鋁合金材料加工刀具設計及工藝優化研究

楊柳 楊慶煊 鄭大騰 李軍

摘要： 研究用鋁合金結構零件高速加工中高質量加工工藝的形成機制，設計獨特的硬質合金加工刀具幾何參數，開發不同涂層的高效銑削各類機構用鋁合金結構件材料的銑刀關鍵技術;獲取涂層刀具平穩銑削鋁合金結構件材料的方法和措施;對銑削鋁合金結構件材料刀具切削性能進行綜合評價;研究涂層刀具與鋁合金結構零件材料的匹配性;揭示鋁合金結構件材料加工刀具磨損及其影響因素;鋁合金結構件材料的制備及優化加工工藝。

Abstract： The formation mechanism of high quality machining technology in high speed machining of aluminum alloy structural parts used in products was studied. The unique geometric parameters of carbide machining tools were designed. The key technology of milling cutter for high efficiency milling of aluminum alloy structural parts used in products with different coatings was developed.Methods and measures for obtaining coating tool for smooth milling aluminum alloy structural parts; The cutting performance of milling aluminum alloy structural parts was evaluated comprehensively.The matching of coating tool and aluminum alloy structural parts was studied.The tool wear and its influencing factors in machining aluminum alloy structural parts were revealed.Preparation of aluminum alloy structural parts and optimization of processing technology.

關鍵詞： 鋁合金材料;鋁合金刀具;刀具設計;工藝優化;柴油機活塞連桿機構和3C數碼產品加工

Key words： aluminum alloy materials;aluminum alloy cutting tools;cutting tool design;process optimization;diesel engine piston connecting rod mechanism and 3C digital product processing

中圖分類號：TG506? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0086-03

0? 引言

目前，鋁合金是現代工業中應用比較多的一種材料，在機械制造和設計、模具壓力加工制造等各種行業中已大量應用。隨著人類文明進步以及科技和新技術的飛速發展，需要越來越多的鋁合金材料，尤其是刀具。鋁合金具有較好的塑性，抗氧化性，抗腐蝕性能好，可制成各種金屬材料;但是普通鋁的強度較低，一般不用于工具材料使用，尤其是刀具。通過反復的生產實踐及驗證，認識到可以加入合金元素等方法來強化鋁合金，獲得優質高效的鋁合金，并進一步發展成了鋁合金刀具。鋁合金雖然密度低，但強度比較好，機械可加工性好，可加工成各種刀具，在很多領域得到了廣泛的應用。經過大量的實踐，鋁合金經過熱處理的升溫，然后爐冷降溫冷卻，可以得到性能優異，塑性好、強度高，可加工性好的鋁合金。鋁合金在制備過程中，較易產生各種缺陷，比如：體缺陷，這時，可以用電焊等設備來進行修補或再造。這樣加工得到的鋁合金刀具可以滿足3C數碼產品生產和切削。但在采用鋁合金刀具加工具有低熔點、高強度、高塑性等特點的3C數碼鋁合金零件時，極易產生粘刀，導致刀具磨損、破損、刀具鋒利性下降以及加工顫振現象，加工質量差且難以穩定控制;同時，由于零件尺寸小、薄壁部位多（壁厚最小為0.3mm）、結構復雜、幾何結構不對稱、切削振動、切削加工不均勻塑性變形易導致零件加工后產生變形失去原來的加工精度。這些加工過程產生的問題極大制約著柴油機活塞連桿機構和3C數碼產品加工質量以及加工效率的提高，改進刀具的參數和優化切削工藝就成為現實的選擇。

加工具有低熔點、高強度、高塑性等特點的各種機構，比如：柴油機的活塞連桿機構和3C數碼產品等，用鋁合金結構零件時，極易產生粘刀，導致刀具磨損、破損、刀具鋒利性下降以及加工顫振現象。通過研究用鋁合金結構零件高速加工中高質量加工工藝的形成機制，設計獨特的硬質合金加工刀具幾何參數，開發不同涂層的高效銑削各類機構用鋁合金結構件材料的銑刀關鍵技術，并進行生產試驗驗證;獲取涂層刀具平穩銑削鋁合金結構件材料的方法和措施;對銑削鋁合金結構件材料刀具切削性能進行綜合評價;研究涂層刀具與鋁合金結構零件材料的匹配性;揭示鋁合金結構件材料加工刀具磨損及其影響因素;優化鋁合金結構件材料的加工工藝，提高加工效率，保證加工工件的質量，延長刀具壽命。為實現高質量要求鋁合金結構件的高效、穩定的高速銑削加工，提供應用基礎理論與加工工藝方法。

