鋁合金輪轂樣件的數(shù)控銑削表面質(zhì)量研究

韋江波

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545006）

0 前言

鋁合金在當(dāng)前社會(huì)的適用越趨廣泛，其特征在于鋁合金材質(zhì)本身具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐持久性等諸多優(yōu)點(diǎn)。特別是最近國(guó)家出臺(tái)的節(jié)能減排等一系列措施，要求汽車(chē)行業(yè)必須減輕車(chē)身重量，以達(dá)到降低汽車(chē)排放和提高新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航的能力[1]。“十三五”廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目將鋁冶金生產(chǎn)新工藝新方法列入其申報(bào)指南，可見(jiàn)其研究的重要性。

汽車(chē)鋁合金輪轂通常采用A356型號(hào)的鋁合金，和市面上的普通鋁合金有一些不同，因?yàn)殇X合金輪轂要承受汽車(chē)在行駛過(guò)程中的扭轉(zhuǎn)力，同時(shí)要承受汽車(chē)載重力，所以汽車(chē)的鋁合金輪轂必須添加一些稀土元素材料混合鑄造，才能達(dá)到上述性能[2]。由于添加了稀土元素，鋁合金本身的硬度等發(fā)生了改變，因此加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘刀、熱漲、表面刮痕等現(xiàn)象，如何選用合適的刀具材料、加工參數(shù)等方法完成鋁合金輪轂的加工，是本課題主要解決這些問(wèn)題的內(nèi)容。同時(shí)也為相關(guān)（飛機(jī)、輪船、汽車(chē)等）鋁合金的加工技術(shù)提供參考的數(shù)據(jù)[3]。

1 A356鋁合金加工性能分析

鋁合金經(jīng)過(guò)添加了稀土元素后，其性能有了很大程度的提高，和市面上普通的鋁合金有著本質(zhì)上的不同。但其本身材質(zhì)還是以鋁為主，因此在零件的加工上還是有明顯區(qū)別：

（1）鋁合金的導(dǎo)熱性高，在加工過(guò)程中，由于鋁容易產(chǎn)生彈性變形，刀具的后刀面與零件之間接觸面積大，產(chǎn)生劇烈摩擦而引起振動(dòng)，因此不容易獲得加工精度和表面粗糙度。

（2）鋁合金在加工時(shí)容易產(chǎn)生熱膨脹，膨脹系數(shù)要比鋼材料大2倍以上，在切削時(shí)，由于鋁材料本身的導(dǎo)熱性能好，切削后已加工表面冷卻不到位的地方會(huì)產(chǎn)生較大的熱漲變形，高速加工時(shí)尤為明顯，當(dāng)加工完后冷卻后產(chǎn)生收縮，很難控制尺寸精度。此外，鋁合金熔點(diǎn)低，在高溫高壓下，切屑和前刀面摩擦?xí)a(chǎn)生積屑瘤。

（3）粗加工時(shí)，可轉(zhuǎn)位刀片刀刃通常比較頓，在切削時(shí)由于吃刀量比較大，被加工表面切削后，由于擠壓，會(huì)帶走相鄰表面的材料，因此會(huì)出現(xiàn)過(guò)切現(xiàn)象。鋁合金的熔點(diǎn)低，粗加工產(chǎn)生的熱量還會(huì)造成粘刀現(xiàn)象。

鋁合金加工所使用的刀具及新技術(shù)：現(xiàn)代向高效、高速加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)刀具的材料及使用有著極高的要求，而在添加稀土后的高性能鋁合金輪轂的加工中通常情況下不使用高速鋼刀具，特別是在高速加工的情況下，無(wú)法得到很好的表面粗糙度和尺寸精度。目前適合鋁合金高速加工的刀具材料有陶瓷、硬質(zhì)合金、金剛石等材料，本文將采用市面上使用較多的硬質(zhì)合金刀具作為鋁合金輪轂加工主要研究的對(duì)象。

