达到Ra3.2 μm左右。车削参数可以参考普通铝合金,即： S=200～2 000 r/min；F=0.05～0.20 mm/r；ap=2～5 mm。车削性能良好。
图12 使用金刚石车刀片车削硼铝合金情况
使用平面磨床做机械磨削时，硼铝合金比铝合金耐磨，适宜比较小的切深，加工效果与铝合金2A12-T4效果接近。平面磨床磨削加工现场如图13所示。
图13 平面磨床磨削加工现场
硼铝合金的加工技术总结如下：1)硼铝合金弹性模量比钛合金高，密度小，可作为钛合金的替代品；2)硼铝合金的数控铣削、钻孔、攻丝和镗孔都需要定制金刚石刀具，加工参数比加工普通铝合金低，一般为：F=40～100 mm/min,S=400 r/min；3)硼铝合金的研磨、磨削、线切割加工性能与普通铝合金相似，因为退火态坯料强度较低，所以毛坯适用退火态材料，并在数控粗加工之后，精加工之前，应对零件进行固溶处理。硼铝合金表面处理参照2A12-T4铝合金工艺参数。