1? 鋁合金結構件高速銑削切屑形成與轉變機理

盡管鋁合金密度低，但強度比較高，甚至性能優于普通的鋼材，總體性能不錯，在生產實踐中廣泛應用，尤其是目前用作刀具。高速銑削過程中使用鋁合金刀具更易完成產品加工，在考慮刀具和工件兩個方向的自由度的基礎上，分別測得3C數碼產品的各項加工參數，分析銑削參數以及刀具結構參數對振動加速度與噪聲的影響機制和作用機理。在此基礎上，設置不同銑削參數的正交試驗和刀具結構參數。

在鋁合金刀具銑削過程中，流速比較低的切削底層金屬，停滯下來粘貼在前刀面上，形成一塊硬度高于基體硬度3倍的刀瘤，可代替刀刃切削，隨著切削速度不同，其高度也不同，當切削溫度為300℃時，高度最大，低于或高于300℃時，高度減小，大于500℃時，刀瘤消失。在粗加工時，可以增大刀具的工作前角，減小切削力和切削變形，同時可保護刀尖，減小刀具磨損，精加工時，刀瘤的產生、長大和脫落，改變了切削厚度，降低了工件的精度，此時，采用提高切削溫度，適當減小切削力，選用合適的切削液，可以限制刀瘤的產生。

銑削速度在不斷加大，加工切屑逐漸進行變化，產生了帶狀切削，通過鋁合金刀具的參數優化和相應的工藝改進，得到切削參數對帶狀切削的影響和關系。通過進一步分析，在不同的條件下切削帶帶的變化規律，得到了帶狀切屑的形成原因和規律。隨著加工條件的不同，鋁合金刀具的各項參數都發生了變化，切削也就不一樣了。應用此規律，建立3C數碼產品的銑削模型。分析不同切削條件下的帶狀切屑的受力情況、應變的變化、溫度差異及其銑削的變化情況，可以得到鋁合金刀具在不同銑削參數下對帶齒狀切屑的影響規律。

考慮帶狀切削的鋸齒化程度：

將帶狀切屑簡化為圖1所示的模型，用K來表示鋸齒因子，即K=（A1-A2）/A2（式中，A1為單個帶狀切屑的面積，A2為多個帶狀切屑的總面積）。

切削的形成是刀具加工3C數碼產品時，首先在刀具的前刀面處局部塑性變形隨著切削的進行，刀具不斷進給、作用于切削層，切削層表面處受應增大，材料產生較大的塑性變形，隨著塑性變形增大，此時工件發生破裂，刀具繼續進給，工件破裂速度加快，形成加工切屑。也就產生了切削，鋁合金刀具不斷重復以上步驟，產生大量切削，完成剩下的加工余量，切削也就完成了，3C數碼產品也就加工完成。

切削產生的機理：應力和應變主要集中在區域5處，隨著應力的增加和應變的產生，出現了變形，在刀具的進給下，變形進一步集中，在區域3和4處產生剪切應變，而在區域1處沒有產生變形，這樣區域5整體朝前動，隨著繼續往前移動，應力繼續聚集，當增大倒了一定情況，在前角應力的作用下，受力面積不斷減小，形成帶狀切屑，最后隨著切削的增多，工件破裂，并且破裂速度越來越快，產生大量的切削，鋁合金刀具繼續前進，完成切削加工。

2? 鋁合金結構件的刀具刃形和刀具涂層的設計

刀具的前角對切削力的影響如圖3所示，適當減小前角可以增大切削變形和切削溫度，提高切削力和切削功率，可以提高制造精度，保證工件的尺寸形狀符合要求，同時防止前角過大，否則影響刀具的硬度和強度，破壞刀具，使刀具損壞，壽命變低，同時，前角減小，切削變形變大，影響加工精度，不符合加工條件。一般，較小的前角更方便工件的切削，可以采用零度前角或負前角，只有機床系統剛度達不到要求或鋁合金刀具的切削力不足時才會考慮使用較大的前角。

不同的刀尖圓弧半徑與數碼產品受力的關系如表1所示。由表1可知，刀尖圓弧半徑變大時，所受的切削力也是隨著增加的，并且主切削力F的增加沒有深抗力的那么明顯，但是和合力的增大趨勢比較一致，總體上還是保持比較相似的增長態勢。

