鋁合金鉆孔方法新解

姚瑞

（西安航空職業技術學院 實習實訓中心，陜西 西安 710089）

鋁及其合金，由于密度小并具有一定的機械性能和良好的導電性、導熱性及耐蝕性，因此在各種工業部門中都得到廣泛的應用，特別是航空領域。但在鉆孔加工中，鋁合金卻存在著很多的加工難題。

鋁合金按制造方法不同，分為鑄造的和形變（可壓延）的兩大類。形變鋁合金多用來制造拉伸的零件、鉚釘、板材、型材等，這一類零件在加工過程中，孔的加工并不多見，我們暫且不考慮。而鑄造鋁合金，相對而言種類很多，最基本的是鋁硅合金ZL102，俗稱硅鋁明。常用的牌號有ZL102、ZLl01 和ZL202，鑄造性能都較好。

1 鋁合金鉆削加工的特點

1.1 優點

鋁合金強度與硬度均低，切削負荷小，可以加大切削用量；導熱性能好，比銅合金還高出一倍，對降低切削溫度有利。除純鋁外，一般鋁合金的塑性都小，伸長率低，因此斷屑較順利。鋁合金強度和硬度相對較低，塑性較小，對刀具磨損小，且熱導率較高，使切削溫度較低，所以鋁合金的切削加工性較好，屬于易加工材料，切削速度較高，適于高速切削。

1.2 缺點

鋁合金工件散熱比較快，但在刃口上仍存在局部的高溫、高壓區，而鋁和鋁合金的熔點低（鋁的熔點為659 ℃），因此切屑上鋁合金的分子很容易粘滯在鉆頭的前面上，形成積屑瘤。

鋅合金的熔點更低，約400 ℃左右，因此這個問題更加嚴重，常常使切屑完全熔粘在螺旋槽上，擠死刃溝。

鋁合金熔點較低，溫度升高后塑性增大，在高溫高壓作用下，切削界面摩擦力很大。容易粘刀，特別是退火狀態的鋁合金，不易獲得低的表面粗糙度。

由于鋁合金比較軟，所以容易產生積屑瘤，并且鑄造鋁合金常有針眼、氣孔等缺陷，使孔的光潔度降低。

由于積屑瘤的殘痕粘附在鉆頭前刀面（螺旋槽）上，使切屑流出受到阻礙，導致切屑變形大，收縮系數也大，切屑斷面變得很厚，占去鉆頭刃溝容屑空間較大的比例，因此使排屑情況變壞。

鋁合金的彈性系數，僅為碳鋼的1/3，而其線膨脹系數，卻為碳鋼的2 倍，因此鉆孔中要防止孔徑的收縮，并應加大后角。

加工鋁合金若用水劑切削液，由于鋁容易和氫起化合作用，使孔壁產生很細的針孔。粗加工時，可用較濃的乳化液；而精加工，則最好用潤滑性較好的非水劑切削液，以防止產生針孔，同時有利于減小切屑的變形以及切屑與鉆頭前面之間的摩擦，避免產生嚴重的積屑瘤。我們推薦用煤油或煤油與機油的混合液。

2 鋁合金鉆孔的方法

與鋼材和黃銅相比，鋁合金的特點一是材質軟，剛性差，二是彈性模量低。這兩個因素，顯著影響了鋁合金的切削加工性。因此，在加工鋁合金工件時，必須充分地夾緊和支撐工件，并保持刀具鋒利。否則，工件往往會有離開切削刀具的傾向。

有時工件的表面出現不規則的槽痕和光亮的擠壓斑，一種可能是由于刀具對工件的壓力不正常引發的，還有一種可能是由于夾持不牢固而引起振顫時，刀具在工件的表面作間隙式的磨蹭，發生擠壓現象和粉狀切削，然后當間隙或彈性消失時，刀具就咬入工件的表面，啃出槽痕。所以，在鉆孔過程中，我們也要注意鋁合金的切削要點，合理地選取鋁合金的切削方法。

2.1 選擇鋁合金群鉆

在鉆削過程中，標準群鉆由于外刃鋒角（2Φ）、內刃鋒角（2Φ'）相對較大，后角（α）較小，后刀面與被切削面摩擦嚴重，產生了大量的切削熱，切削溫度升高快；主切削刃對材料的切入角小，切削厚度變薄，容易碎斷，不易排出；內刃前角為負值，工作中完全處于擠壓切削狀態，局部溫度高，材料融敷現象嚴重。

