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2A12 硬鋁（lǚ）合金機械加工工藝研究

2020-3-21 來源：清遠職（zhí）業技術學院作者（zhě）：劉折

摘要: 鋁合金材料在工業中的應用非常廣（guǎng）泛。零件的（de）形狀（zhuàng）複雜，尺寸精度和粗糙度要求（qiú）越來越高。在加工（gōng）過程中存在零件變形（xíng）的問題。從影響加工變（biàn）形（xíng）的（de）因素，加工（gōng）刀具，熱處理等幾方麵探討了解決鋁合（hé）金加工變形的方法。

關（guān）鍵詞: 鋁合金; 變（biàn）形; 刀具; 熱處（chù）理

近年來機械加工生產中，鋁合金零部件的加工量逐漸加大，而且形狀越來越複雜，尺寸精度和粗糙度的（de）要求越來越高。但在（zài）加工過（guò）程中，由於（yú）變形對鋁合（hé）金零部（bù）件的（de）加工精度和表麵粗糙度（dù）影響很大（dà）。如何解決這個問題，以提（tí）高（gāo）鋁合金零件的成品合格率，這給機械（xiè）加工工藝人員提出了新的課（kè）題。經過幾年的探索，逐漸掌（zhǎng）握了一些鋁合金材料加工（gōng）的特點和鋁合金零件（jiàn）的加工（gōng）精度要求。現從（cóng）以下幾方麵入手，對鋁合金材料的加工（gōng）工藝進行探討。

1、影響加工變（biàn）形的因（yīn）素

1． 1 鋁合金材料的性能分析

經常用的鋁合金（jīn）材料（liào）是 2A12 － T4。2A12 合（hé）金在 Al － Cu－ Mg 係三元狀態圖中位於 α( A1) + θ( Cual2) + S( Al2CuMg)相區的右側，其強化相是 S 相，其次是 θ 相。由於 S 相的時效（xiào）強化效果（guǒ）比 θ 相強（qiáng），因而 2A12－ T4 比標準的（de）硬鋁具有更高的強度和屈服極限及良好的（de）耐熱（rè）性。零件（jiàn）在加工過程中，切削刃在相對較硬的 S 相上切削，同時單邊切（qiē）削使工件原有的應力平衡（héng）被打破（pò），且內部（bù）組織的平衡狀態極不穩定，有恢複到無應力狀態的強烈傾向。零件的殘餘應力要（yào）重新（xīn）分布到完全鬆弛，使（shǐ）工件發生變形而達不到預期的加工（gōng）精度（dù）。鋁合金材料的塑性、韌性好，粘附性強，切屑不易（yì）分離，切削過程中容易粘附（fù）在（zài）刀刃上產生積屑瘤。鋁的線膨脹係數( 0． 000 023 8) 比鋼的線（xiàn）膨脹係數( 0． 000 01) 大將（jiāng）近（jìn） 2． 4 倍。在切（qiē）削加工過程中，熱變形較大。

1． 2 切削加工中殘餘應力分析

1) 刀具在切削過程中，工件受到刀具的擠壓，使材料表（biǎo）層金屬在切削方向產生塑性變形，而在切（qiē）削後受到與（yǔ）之相鄰的裏層為變形金屬的牽製，從而在表麵（miàn）產生殘餘拉應力，裏層金屬（shǔ）產生殘餘壓應力。應力的綜合作用是使零（líng）件產（chǎn）生變形。

2) 在切削過程中（zhōng）塑性變形與（yǔ）摩擦，使工件加工表麵有較高的溫度，裏層金（jīn）屬的溫度較低（dī）。溫度高的表層金屬體積膨脹，將受到（dào）裏層金屬的阻擋，從而使表層金屬產生熱應（yīng）力。當熱應力超過材料的屈服極限時，使（shǐ）表層金屬產生壓縮塑性變形。切削後工件表麵溫度冷（lěng）卻到室（shì）溫時，使體積收縮，並受到裏層金屬的牽製，使表層金屬產生（shēng）拉應力，裏層金屬（shǔ）產生殘餘壓應力，引起零件變形。

