鋁合金的切削特性分析和工藝技術研究

童 春 辛越峰 劉健松

（中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽 621900）

鋁合金的切削特性分析和工藝技術研究

童 春 辛越峰 劉健松

（中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽 621900）

鋁合金材料適用于高速切削，切削過程中容易出現粘刀、切削變形和振動等問題。通過分析鋁合金的切削性能，研究鋁合金的切削工藝，提出加工鋁合金時刀具材料及參數、切削用量、切削液、處理工藝、工裝和輔助工具的選擇和設計，以有效避免或減小切削問題，保證鋁合金工件加工質量，提高生產效率。

鋁合金 切削特性 刀具材料 切削用量

引言

鋁合金密度小、機械強度高，具有良好的抗腐蝕和導電導熱性，在機械、醫療、航空、化工等領域得到了廣泛運用。近年來，隨著工業的需求，鋁合金零件的加工任務量不斷增加，鋁合金件的形狀輪廓越來越復雜，尺寸精度和形位公差要求也越來越嚴格。由于鋁合金的性能有別于一般金屬切削材料，所以在切削鋁合金件時，如何選擇合理的刀具、切削參數等工藝參數，成為機械加工制造中的重要問題[1]。本文通過分析鋁合金的切削加工特性和討論鋁合金件在加工工藝中出現的問題[2]，探究加工鋁合金件的工藝參數，以期為加工生產提供指導。

1 鋁合金的切削特性分析

鈍鋁密度小，強度低。為改善鋁的結構性能和加工性，往往在其中添加Cu、Mn、Si、Mg、Zn等合金元素，從而形成一系列鋁合金。鋁合金既保留了鈍鋁質輕的特點，又有媲美鋼材料的結構強度。目前，鋁合金中，以壓力加工方法生產出來的各種管材、棒料、型材等主要包括防銹鋁（鋁、錳或鋁、鎂合金）、硬鋁（鋁、銅、鎂或鋁、銅、錳合金）、鍛鋁（鋁、銅、鎂、硅合金）、超硬鋁（鋁、銅、鎂、鋅合金）等，以鑄造方法澆鑄而制的主要有鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁鋅合金、鋁稀士合金等[3]。

1.1 鋁合金的切削性能

鋁合金密度小（2.7g/cm3左右），抗拉強度可達24～60kgf/mm2，導熱性好，硬度低，適于高速切削[4]。但是，它的線膨脹系數較大，切削時容易變形。所以，鋁合金經常采用熱處理強化或冷處理強化后進行加工[5]。鋁合金的加工切削性能，如表1所示。

1.2 鋁合金切削過程中常見問題分析

由于鋁合金具有硬度低、線膨脹系數大等特點，在生產加工過程中常出現以下問題：

表1 鋁合金切削性能

（1）粘刀現象。鋁合金工件硬度小（最高120HB左右），塑性較大，切削時工件變形大；切屑與前刀面的摩擦較大，且接觸面積也大；由摩擦和變形產生的熱量，使工件表面金屬變軟直至溶化。再者，鋁合金切屑不容易斷裂，熱量不能及時帶走，加劇了工件材料的溶化。這樣切屑滯留在切削刃上，容易產生粘刀現象，從而進一步形成積屑瘤，影響切削過程。

（2）切削變形。鋁合金件的抗塑性變形能力差，在切削力的作用下，工件表層容易產生塑性變形。在切削摩擦過程中，切削熱一方面使工件材料膨脹變形，一方面在冷熱臨界區域產生熱應力導致工件變形。工件在加工過程中由切削力、切削熱等引起的殘余應力，也導致工件變形。這些變形不但影響下道工序的進行，還影響工件加工質量，甚者產生加工廢品。

（3）切削振動。鋁合金彈性模量小，在70GPa左右，約為合金鋼的1/3。切削時，容易產生彈性回復現象，從而引起刀具系統、進給系統的振動。切削過程中形成的積屑瘤替代刀刃進行切削，積屑瘤的形成、脫落過程以及切削過程都會產生一定的振動。

2 鋁合金切削工藝技術研究

鋁合金本身的材料性能，引起工件在切削加工中出現粘刀、變形、振動等問題。根據鋁合金的切削性能，加工過程中需合理選擇刀具參數、切削參數等，設計恰當的工藝路線，有效避免或減緩切削過程中的問題，確保工件切削質量。