2 數(shù)控切削實(shí)施的方式

切削工件材料：A356鋁合金樣件，工件尺寸直徑為70 mm，高度為60 mm。檢測(cè)要求：通過(guò)樣板對(duì)比檢測(cè)被加工表面的表面粗糙度Ra，機(jī)床為KDX650L；刀具為硬質(zhì)合金平底銑刀，型號(hào)為D1-D20；刀桿尺寸為φ10.0*25*75L-3T。

根據(jù)切削參數(shù)計(jì)算公式：

2.1 粗銑

根據(jù)以上述的數(shù)據(jù)和機(jī)床轉(zhuǎn)速、切削速度計(jì)算得出粗加工轉(zhuǎn)速與切削速度，從機(jī)床主軸箱標(biāo)牌查得機(jī)床轉(zhuǎn)速的取值，得出以下各個(gè)工步的轉(zhuǎn)速與切削速度的數(shù)據(jù)，如下表1所列。

表1 刀具粗加工參數(shù)表

參照國(guó)內(nèi)表面粗糙度車(chē)削模板進(jìn)行參考如圖1所示。

圖1 表面粗糙度樣板

在數(shù)控銑床上加工完成后，通過(guò)對(duì)加工表面的質(zhì)量進(jìn)行200倍率的放大，并觀察表面粗糙度模板和加工后的A356鋁合金樣件情況進(jìn)行比對(duì)分析（見(jiàn)圖 2）。

圖2 粗加工表面質(zhì)量對(duì)比

2.2 精銑

結(jié)合數(shù)控銑床的性能，根據(jù)公式近似算出機(jī)床轉(zhuǎn)速、切削速度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值分別給出兩種常用的精加工切削速度參數(shù)，每層的切削深度為0.2 mm，主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，分別給兩組切削速度數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，如表2所示。

表2 刀具精加工參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，刀具為硬質(zhì)合金平底銑刀 D1-D20，轉(zhuǎn)速為 5 000（r/min）；表面質(zhì)量，紋路較好，表面質(zhì)量到達(dá)Ra6.3，微見(jiàn)刀痕，加工時(shí)間8 s，每次切削厚度為0.2 mm，表面裂紋減少，無(wú)裂痕。無(wú)鱗刺和有凹槽，刀尖沒(méi)有切屑瘤，效率值提高。如果205/55R16輪轂尺寸，銑削每次大概需要70 s時(shí)間。

圖3 精加工一表面情況

層的切削深度為0.1 mm，主軸轉(zhuǎn)速為6500 r/min，分別給兩組切削速度數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，如表3所示。

表3 精加工參數(shù)2

圖4 精加工二表面情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，刀具為鎢鋼平底銑刀D1-D20，轉(zhuǎn)速為 6 500（r/min）；表面質(zhì)量，中間部分紋路，有裂痕出現(xiàn)。表面質(zhì)量與國(guó)標(biāo)表面粗糙度相比無(wú)法到達(dá)Ra6.3微見(jiàn)刀痕，效率值一般，表面質(zhì)量一般。加工時(shí)間14 s，每次切削厚度為0.1 mm，表面有裂紋出現(xiàn)，有鱗刺和有凹槽，刀尖有切屑瘤等等。如果205/55R16輪轂尺寸，銑削每次大概需要140 s時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)修改切削參數(shù)，在硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)，可得出不同的加工結(jié)果，并對(duì)加工的結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化，能進(jìn)一步提高材料的表面質(zhì)量和尺寸精度，避免加工后存在裂紋、積屑瘤等缺陷的產(chǎn)生，是汽車(chē)鋁合金輪轂制造過(guò)程中迫切需要解決的問(wèn)題。也是提倡自主創(chuàng)新與轉(zhuǎn)型升級(jí)以增強(qiáng)廣西企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的背景下，為汽車(chē)鋁合金輪轂的加工提供參考的依據(jù)，符合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與市場(chǎng)需求，其研究成果為新能源汽車(chē)、動(dòng)車(chē)等相關(guān)鋁合金加工應(yīng)用方面也具有較大的參考價(jià)值。