鋁合金材料加工刀具設(shè)計及工藝優(yōu)化研究

肖瑤

【摘要】近幾年，我國金屬材料領(lǐng)域整體發(fā)展速度有了顯著提升，一方面是由于科學(xué)技術(shù)以及工藝設(shè)計等方面高速發(fā)展帶來的積極影響，另一方面是由于人們對于金屬材料日趨多樣化的應(yīng)用需求。鋁合金是用途非常廣泛的金屬材料，在人們的日常生活中隨處可見各種類型的鋁合金材料工藝制品。為了確保鋁合金材料的加工刀具工藝制品能夠更好的應(yīng)用在機電工程等行業(yè)領(lǐng)域，切實提高鋁合金材料加工刀具使用壽命，不斷提升鋁合金加工刀具的質(zhì)感和使用效果，就必須要做好鋁合金刀具設(shè)計與加工工藝優(yōu)化處理。基于此，文章首先對鋁合金材料的特性進行了簡要分析，隨后探究了鋁合金材料加工刀具的設(shè)計及其工藝優(yōu)化措施。

【關(guān)鍵詞】鋁合金材料;材料加工;刀具設(shè)計;工藝優(yōu)化

鋁合金刀具是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的金屬材料構(gòu)件，在機械制造、數(shù)控機床等機電工程領(lǐng)域有著極高的應(yīng)用價值和地位。隨著我國機電工程行業(yè)的全面發(fā)展，各種各樣新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和應(yīng)用，鋁合金材料加工刀具必須要不斷提升自身質(zhì)量、品質(zhì)以及工藝水平，才能真正在切削加工過程中，承受極大的壓力和沖擊力。鋁合金刀具在材料加工過程中，往往需要承受高溫、高壓以及強大的載荷應(yīng)力，這就要求其具備極強的材料硬度和結(jié)構(gòu)強度，確保可以高質(zhì)量、穩(wěn)定完成材料加工切削任務(wù)。

一、鋁合金材料簡述

鋁合金由于其具備比較高的硬度和強度以及塑性效果，而且還有比較好的耐腐蝕性、抗氧化性、導(dǎo)熱性，已經(jīng)被廣泛用于工業(yè)行業(yè)，在全部金屬材料中，鋁合金的使用量長期居于高位。鋁合金是制備加工刀具構(gòu)件最為常用的材料，由于鋁合金具備極為突出的塑性效果，因此，可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實際需求，加工不同形狀、不同大小并且與機械工程行業(yè)生產(chǎn)制造相適應(yīng)的鋁合金材料刀具。

但需要注意的是，鋁合金材料刀具并非能夠適應(yīng)所有機電工程行業(yè)的生產(chǎn)制造需求，比如，在加工3C數(shù)碼鋁合金等金屬材料時，非常容易出現(xiàn)“粘刀”情況，這樣便會導(dǎo)致加工刀具受損，甚至完全報廢，也有可能影響加工件的加工質(zhì)量。為此，必須要加強對鋁合金材料加工刀具設(shè)計與加工工藝方面的優(yōu)化研究力度，從而在保證合金鋁材料刀具質(zhì)量和性能的同時，不斷提高加工工藝水平以及加工效率，從而延長鋁合金材料刀具的使用壽命[1]。

二、鋁合金材料加工刀具設(shè)計分析

（一）鋁合金刀具的刀瘤限制

鋁合金材料的強度非常理想，能夠應(yīng)對機電工程領(lǐng)域絕大多數(shù)機械加工需求，甚至個別牌號的鋁合金拉伸強度、屈服強度、延伸率以及結(jié)構(gòu)強度等方面的參數(shù)遠高于普通鋼材，這使得鋁合金材料在制備機械加工刀具方面具有非常明顯的優(yōu)越性和可靠性。從當(dāng)前銑削加工刀具選擇方面的實際情況來看，鋁合金刀具已經(jīng)成為銑削加工方法中使用率極高的金屬材料。鋁合金材料刀具在加工過程中，尤其當(dāng)采用銑削加工方式時，鋁合金刀具會承受更多的損耗，這就需要在設(shè)計鋁合金加工刀具時，著重考慮到鋁合金材料刀具的工藝性能、韌性、耐磨性和承載力。