刀具涂層的設計和選擇：目前，常用的鋁合金刀具涂層生產上方法主要有：熱壓法和化學氣相沉積法（CVD）。經過反復比較和實驗，選用CVD法進行刀具涂層。主要選用的原因是溫度不高，容易實現和完成，同時刀具壽命可以延長十倍以上，效果非常好。一般而言，涂層具有較高的硬度，較好的抗機械磨損性能，熱膨脹系數低，導熱率高，與基體有良好的相容性，并且，化學性能穩定，即使在高溫下，也不會被氧化和變形。

涂層材料考慮牢固和壽命，選用復合材料，也就是TiC、TiN、Al2O3等多種材料進行復合，比如：金剛石涂層，使得鋁合金刀具具有耐磨性、好硬度高、耐腐蝕，耐高溫抗氧化等一系列優點。

3? 鋁合金結構件材料制備及加工工藝優化

鋁合金材料包括少量的鎂、銅、硅等元素材料，其含量不大，通過調整鎂、硅和銅等強化元素的含量，可使鋁合金材料的強度硬度更高，且可使鋁合金材料的組織中粒徑大于1微米金屬間化合物的體積分數小于2%，從而保證鋁合金材料具有良好的切削性能。

各種新材料的出現和新加工工藝改善，包括加工柴油機連桿機構，都要求鋁合金刀具高強度、高導熱系數以滿足市場的需要。通過調整鎂、硅和銅等強化元素的含量，可使鋁合金材料的拉伸強度更高，且可使鋁合金材料的組織中粒徑大于1微米的Mg2Si金屬間化合物的體積分數小于2%，從而保證鋁合金材料具有良好的切削效果。將所述混合原料制成鑄棒，并對所述鑄棒進行均勻化退火處理;對所述均勻化退火處理后的鑄棒進行擠壓處理;對所述擠壓處理后的加工件進行時效處理，以獲得所述鋁合金材料，且所述鋁合金材料的組織中，粒徑大于1微米的Mg2Si金屬間化合物的體積分數小于2%。對原料中的鎂、硅和銅等強化元素含量的調整，并降低錳、鉻、鈦和鐵等微量元素的含量，以及進行加工工藝的控制，從而實現對鋁合金材料的組織進行精細化控制，進而使加工出的鋁合金材料兼顧高強度、高導熱系數切削效果。

經過以上材料的優化制備，鋁合金刀具的優點為表面潤滑性、抗腐蝕、抗斷裂、抗粘結性、具有良好的銑削加工機械性能。

鋁合金刀具的加工工藝優化，以提高生產效率降低成本。采用加工參數模擬設計以及過程仿真，進行參數的優選。因此，使用時對機床的整體系統有較高的要求，機床主軸組件剛度要高，刀架及整個加工系統抗振性好，要有良好的動剛度，可以有效防止綠合金道具的崩刃和破損，同時，要求刀具在粗加工的時候切削力滿足生產要求，可以連續不斷長時間的加工，這樣既可以保護刀具也可以獲得滿意的加工效果。同時，刀具的刀刃要能完成切削要求，刀具加工準確，能夠獲得所需的3C數碼產品。高速切削一般效率較高，但刀具磨損嚴重，此時要主要適當保持加工速度，提高加工效率和降低生產成本。

其加工工藝流程為：①粗銑外形輪廓。粗銑刀具輪廓，定位好夾具。②銑削外面。形成刀具的外弧。③精銑側邊。保證刀具的形狀精度、尺寸精度和位置精度。④拋光。一般使刀具達到較高的表面粗糙度。圖4為實際應用鋁合金刀具產品。

鋁合金材料刀具同時也可以應用于加工柴油機的活塞連桿機構，加工得到的連桿具有更好的精度和表面粗糙度，并且生產效率得到較大提高，加工效果優于其他材料刀具的加工效果。

4? 結束語

通過研究用鋁合金結構零件高速加工中高質量加工工藝的形成機制，設計獨特的硬質合金加工刀具幾何參數，開發不同涂層的高效銑削用鋁合金結構件材料的銑刀關鍵技術，并進行生產試驗驗證，并應用于柴油機活塞連桿機構和3C數碼產品等;獲取涂層刀具平穩銑削鋁合金結構件材料的方法和措施;對銑削鋁合金結構件材料刀具切削性能進行綜合評價;研究涂層刀具與鋁合金結構零件材料的匹配性;揭示鋁合金結構件材料加工刀具磨損及其影響因素;優化鋁合金結構件材料的加工工藝，提高加工效率，保證加工工件的質量，延長刀具壽命。為實現高質量要求鋁合金結構件的高效、穩定的高速銑削加工，提供應用基礎理論與加工工藝方法。

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