2A12 硬鋁合金機械加工工藝研究
2020-3-21 來源： 清遠職業技術學院 作者：劉 折
摘 要: 鋁合金材料在工業中的應用非常廣泛。零件的形狀復雜，尺寸精度和粗糙度要求越來越高。在加工過程中存在零件變形的問題。從影響加工變形的因素，加工刀具，熱處理等幾方面探討了解決鋁合金加工變形的方法。
關鍵詞: 鋁合金; 變形; 刀具; 熱處理
近年來機械加工生產中，鋁合金零部件的加工量逐漸加大，而且形狀越來越復雜，尺寸精度和粗糙度的要求越來越高。但在加工過程中，由于變形對鋁合金零部件的加工精度和表面粗糙度影響很大。如何解決這個問題，以提高鋁合金零件的成品合格率，這給機械加工工藝人員提出了新的課題。經過幾年的探索，逐漸掌握了一些鋁合金材料加工的特點和鋁合金零件的加工精度要求?，F從以下幾方面入手，對鋁合金材料的加工工藝進行探討。
1、 影響加工變形的因素
1． 1 鋁合金材料的性能分析
經常用的鋁合金材料是 2A12 － T4。2A12 合金在 Al － Cu－ Mg 系三元狀態圖中位于 α( A1) + θ( Cual2) + S( Al2CuMg)相區的右側，其強化相是 S 相，其次是 θ 相。由于 S 相的時效強化效果比 θ 相強，因而 2A12－ T4 比標準的硬鋁具有更高的強度和屈服極限及良好的耐熱性。零件在加工過程中，切削刃在相對較硬的 S 相上切削，同時單邊切削使工件原有的應力平衡被打破，且內部組織的平衡狀態極不穩定，有恢復到無應力狀態的強烈傾向。零件的殘余應力要重新分布到完全松弛，使工件發生變形而達不到預期的加工精度。鋁合金材料的塑性、韌性好，粘附性強，切屑不易分離，切削過程中容易粘附在刀刃上產生積屑瘤。鋁的線膨脹系數( 0． 000 023 8) 比鋼的線膨脹系數( 0． 000 01) 大將近 2． 4 倍。在切削加工過程中，熱變形較大。
1． 2 切削加工中殘余應力分析
1) 刀具在切削過程中，工件受到刀具的擠壓，使材料表層金屬在切削方向產生塑性變形，而在切削后受到與之相鄰的里層為變形金屬的牽制，從而在表面產生殘余拉應力，里層金屬產生殘余壓應力。應力的綜合作用是使零件產生變形。
2) 在切削過程中塑性變形與摩擦，使工件加工表面有較高的溫度，里層金屬的溫度較低。溫度高的表層金屬體積膨脹，將受到里層金屬的阻擋，從而使表層金屬產生熱應力。當熱應力超過材料的屈服極限時，使表層金屬產生壓縮塑性變形。切削后工件表面溫度冷卻到室溫時，使體積收縮，并受到里層金屬的牽制，使表層金屬產生拉應力，里層金屬產生殘余壓應力，引起零件變形。
3) 切削加工中切削熱的分析，被切削的金屬在刀具的作用下，產生彈性和塑性變形而耗功，這是切削熱產生的一個重要來源。此外，切屑與前刀面，工件與后刀面直接的摩擦也要耗功，也產生出大量的熱量。因此，切削時共有 3 個發熱區域，即剪切面、切屑于前刀面接觸區、后刀面與過渡表面接觸區。所以，切削熱的來源就是切屑變形功和前、后刀面的摩擦功。影響切削溫度的主要因素: 切削溫度主要受切削用量、刀具幾何參數、切削速度、工件材料、刀具磨損和切削液的影響。
( 1) 切削用量的影響: 切削速度對切削溫度影響最大，隨切削速度的提高，切削溫度迅速上升。而吃刀量 ap變化時，散熱面積和產生的熱量亦作相應變化，故 ap對切削溫度影響最大。
( 2) 刀具幾何角度的影響: 切削溫度 θ 隨前角 γ0的增大而降低。這是因為前角增大時，單位切削力下降，使產生切削熱減小的緣故。但前角大于 25° ～ 30°后，對切削溫度的影響減小，這是因為楔角變小而使散熱體積減小的緣故。主偏角 Kr減小時，使切削寬度 aw增大，切削厚度 ac減小，故切削溫度下降。刀尖圓弧半徑 re在 0 ～ 0． 5 mm 范圍內變化，基本上不影響切削溫度。因為刀尖弧度半徑的增大，會使塑性變形增大，但另一方面這兩者都能使刀具的散熱條件有所改善，傳出的熱量也有所增加，兩者趨于平衡，所以對切削溫度影響很小。
