鋁合金的切削性能的簡(jiǎn)要研究

郭春杰　唐飛宇　羅承俊　鐘海兵　張俊榮　路英竹

摘 要：鋁合金是硬加工材料領(lǐng)域中具有高機(jī)械強(qiáng)度的、最有前途的材料，也正因?yàn)樗哂休^高的強(qiáng)度重量比這一優(yōu)點(diǎn)，鋁合金在航空航天和航空制造企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。多年來，人們不斷提高對(duì)綠色環(huán)保、低成本的加工實(shí)踐的要求，因此許多研究人員也對(duì)研究更先進(jìn)的加工工藝產(chǎn)生了濃厚的興趣。而在鋁合金材料的加工過程中，選擇合適的加工工藝和冷卻條件則對(duì)其性能起著至關(guān)重要的作用。本文對(duì)鋁合金加工過程中的功耗進(jìn)行了綜合評(píng)述;對(duì)自然冷卻系統(tǒng)和MQL冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了比較;對(duì)使用各種類型的切削刀片的刀具磨損、切削溫度和表面粗糙度進(jìn)行臨界觀察并總結(jié)。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，離子液體作為鋁合金加工中的冷卻劑的應(yīng)用尚不多見，所以本文對(duì)于例子液體的簡(jiǎn)要研究能夠?yàn)楣こ處熀脱芯咳藛T在加工各種鋁合金時(shí)提供合適的切削條件選擇。

關(guān)鍵詞：鋁合金;切削性能;切削條件;冷卻系統(tǒng)

1 前言

鋁合金作為一種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料，由于其密度較低、機(jī)械性能也較為良好而在許多工程部件中得到了應(yīng)用。多年以來，因?yàn)樗哂惺е亟M合和強(qiáng)度性能較高等優(yōu)點(diǎn)，鋁合金在生產(chǎn)企業(yè)中的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。同時(shí)隨著這一技術(shù)的發(fā)展，鋁合金加工的體積比例也有了極大地提高，由此它也被廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)等特定領(lǐng)域。一般來說，在零件制造領(lǐng)域，為了獲得更好的尺寸精度和最佳的表面光潔度，切削過程是在所有部件都處于最佳加工的狀態(tài)下進(jìn)行的，當(dāng)然這也是最有利于精加工操作。

此外，在某些條件下，因?yàn)榧庸み^程中存在抖動(dòng)或者工件的成分中可能含有一些雜質(zhì)，所以有一定幾率會(huì)出現(xiàn)工藝的穩(wěn)定性發(fā)生變化或產(chǎn)品受損等現(xiàn)象。在加工實(shí)踐中，由于壓力和溫度的升高，材料的工作表面會(huì)經(jīng)歷幾何、物理和化學(xué)環(huán)境等多種變化，而這些變化將改變工件的表面完整性，從而降低它們的功能特性。也正是因?yàn)樵诟杉庸み^程中，高速加工（HSM）擁有能夠保證工件的表面完整性、提高金屬去除率、減少毛刺和堆積邊緣的形成這幾大優(yōu)點(diǎn)，它才能夠在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

不論是在有冷卻劑還是在沒有冷卻劑的加工過程中，影響金屬去除率最重要的因素是進(jìn)給速度，次要因素是切削深度和切削速度?；瘜W(xué)氣相沉積金剛石刀具和多晶金剛石刀具都擁有導(dǎo)熱系數(shù)高、摩擦系數(shù)低、溫度高等優(yōu)點(diǎn)，因此這兩種刀具被工程師和研究者認(rèn)為是鋁合金在干燥環(huán)境中加工的優(yōu)良刀具。在使用沒有涂層的硬質(zhì)合金刀片加工鋁合金時(shí)，最主要困難便是前刀面上往往會(huì)形成一個(gè)積層，除此之外工作表面的質(zhì)量也取決于切屑的形狀和尺寸。當(dāng)高速數(shù)控加工鋁合金時(shí)，加工時(shí)間會(huì)大大縮短，這將提高生產(chǎn)率和降低產(chǎn)品成本。鋁合金7068是一種性能更好的合金，與其它牌號(hào)的鋼相比其具有更高的抗拉強(qiáng)度?？梢哉f，它基本上是根據(jù)化學(xué)成分、機(jī)械性能和熱處理要求制造的7000系列鋁鋅合金。此種特殊材料主要是為軍事應(yīng)用而研制的，并且它還在航空航天和汽車工業(yè)中被用于制造連桿、閥體應(yīng)用和醫(yī)療設(shè)備，以及被用于制造智能手機(jī)的外部封裝。