（1）鋁合金專用群鉆幾何參數和形狀的改進。經過長期實踐，我們對標準群鉆進行了幾何參數和形狀上的改進，刃磨成鋁合金專用鉆頭，如圖1 所示。

圖1 鋁合金群鉆

將原有140°的外刃鋒角減小至105°～110°，這樣就減少了軸向力，加大了刀尖角，改善了散熱條件，加劇了切屑變形，形成了條狀切屑。

加大后角，將后角α 由原來的13°～14°加大至22°～23°，這樣就減少了切削熱的產生，使熔敷現象減輕，同時較大的后角，也使得主切削刃更加鋒利，容易切入材料，形成厚切屑，方便排出。

將原內刃前角–10°左右改為正值或接近正值，可以很好地降低切削阻力，改善內刃切削狀體。

將原有雙邊圓弧槽改為單邊圓弧槽，在鋁合金硬度低的條件下，可以很好地減小切削抗力，增加切屑厚度，而不會引起震動。

將橫刃沿背側的棱多磨去一些，以加大容屑空間，具體鉆頭參數如表1 所示。

表1 鋁合金鉆頭鉆孔時的典型參數

（2）鋁合金群鉆的刃磨方法。準備使用A46～60K、L 型號砂輪，砂輪修磨平整，砂輪的遠郊不得大于鉆頭的圓弧半徑。

刃磨直刃時，鉆頭刃口與砂輪平面靠齊，鉆頭軸線向左切屑出峰角的角度，由刃口向后刀面磨削，上下擺動鉆頭柄部，整個過程手要有支點，鉆頭尾部擺動不可高于水平面，如圖2 所示。

圖2 刃磨直刃

在刃磨月牙槽時，鉆頭主切削刃接觸砂輪邊角，刃口不可上翹，鉆頭柄部向下壓刃磨后刀面，砂輪與鉆軸夾角55°角，鉆頭平進，不可上下擺動，如圖3 所示。

圖3 刃磨月牙槽

在刃磨橫刃時，鉆頭軸線左傾15°，鉆頭尾部下壓55°，外刃和砂輪側面形成夾角，注意及時冷卻鉆頭，避免鉆心退火。

最后刃磨加深鉆頭的內槽，用片狀砂輪或小砂輪，此時要注意后角的角度，避免后刀面空間位置高于圓弧切削刃。

2.2 切削刃的鐾光

為了減輕產生積屑瘤的情況，特別是避免積屑瘤在消失時的殘痕粘附在前面上，應將鉆頭切削刃的前刀面（螺旋槽）和后刀面用油石鐾光到0.8 μm以上；最好選用刃溝經過拋光的鉆頭。

2.3 選擇合適的切削用量

極限轉速，大進給，是鋁合金鉆孔時的切削宗旨。高轉速可以提供較大離心力，使得切屑在螺旋槽中更容易呈現噴射狀排出，同時也可縮短切屑在切削刃上的單位停留時間，降低粘結的可能性。而較大的進給量，可以降低單位切削量內產生的切削熱量，具體數值參照表2 所列。

表2 鋁合金鉆孔切削用量

2.4 充分夾緊和支撐工件

在加工鋁合金工件時，必須充分地夾緊和支撐工件，并保持刀具鋒利。否則，工件往往會有離開切削刀具的傾向。

有時工件的表面出現不規則的槽痕和光亮的擠壓斑，一種可能是由于刀具對工件的壓力不正常引發的，還有一種可能是由于夾持不牢固而引起振顫時，刀具在工件的表面作間隙式的磨蹭，發生擠壓現象和粉狀切削，然后，當間隙或彈性消失時，刀具就咬入工件表面，啃出槽痕。

2.5 選取合理的加工過程

為了獲得光潔的工件表面，盡可能采用先鉆孔后擴孔的組合，因為各種合格的鋁合金工件毛坯，總會有一些氧化層，加劇鉆頭的磨損。

2.6 選擇配套的切削液

鋁合金切削液的選擇非常重要，必須保證良好的潤滑性、冷卻性、過濾性和防銹性，因此，可用于鋁合金加工的切削液與普通的切削液有所不同。

在鉆孔時，由于是高速加工，可產生大量的熱量，如果產生的熱量不能及時地被切削液帶走，將會發生粘刀現象，嚴重的會出現積屑瘤，將嚴重的影響到工件的加工精糙度和刀具的使用壽命，同時熱量也可使工件發生變形，嚴重影響到工件的精度。

因此切削液的選擇，既要考慮到其本身的潤滑性，也要考慮其冷卻性能。對于精加工，宜選擇乳化型減摩切削液或低粘度的切削油；對于半精加工和粗加工，可選擇低濃度的乳化型減摩切削液，或半合成減摩切削液等具有良好冷卻性能的切削液。

3 結束語

通過鋁合金鉆孔存在問題的分析和制定相應的解決方法，我們可以在實際操作中順利完成鋁合金鉆孔的加工工作。

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