在鋁合金刀具銑削加工過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到切削底層金屬區(qū)域可能出現(xiàn)的刀瘤問題。刀瘤是鋁合金刀具在銑削過程中非常容易出現(xiàn)的物質(zhì)，屬于金屬切削殘余廢屑堆積而形成的特殊材質(zhì)。從刀瘤的實際情況來看，刀瘤的出現(xiàn)會對鋁合金刀具的銑削加工質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，而且刀瘤的大小還與鋁合金刀具的切削速度存在緊密聯(lián)系。簡單來說，當(dāng)鋁合金刀具切削速度以及切削溫度處于300℃時，刀瘤的整體規(guī)格處于最大值;當(dāng)鋁合金刀具的切削速度以及切削溫度低于300℃或者高于300℃時，刀瘤的整體規(guī)格會變小;當(dāng)鋁合金刀具的切削溫度超過500℃時，那么刀瘤便會“失蹤”。為了提高鋁合金刀具銑削加工件的精度，可以考慮提高鋁合金刀具的切削溫度，并且嚴格控制切削力，這樣可以顯著限制刀瘤的出現(xiàn)。

（二）鋁合金刀具刀刃形狀以及刀具涂層

從鋁合金刀具的刀刃形狀以及刀具涂層的設(shè)計加工實際情況來看，二者的設(shè)計是否可以達到優(yōu)良，會對刀具的使用壽命、加工精準度、鋁合金刀具材料的硬度以及強度等多方面產(chǎn)生重要影響。鋁合金刀具在加工過程中，刀具的前角作用性非常突出，合適的鋁合金刀具前角，可以顯著提高刀具的切削力，以及刀具的材料強度和硬度。此外，當(dāng)鋁合金刀具前角的角度處于最佳時，還能夠大幅度增強鋁合金刀具的切削功率，加工件的精密度也會隨之提升，降低加工廢件的出現(xiàn)幾率。通常情況下，鋁合金刀具的前角多為小角度前角以及負前角，但當(dāng)鋁合金刀具的切削力較差時，通常可以適當(dāng)提高刀具前角的角度。

鋁合金刀具涂層會對加工刀具的使用壽命產(chǎn)生明顯影響，如果刀具涂層的設(shè)計與材料選擇不夠合理，會大幅度降低加工刀具的使用壽命，很多刀具會在加工數(shù)個金屬件之后便出現(xiàn)刀具損傷、刀具報廢情況，這樣不僅容易影響金屬加工質(zhì)量，還會增加頻繁更換刀具的成本。為此，在設(shè)計鋁合金材料加工刀具時，必須要著重考慮鋁合金刀具涂層的設(shè)計問題。目前，鋁合金刀具涂層的生產(chǎn)技術(shù)以化學(xué)氣相沉積法為主，這種生產(chǎn)技術(shù)具有工藝相對簡單、設(shè)計與加工更容易完成，最為關(guān)鍵的是，采用化學(xué)氣相沉積法設(shè)計加工的鋁合金刀具涂層，其耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性、導(dǎo)熱率等方面的性能會有限制提升，刀具的使用壽命可以延長數(shù)倍，甚至十?dāng)?shù)倍以上。即便長時間用于工件加工與金屬切削，刀具的涂層也不會脫落或者氧化，鋁合金刀具也不會出現(xiàn)變形情況。在對鋁合金刀具涂層材料進行設(shè)計時，必須要選擇最合適的涂層材料，最好選擇復(fù)合型材料，例如，金剛石涂層的穩(wěn)定性和使用壽命都比較長，即便長期進行金屬加工與金屬切削，涂層也不會出現(xiàn)脫落情況。而且，復(fù)合型涂料的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫等方面的特性也非常突出[2]。