2 可加工性

可加工性是指金屬易于切削（加工），能夠使材料迅速地被去除，并且加工成本較低。加工性好的材料一般切削功率小、切削速度快，而通常所講的可加工性包括表面光潔度、刀具壽命、切削溫度、功率和刀具成本等方面，此外還有許多參數(shù)會(huì)影響機(jī)床的性能，但一般不用于量化過程。

（1）刀具磨損。刀具磨損被認(rèn)為是一種摩擦學(xué)特性，其隨著加工過程的進(jìn)行而進(jìn)一步導(dǎo)致表面粗糙度的增加。刀具磨損會(huì)影響加工過程的表面質(zhì)量、刀具壽命、尺寸精度和經(jīng)濟(jì)性。因此，為了能夠更好的使用道具，機(jī)械加工行業(yè)便會(huì)更加注重對(duì)刀具磨損采用不同的檢測(cè)方法。OkokPujie建立了統(tǒng)計(jì)模型，他以99.7%的精度對(duì)切削刀具進(jìn)行模擬，并通過最佳工藝參數(shù)組合來進(jìn)抹蜜。他發(fā)現(xiàn)刀具磨損最小是0.213毫米，而在加工表面的幾何偏差方面，表面光潔度、尺寸、形狀和取向則是較為重要的因素。除此之外，他還發(fā)現(xiàn)因?yàn)榱Φ淖兓瘜?duì)切削力的影響非常小，所以切削速度在粘著結(jié)果中擺動(dòng)較小。

Bejar等人分析了UNS A97075-T6（Al-Zn）在干式車削過程中，加工因素對(duì)粘著刀具磨損的影響，并進(jìn)一步觀察到重要的切削參數(shù)（進(jìn)給量和切削深度）值的增加導(dǎo)致BUE的增加。也正因?yàn)槭芮邢魃疃鹊挠绊?，進(jìn)給量是表面紋理的重要參數(shù)。OkokPujie等人發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)給量和切削深度的增加，刀具磨損量隨引導(dǎo)速度的增加而減小。因此切削速度是合金和MMC加工過程中最重要的表面參數(shù)。

（2）表面粗糙度。表面粗糙度對(duì)部件的加工和生產(chǎn)成本有著重大影響，因此它是部件質(zhì)量的一個(gè)重要的參數(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，表面因素、幾何和尺寸這三個(gè)方面是最重要的，因此高速數(shù)控加工工藝的使用往往導(dǎo)致成本更低、性能更高，且能以最大的生產(chǎn)精度提高生產(chǎn)效率。

同時(shí)為了以更低的成本來生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，所有的制造企業(yè)都在尋找能夠取得更低的粗糙度、刀具磨損和更高的材料去除率的方法。但研究人員還應(yīng)該考慮到所有測(cè)量的輸出以及對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行合理選擇，因?yàn)樗鼈儠?huì)直接影響生產(chǎn)過程。Abdallha等人利用田口優(yōu)化技術(shù)尋找優(yōu)化參數(shù)組合，最大限度地提高材料去除率，降低車削過程中表面粗糙度。同時(shí)結(jié)合市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)性和經(jīng)濟(jì)性來看，加工行業(yè)如果在復(fù)雜機(jī)床條件下進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的話，成本效益相對(duì)而言較高一些。Sebastian等人通過研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度隨進(jìn)給速度的增加而提高，除此之外，還采用不同切削參數(shù)來進(jìn)行“高速數(shù)控加工對(duì)AA6063-T6鋁合金表面粗糙度的影響”這一研究，該研究表明如果切削時(shí)間大大縮短，便可提高生產(chǎn)率，從而降低生產(chǎn)成本。M.S.Najiha等人用最小潤(rùn)滑法研究了6061-T6鋁合金加工中的硬質(zhì)合金刀具的表面粗糙度。在設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中，則采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了粗糙度隨轉(zhuǎn)速的增加而線性增加，即當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5450轉(zhuǎn)/分后，粗糙度減小;而對(duì)于TiAlN+TiN涂層，硬質(zhì)合金刀片則有增加的趨勢(shì)，但TiAlN涂層的表面粗糙度值與TiAlN+TiN嵌件的表面粗糙度值相比要高的多。