3) 切削加工中切削熱的分（fèn）析，被切削的金屬（shǔ）在（zài）刀具的作用下，產生（shēng）彈性和塑性變（biàn）形而耗功，這是（shì）切削熱產生的一（yī）個重要（yào）來源。此外，切屑與前刀麵，工件與（yǔ）後刀麵直（zhí）接的摩擦也要耗功，也產生出大量的熱量。因此，切削時共有 3 個發熱區域，即（jí）剪切麵、切屑於前（qián）刀麵接觸區（qū）、後刀麵與過（guò）渡表麵接觸區。所以，切（qiē）削熱的來源就是切屑變形功（gōng）和前、後刀（dāo）麵的摩擦功。影響切削溫度（dù）的主要因素: 切削溫度主要受切削（xuē）用量、刀（dāo）具幾（jǐ）何參數、切削速度、工件材料、刀具磨損和切削液的影響。

( 1) 切削用量的影（yǐng）響（xiǎng）: 切（qiē）削速度對切（qiē）削溫度影響最大，隨切削速度的提高，切削溫度迅速上升。而吃刀量 ap變化時，散熱麵積和產生的熱量亦（yì）作相應變化（huà），故 ap對切（qiē）削溫度影響最大。

( 2) 刀具幾何角（jiǎo）度的影響: 切削（xuē）溫度 θ 隨前角 γ0的增大而降低。這是因為（wéi）前角增大時，單位切削（xuē）力下（xià）降（jiàng），使產（chǎn）生切（qiē）削熱減小的緣故。但前角大於 25° ～ 30°後，對切削溫度（dù）的影響減小，這是因為楔（xiē）角變小而使散（sàn）熱體積減小的緣故。主偏角 Kr減小時，使切削寬度 aw增大（dà），切削厚度 ac減小，故切削溫度（dù）下降。刀尖圓弧（hú）半徑 re在 0 ～ 0． 5 mm 範圍內變（biàn）化，基本上不影響切削溫度。因為刀尖弧度半（bàn）徑的增大，會使塑性變形增大，但另一方麵這兩者都能使刀具的散熱條件有所改善，傳出（chū）的熱量也有所增加，兩者趨於平（píng）衡，所以對切削溫度影響很小。

( 3) 刀具磨損的影響（xiǎng）: 刀具後角的磨損值達到一定數（shù）值後（hòu），對切削溫度的影響大; 切削速度愈高，影響就愈顯著。

2 、鋁合金零件的加工工藝探討（tǎo）

2． 1 加工基準選擇

加工基準（zhǔn）應盡量與設（shè）計基準、裝配基準、測量基準一致，且工藝上應充分考慮加工（gōng）中零件的穩定性、定位準確性和夾緊可靠性。

2． 2 粗加工

由於鋁合金零件加工尺寸精度和表（biǎo）麵粗糙度不容易達到高精度要求（qiú），在加工過程中，首先對各加工麵的加工餘（yú）量，尤其是（shì）形（xíng）狀複雜的薄壁零件，在精加工前先進行粗加工。結合鋁合金材料（liào）的（de）特（tè）點發現，工（gōng）件在加工的（de）過（guò）程中，工件表層經過反複摩擦，會使工件（jiàn）表（biǎo）層晶粒變形、錯位（wèi），產生加工硬化現象，同時（shí）切削熱也引起切削變形，增大加工後的尺寸誤差，甚（shèn）至引起工件變（biàn）形。因（yīn）此對一般平麵的粗（cū）加工，采（cǎi）用銑（xǐ）、刨加工。通過選用低轉速、大切削深度、適當（dāng）進給量的方法，保證加工的尺寸精度; 對（duì）於特殊（shū）形狀的部位，采用數控（kòng）機床進行粗（cū）加工，同（tóng）時加冷（lěng）卻液對工件進行冷卻，以降低切削熱對加工精度的影響。並增加（jiā）人工時效處理，以消除（chú）內應（yīng）力，減少由於零件加工後應重新分（fèn）布所引起變形。在粗加工中應加大吃刀量，適當（dāng）減少（shǎo）進給量。進給量和被吃刀量的增加，都會使切削力和摩擦力增（zēng）加，切削溫度上升。但被吃刀量對於切削溫度的影響小於進給量。加大吃刀量，可以改善傳熱情況。