三、鋁合金材料加工刀具工藝優(yōu)化分析

鋁合金材料刀具中有大量金屬元素，正是由于在鋁材料中加入了鎂、銅等金屬元素以及硅等元素材料，最終形成了鋁合金材料。單一鋁材料的硬度和強度都無法滿足金屬切削加工工藝需求，但是加入了其他元素材料之后所形成的鋁合金材料，其強度和硬度等特性都有了大幅度提高，從而更好的應(yīng)對金屬切削加工需求。但并不是單純加入元素材料，就能夠真正提高鋁合金材料刀具的切削性能，必須要確保每一種元素材料的添加量適宜，不同元素材料之間的添加配比達到最優(yōu)標準，這樣才能真正提高鋁合金材料刀具的硬度、強度、耐磨性以及使用壽命等參數(shù)。

隨著機械加工行業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的加工工藝得到了廣泛應(yīng)用，再加上形式多樣、用途各異的金屬構(gòu)件出現(xiàn)，對鋁合金材料刀具的整體性能提出了更高的要求。鋁合金材料必須要具備更為強勁的結(jié)構(gòu)強度、硬度、耐磨性以及使用壽命，這樣才能提高鋁合金刀具的金屬切削性能。因此，在調(diào)整元素材料配比時，必須要尋找各個元素材料的最優(yōu)數(shù)值配比，從而全面提高鋁合金材料刀具的拉伸強度、屈服強度、拉伸率等性能參數(shù)，使其可以應(yīng)對更多場景下的金屬切削加工工藝需求，真正提高鋁合金材料刀具的切削性能。

在對鋁合金材料刀具加工制造過程中，為了切實提高刀具的性能，必須要做好熱處理工藝環(huán)節(jié)的加工工藝管理，尤其要嚴格按照工藝標準對鋁合金刀具進行退火處理。通過均勻化退火處理，能夠切實提高刀具整體結(jié)構(gòu)強度，消除刀具加工制造過程中的殘余應(yīng)力，降低刀具變形幾率，消除組織參殘余應(yīng)力，提高刀具在金屬構(gòu)件加工過程中的切削性能，這樣便可以加工出金屬性能、切削性能更加突出的鋁合金刀具。

對鋁合金刀具的加工工藝進行優(yōu)化創(chuàng)新，能夠顯著降低生產(chǎn)成本，也可以降低頻繁更換鋁合金刀具給企業(yè)帶來的資金損耗，更能夠大幅度提高金屬構(gòu)件切削加工能效。為了提高鋁合金刀具的加工工藝水平，真正加工出性能優(yōu)良、質(zhì)量極高的鋁合金刀具，可以在正式加工制造之前，通過模擬技術(shù)、仿真技術(shù)等先進技術(shù)進行預(yù)加工、預(yù)設(shè)計處理。除此之外，還需要做好機床的穩(wěn)定性管理，尤其要加強刀架的抗振動性能處理，這樣可以有效降低鋁合金刀具在加工過程中出現(xiàn)破損的幾率。此外，可以選擇長時間加工工藝方式，保證加工處理的連續(xù)性，從而確保刀具加工效果處于最佳狀態(tài)。

在對鋁合金刀具加工過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到刀具直徑、刃帶等參數(shù)給鋁合金刀具性能帶來的影響。為此，在設(shè)計和加工鋁合金材料刀具時，應(yīng)當(dāng)充分考慮到刃帶在刀具上的具體位置、角度以及寬度，盡可能控制切削性能以及切削力。而在刀具直徑的選擇時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)金屬材料切削加工的實際需求，加工制作不同直徑規(guī)格的刀具，從而達到控制切削速率、切削刃強度等方面的目的[3]。

四、結(jié)語

鋁合金材料刀具在機械加工領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。刀具的設(shè)計與加工工藝質(zhì)量，會對鋁合金刀具的整體性能產(chǎn)生直接影響，因此，必須要從鋁合金材料刀具的各個元素材料配比方面入手進行優(yōu)化管理，更要做好刀具的涂層材料選擇以及涂層設(shè)計處理，并且，限制刀瘤的形成，這樣才能確保鋁合金刀具切削性能處于最佳狀態(tài)。

參考文獻：

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[3]萬達. 鋁合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域及加工成形技術(shù)分析[J]. 中國金屬通報，2020（12）.