（3）耗電量。切削過程中的功耗會(huì)顯著影響生產(chǎn)成本，許多部件如電動(dòng)機(jī)在機(jī)器設(shè)備中將消耗大量的能量。加工工具不僅能夠加工材料，還會(huì)產(chǎn)生切屑和熱量。而則可以根據(jù)特定的、能對(duì)周圍環(huán)境有巨大影響的可加工性因素，如能耗、切削力和機(jī)床部件等來預(yù)測(cè)能量消耗。也正因?yàn)槿绱丝梢裕晒浪愕綄?shí)際機(jī)器使用的能量?jī)H占總數(shù)量的15%。由此可見，可通過提高加工過程的能源利用率，來降低加工過程的能源消耗，從而使環(huán)境影響最小化，有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)。近年來能源引起了相當(dāng)大的關(guān)注，無論是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界都對(duì)電耗和表面進(jìn)行了一些探索，研究人員利用PCD刀具對(duì)鋁合金6063TiC復(fù)合材料的粗糙度進(jìn)行了估算，并假定在所有條件下能量消耗隨切削深度的增加而增加。然而事實(shí)上，隨著進(jìn)給量、切削速度和切削深度的增加，能量消耗也會(huì)隨之增加。在干燥條件下，研究人員必須考慮機(jī)床的條件，以及加工信息和經(jīng)驗(yàn)公式（關(guān)于模具壽命、強(qiáng)度和表面質(zhì)量），同時(shí)盡量減少對(duì)能源和廉價(jià)工具的使用，這樣才能夠提高性能。除此以外，利用比能法、切削功率法和指數(shù)函數(shù)法等評(píng)價(jià)材料能量的方法，發(fā)現(xiàn)了切削過程中的最低能耗是在較低的速度和較高的切削和進(jìn)給深度下實(shí)現(xiàn)的，能量消耗的能量消耗分別為37.43%和20.5%。該結(jié)果表明，鋁的金屬去除率預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)于鋼和球墨鑄鐵。同時(shí)實(shí)測(cè)功率值大多在預(yù)測(cè)功率的不確定范圍內(nèi)，可以得出使用SEM、EFM測(cè)量功率的難度適中，使用CFM測(cè)量功率的難度最大這一結(jié)論。

（4）刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)。目前，加工工藝在國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著非常重要的作用。為了減少零件制造中的切削時(shí)間、降低加工成本、提高尺寸精度和最佳表面光潔度，同時(shí)也是被自動(dòng)化過程和加工環(huán)境所吸引，所以大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品的制造都采用機(jī)械加工方法。在某些條件下，會(huì)出現(xiàn)諸如加工穩(wěn)定性的變化或最終產(chǎn)品的低質(zhì)量等物理現(xiàn)象，這是由于加工過程中存在抖動(dòng)或是工件成分中存在雜質(zhì)。近年來，為了克服這一問題，工程師和研究人員開始關(guān)注加工過程的在線監(jiān)測(cè)。在切削行業(yè)中，刀具磨損是一個(gè)較為重要的問題，因?yàn)槟p會(huì)影響加工過程的表面質(zhì)量、刀具壽命、尺寸精度和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性。同時(shí)對(duì)刀具的監(jiān)控并不是非常容易，加工過程主要是一個(gè)非線性系統(tǒng)，并依賴于時(shí)間，這使得它們的建模變得復(fù)雜;其次，傳感器依賴于所獲取的信號(hào)，例如工件材料、加工條件、刀具幾何形狀;同時(shí)因?yàn)闆]有任何直接的方式來量化磨損，所以只能進(jìn)行間接測(cè)量，這也是必須的評(píng)估。除此之外，由于各種各樣的原因，例如刀具幾何差異、刀具抖動(dòng)、數(shù)字化儀器的噪聲抖動(dòng)、傳感器非線性和工作材料特性，都會(huì)干擾來自機(jī)床的信號(hào)。由于加工零件的尺寸和變形，刀具磨損是許多加工過程中的一個(gè)重要參數(shù)。因此，在大多數(shù)金屬切削過程中，對(duì)刀具磨損機(jī)制的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)是至關(guān)重要的。放射性波、觸發(fā)器探頭、接近傳感器、光電電阻是測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)檫@涉及了一個(gè)與磨損程度相互關(guān)聯(lián)的變量，所以當(dāng)?shù)毒咧鲃?dòng)嚙合時(shí)，研究者可用直接法進(jìn)行測(cè)量。工具監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)集信息選擇、加工、獲取數(shù)據(jù)和決策工具于一體的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)處理流程。在加工過程中，加工刀具部件的干擾和磨損是刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。過去，研究者主要關(guān)注刀具磨損、刀具破損和刀具剩余壽命評(píng)估等方面，而現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)刀具狀態(tài)的在線識(shí)別才是至關(guān)重要的，因?yàn)橹灰ㄟ^在線刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)，就能準(zhǔn)確地檢測(cè)出97%的總磨損量。