( 3) 刀具磨損的影響: 刀具后角的磨損值達到一定數值后，對切削溫度的影響大; 切削速度愈高，影響就愈顯著。
2 、鋁合金零件的加工工藝探討
2． 1 加工基準選擇
加工基準應盡量與設計基準、裝配基準、測量基準一致，且工藝上應充分考慮加工中零件的穩定性、定位準確性和夾緊可靠性。
2． 2 粗加工
由于鋁合金零件加工尺寸精度和表面粗糙度不容易達到高精度要求，在加工過程中，首先對各加工面的加工余量，尤其是形狀復雜的薄壁零件，在精加工前先進行粗加工。結合鋁合金材料的特點發現，工件在加工的過程中，工件表層經過反復摩擦，會使工件表層晶粒變形、錯位，產生加工硬化現象，同時切削熱也引起切削變形，增大加工后的尺寸誤差，甚至引起工件變形。因此對一般平面的粗加工，采用銑、刨加工。通過選用低轉速、大切削深度、適當進給量的方法，保證加工的尺寸精度; 對于特殊形狀的部位，采用數控機床進行粗加工，同時加冷卻液對工件進行冷卻，以降低切削熱對加工精度的影響。并增加人工時效處理，以消除內應力，減少由于零件加工后應重新分布所引起變形。在粗加工中應加大吃刀量，適當減少進給量。進給量和被吃刀量的增加，都會使切削力和摩擦力增加，切削溫度上升。但被吃刀量對于切削溫度的影響小于進給量。加大吃刀量，可以改善傳熱情況。
2． 3 精加工
為保證鋁合金零件的成品尺寸精度及表面粗糙度，選用精度較高的設備完成零件的精加工工序。一般選用數控設備來完成。在精加工過程中，由于加工余量較小，采用較高的切削速度和小進刀量。在刀具選擇上，選用較大的后角以保證刀有足夠的剛度，減小由于切削震動造成的加工精度降低。工件裝夾過程中，盡量減少裝夾次數，實行一次定位成型，施加較小的夾緊力，以減小裝配誤差。
2． 4 刀具的合理選擇
與黑色金屬相比，鋁合金材料在切削過程中產生的切削力比較小，可以采用較大的切削速度，但容易形成積屑瘤。鋁合金的導熱系數高，切削時由于切屑和零件傳導出的熱量較多，切削區溫度較低，所以刀具的耐用度較高，但零件本身溫升較快，容易引起變形。因此選擇適合的刀具材料，選擇合理的刀具角度，并提高刀具表面粗糙度，對降低切削力和切削熱十分有效。加工鋁合金材料刀具應選用 YG 類硬質合金刀具、聚晶復合金剛石刀具( PCD) 以及天然金剛石刀具。加工鋁合金不能采用 Al2O3基陶瓷刀具，因為氧化了的氧化鋁切屑( Al2O3)與該刀具材料相同，切削時容易產生化學親和力而產生粘結于積屑瘤，造成摩擦阻力增大而是刀具磨損加快。
2． 5 利用熱處理及冷處理解決加工變形
消除鋁合金材料加工應力的熱處理方法有: 人工時效、再結晶退火等。
對于結構簡單的零件工藝路線一般采用: 粗加工、人工時效( 熱處理) 、精加工。
對于結構復雜的零件工藝路線一般采用: 粗加工、人工時效( 熱處理) 、半精加工、人工時效( 熱處理) 、精加工。
對于精度要求高的零件在粗加工和半精加工后安排人工時效( 熱處理) 工序的同時，可以在零件精加工工序后再安排一次穩定化熱處理工序，防止零件在放置、安裝、使用過程中發生微小的尺寸變化。
消除鋁合金材料加工盈利的冷處理方法: 振動時效、人工校形、自然時效以及冷凍處理。振動時效是利用機械的方法使零件產生震動，使加工中產生的應力得以釋放或重新分布達到穩定零件尺寸的目的。人工校形是指零件加工變形后，由人工施加一定的壓力對變形零件校形，并通過不斷施加外力打到內應力釋放的目的。冷凍處理就是利用低溫處理改善材料基體組織結構，強化基體組織，增強尺寸穩定性; 同時與熱處理的再結晶退火相結合，高低溫相互沖擊，已達到更好的零件尺寸精度。
3 、結語
通過對上述加工條件和加工參數的綜合應用，在生產加工中能較好地保證產品的品質，滿足產品的表面粗糙度要求。所以在鋁合金的切削過程中，刀具材料、刀具的幾何參數、切削液以及加工應力的消除尤為重要，只有綜合考慮這些因素，才能比較高效率地生產出合格的產品。
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