2． 3 精加工

為（wéi）保（bǎo）證（zhèng）鋁合金零件的成品尺寸精度及表麵粗（cū）糙度（dù），選用精度較高的設備完成（chéng）零件的（de）精加工工序。一般選（xuǎn）用數控設備來完成。在精加工過程中，由於（yú）加工（gōng）餘量較小，采用較高的切削速度和小進刀量。在（zài）刀具選擇上（shàng），選用較大的（de）後角（jiǎo）以（yǐ）保證刀有足夠的剛度，減小（xiǎo）由於切削震動造成的加工精（jīng）度降低。工（gōng）件裝夾（jiá）過程中，盡量減少裝夾次數，實行一次定位成型，施（shī）加較小的夾緊力，以減小（xiǎo）裝配誤差。

2． 4 刀具的合理選擇

與黑色金屬相比，鋁合金材料在切削過程中產生的切削力（lì）比較小，可以采用較大的切削速度，但容易形成積屑瘤。鋁合金的導熱係數（shù）高，切削時（shí）由於切屑（xiè）和零件傳導（dǎo）出的（de）熱量較多，切削區溫度較低（dī），所以刀（dāo）具的耐用度較高，但零件本身溫升（shēng）較快，容易引起變形。因此選擇適合的刀具材料，選擇合（hé）理的刀具角度，並提高刀具表麵粗糙度，對降低切削力和切削熱十分有效（xiào）。加工鋁合金材（cái）料刀具應選用 YG 類硬質合金（jīn）刀具、聚晶（jīng）複合金剛石刀（dāo）具( PCD) 以及（jí）天然金剛石刀具。加工鋁合（hé）金（jīn）不能采用 Al2O3基陶瓷刀具，因為（wéi）氧化了（le）的氧化鋁切屑( Al2O3)與該（gāi）刀具材料相（xiàng）同，切削時容易產生化學親（qīn）和力而產生粘結於積屑瘤，造成摩擦阻力增大而是刀具磨損（sǔn）加快。

2． 5 利用熱處理及冷處理解決（jué）加工變形

消除鋁合金材料加工（gōng）應力的熱處理方法有: 人工（gōng）時效、再結晶退火等。

對於結構簡單的零件工藝路線一般采用: 粗加工、人工時（shí）效( 熱處理) 、精加工。

對（duì）於結構複雜的零件工藝路線一般采用（yòng）: 粗加工、人工時（shí）效（xiào）( 熱處理) 、半精加工、人工時（shí）效( 熱處理) 、精加工。

對於精度要求高的零件在粗加工和半精（jīng）加工後安排人工（gōng）時效( 熱處理) 工序的同時，可以在零（líng）件精加工工序後再安排（pái）一次（cì）穩定化熱處理工序，防止（zhǐ）零件在放置、安裝、使用過程中（zhōng）發生微小的尺寸變化。

消除鋁（lǚ）合金材料加工盈利的冷處理方法: 振動時效、人工校（xiào）形、自然時效以及冷凍處理。振動時效是利用機械的方法使零件（jiàn）產生震動，使加工中產生的應力得以釋（shì）放或重新分布達到穩定零件（jiàn）尺寸的目的。人工校形是指零（líng）件加工變形後，由人工施加一定（dìng）的壓力對變形零件校形，並通過不斷施加外力打到內應力釋放的目的。冷凍處理就是利用低溫處理改善材（cái）料基體組織結構，強化基體組織，增強尺寸穩定性（xìng）; 同時與（yǔ）熱處理的再結晶退火相結合，高低溫相互衝擊（jī），已達到更好的零件尺寸（cùn）精度（dù）。

3 、結語

通過對上述加工條件和（hé）加工參數的綜合應用，在生產加工中能較（jiào）好地保證（zhèng）產品（pǐn）的品質，滿足產品的表麵粗糙度要求。所以在鋁合金的切削過程中，刀具材料、刀具的幾何參數、切削液以及加工應力的消除尤為重要，隻有綜合考慮這些因素，才能比較高效率地生產出合格的產品。

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