（5）切削溫度。切削溫度是加工操作的一個(gè)重要參數(shù)，隨著速度的增加，當(dāng)溫度值上升到一定的極限，切口的強(qiáng)化就會(huì)受到熱阻的限制。因此，研究者有必要改變作用在儀器上的熱應(yīng)力。切削溫度分布不均勻，但切口邊緣發(fā)生變化，因此可以把加工溫度當(dāng)成平均值來看。工件和切削刀具的加工溫度可用熱電偶進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)在定期去除金屬的情況下，刀具的表層先被加熱，然后周期性冷卻。由此可以看出，溫度首先會(huì)隨著速度的增加而增加，之后由于加熱時(shí)間過短而降低。提高切削加工性能和加工質(zhì)量是金屬切削行業(yè)的一個(gè)重要課題。Kannan等人利用表面響應(yīng)方法建立了鋁6063的溫度場(chǎng)模型，并對(duì)其進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在切削速度為200m/min、切削深度0.25毫米、進(jìn)給速度0.05m/rev時(shí)，可達(dá)到加工零件的最小表面粗糙度和最小溫度切削力。溫度會(huì)對(duì)刀具磨損和有效性產(chǎn)生影響，因此在溫度是非常重要的一個(gè)因素，而加工過程中產(chǎn)生的熱量取決于試樣的切削速度、刀具材料和工件的導(dǎo)熱系數(shù)。在加工金屬時(shí)，刀具刃口產(chǎn)生的熱量對(duì)刀具的運(yùn)行和成品質(zhì)量有著重要的影響。除此之外，界面切屑溫度與切削速度密切相關(guān)——隨著加工速度的增加，切削區(qū)的溫度升高;隨著速度和進(jìn)給量的增加，切屑的橫截面增大，從而增加了摩擦導(dǎo)致的溫度升高。觀察到，在加工過程中晶粒生長(zhǎng)部分表面以下所產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致加工材料軟化，從而硬度降低。

（6）微結(jié)構(gòu)。材料的微觀組織特征是加工過程中的一個(gè)重要的考慮因素。制造材料微觀結(jié)構(gòu)的演化軌跡取決于它的溫度和機(jī)械載荷，而工件的加工表面的加工能力和完整性則取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)特征。在平均織構(gòu)和晶粒尺寸的框架中，適當(dāng)?shù)念A(yù)定義工藝（如旋轉(zhuǎn)、變形速度和與工件相關(guān)的高溫）能夠中影響表面的微觀結(jié)構(gòu)。因此，有必要從微觀結(jié)構(gòu)的角度來研究對(duì)表面現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。由于生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，表面完整性研究和微觀結(jié)構(gòu)變化已成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的主要興趣領(lǐng)域之一。在熱力學(xué)-誘導(dǎo)載荷和確定機(jī)械和熱區(qū)域所在區(qū)域之間界限的過程力學(xué)中，該載荷對(duì)工作表面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響最大。對(duì)AA 7055進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在最低溫度下鋁合金的切削層中有許多位錯(cuò);在最高溫度下，微觀結(jié)構(gòu)中沒有位錯(cuò)。對(duì)于工件微結(jié)構(gòu)的表征，應(yīng)使用掃描電子顯微鏡（SEM）和光學(xué)顯微鏡來量側(cè)面磨損。在微細(xì)加工中，工件材料的微觀結(jié)構(gòu)件材料的微觀組織對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要的影響，同時(shí)對(duì)表面粗糙度處理的要求也決定著表面層的晶粒尺寸。

3 結(jié)論

鋁合金由于其高性能、低密度、高強(qiáng)度重量比，深受工程人員喜愛，因而對(duì)鋁合金的切削性能的了解對(duì)加工鋁合金產(chǎn)品顯得極為重要。本文旨在對(duì)鋁合金的加工性能進(jìn)行總結(jié)，為工程人員、研究人員提供幫助。文中對(duì)鋁合金的加工過程中冷卻系統(tǒng)和MQL冷卻系統(tǒng)進(jìn)行比較，從微觀結(jié)構(gòu)刀具磨損、表面粗糙度等多方面觀察，闡述，總結(jié)出進(jìn)一步提高在不同工作條件下加工后的鋁合金性能，從能耗來看，能夠在滿足性能要求的前提下，節(jié)省能源。在現(xiàn)有的研究的基礎(chǔ)上，不僅要了解加工性能，更要了解冷卻系統(tǒng)對(duì)加工的作用，適當(dāng)利用冷卻系統(tǒng)，從而能更好地制定出目標(biāo)產(chǎn)品的加工過程。

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作者簡(jiǎn)介：郭春杰（1979-），男，湖南株洲人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事汽車減振及輕量化產(chǎn)品的研發(fā)工作。