2.1 刀具材料及刀具參數的選擇

鋁合金在切削過程中產生的切削力較小，可適于高速切削。但是，相較于合金鋼而言，鋁合金質軟，硬度小，還具有韌性，對切削刀具有較高的要求。

（1）不含親和材料，不粘刀；

（2）刀刃鋒利，能有效去除切削毛刺；

（3）刀體有較好的剛性，能抑制或削弱切削振動；

（4）結構上還要求有排屑槽，防止帶狀切屑劃傷工件已加工表面。

表2列出了適用于切削鋁合金的刀具材料。

表2 切削鋁合金的刀具材料

除刀具材料外，刀具的幾何參數是影響加工質量的一個重要因素。切削鋁合金時，選用較大的刀具前角，一般12°～18°。前角過大，切削刃和刀頭強度降低，不利于刀具散熱，影響刀具壽命；前角過小，切屑變形增大，易斷屑，但切屑容易劃傷工件已加工表面。粗加工時可適當減小前角，精加工時可適當增大前角。刀具（副）后角有利于減小（副）后刀面與工件的摩擦。由于鋁合金彈性模量小、易粘刀，切削摩擦嚴重，宜選擇較大的后角。例如，切削鑄鋁合金時，后角可取12°。對于刃傾角的選擇，沖擊較大的連續切削，取較大負值的刃傾角配合較大前角，保證切削質量；精加工時宜取正刃傾角，防止切屑劃傷已加工表面。切削時，選用刀刃鋒利的刀具，前刀前研磨拋光，選擇盡可能小的刀尖圓弧半徑，以防止積屑瘤和切削毛刺。

2.2 切削用量的選擇

切削用量包括切削速度、進給量和背吃刀量三個切削要素，表示切削過程中切削運動的大小以及刀具切入工件的程度，直接影響到切削力、切削熱、刀具壽命、工件表面粗糙度等。對于鋁合金這種適于高速切削又容易產生粘刀、切削變形、振動等問題的材料，合理選擇切削用量顯得尤為重要。一般情況下，粗加工時選用較大的切削深度和進給量。例如，切削2A12時，速度可控制在800r/min左右；精加工時，切削深度0.2～0.5mm，選擇較高的切削速度和較小的進給量。

2.3 切削液的合理選擇

鋁合金在高速切削下產生大量的切削熱，極易使材料發生氫化反應。選擇合理的切削液，避免鋁合金在切削過程中的化學反應，同時帶走切削熱，可保證工件表面加工質量。由于鋁合金的切削特性，要選用黏度較小、有良好潤滑性的油液。粗加工時，可以選用極壓乳化液，避免氫化反應。精加工時，為保證工件加工質量，可選用煤油和機油的混合油液。

2.4 選擇合理的處理工藝

切削鋁合金時，為消除切削應力，可在鋁合金加工工藝中適當增加處理工藝，主要包括熱處理和冷處理。適合鋁合金材料的熱處理工藝包括去應力退火、再結晶退火、均勻化退火、人工時效。一般鋁合金件的加工工藝路線為：粗加工后進行熱處理，再進行精加工。對于結構復雜的零件，為有效去除切削應力，可在半精加工前和精加工前都安排一道熱處理工序。適合鋁合金材料的冷處理工藝包括振動時效、人工校形、自然時效和冷凍處理等。其他消除鋁合金殘余應力的處理工藝，還有深冷處理、超聲波時效、激光處理等新興工藝。

2.5 選擇合理的裝夾和輔助工具

裝夾鋁合金件有別于一般鋼件的裝夾。夾緊過大，易導致鋁合金工件變形；夾緊不足，又容易使工件顫動。

根據加工鋁合金工件的經驗，可采用以下措施進行裝夾：

（1）以液壓控制裝夾系統的機床，可適當調低壓力；

（2）采用軟爪進行裝夾；

（3）精加工時，在工件外表面包銅片后進行裝夾；

（4）工件尺寸較大時，為防止夾緊力不夠出現顫抖，可用2～4mm厚的鋼片替代銅片進行裝夾；

（5）對于薄壁件，制作芯軸或者下料時預留實心卡頭；（6）設計專門的裝夾結構。

3 結語

通過研究鋁合金的切削特性，分析材料在切削過程中容易出現粘刀、切削變形和振動等問題。經過鋁合金加工經驗，進一步研究鋁合金的切削工藝，總結出切削鋁合金時刀具材料及參數的選擇，切削用量、切削液、處理工藝的合理應用，工裝和輔助工具的選擇和設計，為有效避免或減小切削問題、保證鋁合金工件加工質量、提高生產效率提供生產指導。

[1]殷保祖.加工鋁及其鋁合金刀具及其切削參數的選擇[C].中國電子學會電子機械工程分會2003年論文集，2003：326-330.

[2]王林鴻，吳希讓.鋁合金切削的問題及解決方法[J].礦山機械，1998，（3）：65-66.

[3]賈耀卿.常用金屬材料手冊（下）[M].北京：中國標準出版社，1999.

[4]康魯迪，楊發展，佟春明.鋁合金高速加工關鍵技術研究現狀及分析[J].現代制造工程，2014，（1）：83-86.

[5]史全富，汪麟.金屬切削手冊[M].3版.上海：上海科學技術出版社，2000.

Cutting Characteristics Analysis and Machining Technology Research of Aluminum Alloy

TONG Chun, XIN Yuefeng, LIU Jiansong
(Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900)

Aluminum alloy materials are suitable for highspeed cutting, with sticking knife, cutting deformation and vibration cutting machining problems. By analyzing the aluminum alloy cutting characteristics and studying the machining technology, a series of processing parameters was proposed. Suitable selection of tool material, cutting parameters, cutting coolant, treatment process, fixture and assist devices can effectively avoid cutting problems, ensure the quality of aluminum alloy workpieces and improve production efficiency.

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