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2A12 硬鋁合金機(jī)械加工工藝研究

2020-3-21 來源：清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院作者：劉折

摘要: 鋁合金材料在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。零件的形狀復(fù)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(guān)鍵詞: 鋁合金; 變形; 刀具; 熱處理

近年來機(jī)械加工生產(chǎn)中，鋁合金零部件的加工量逐漸加大，而且形狀越來越復(fù)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(duì)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(gè)問題，以提高鋁合金零件的成品合格率，這給機(jī)械加工工藝人員提出了新的課題。經(jīng)過幾年的探索，逐漸掌握了一些鋁合金材料加工的特點(diǎn)和鋁合金零件的加工精度要求。現(xiàn)從以下幾方面入手，對(duì)鋁合金材料的加工工藝進(jìn)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(jīng)常用的鋁合金材料是 2A12 － T4。2A12 合金在 Al － Cu－ Mg 系三元狀態(tài)圖中位于 α( A1) + θ( Cual2) + S( Al2CuMg)相區(qū)的右側(cè)，其強(qiáng)化相是 S 相，其次是 θ 相。由于 S 相的時(shí)效強(qiáng)化效果比 θ 相強(qiáng)，因而 2A12－ T4 比標(biāo)準(zhǔn)的硬鋁具有更高的強(qiáng)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(duì)較硬的 S 相上切削，同時(shí)單邊切削使工件原有的應(yīng)力平衡被打破，且內(nèi)部組織的平衡狀態(tài)極不穩(wěn)定，有恢復(fù)到無應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)烈傾向。零件的殘余應(yīng)力要重新分布到完全松弛，使工件發(fā)生變形而達(dá)不到預(yù)期的加工精度。鋁合金材料的塑性、韌性好，粘附性強(qiáng)，切屑不易分離，切削過程中容易粘附在刀刃上產(chǎn)生積屑瘤。鋁的線膨脹系數(shù)( 0． 000 023 8) 比鋼的線膨脹系數(shù)( 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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，里層金屬產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。應(yīng)力的綜合作用是使零件產(chǎn)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(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)，使表層金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形。切削后工件表面溫度冷卻到室溫時(shí)，使體積收縮，并受到里層金屬的牽制，使表層金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，里層金屬產(chǎn)生殘余壓應(yīng)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(chǎn)生彈性和塑性變形而耗功，這是切削熱產(chǎn)生的一個(gè)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(chǎn)生出大量的熱量。因此，切削時(shí)共有 3 個(gè)發(fā)熱區(qū)域，即剪切面、切屑于前刀面接觸區(qū)、后刀面與過渡表面接觸區(qū)。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(shù)、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(duì)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(shí)，散熱面積和產(chǎn)生的熱量亦作相應(yīng)變化，故 ap對(duì)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?yàn)榍敖窃龃髸r(shí)，單位切削力下降，使產(chǎn)生切削熱減小的緣故。但前角大于 25° ～ 30°后，對(duì)切削溫度的影響減小，這是因?yàn)樾ń亲冃《股狍w積減小的緣故。主偏角 Kr減小時(shí)，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(nèi)變化，基本上不影響切削溫度。因?yàn)榈都饣《劝霃降脑龃螅瑫?huì)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(duì)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(dá)到一定數(shù)值后，對(duì)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(zhǔn)選擇

加工基準(zhǔn)應(yīng)盡量與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)一致，且工藝上應(yīng)充分考慮加工中零件的穩(wěn)定性、定位準(zhǔn)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(dá)到高精度要求，在加工過程中，首先對(duì)各加工面的加工余量，尤其是形狀復(fù)雜的薄壁零件，在精加工前先進(jìn)行粗加工。結(jié)合鋁合金材料的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，工件在加工的過程中，工件表層經(jīng)過反復(fù)摩擦，會(huì)使工件表層晶粒變形、錯(cuò)位，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，同時(shí)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(duì)一般平面的粗加工，采用銑、刨加工。通過選用低轉(zhuǎn)速、大切削深度、適當(dāng)進(jìn)給量的方法，保證加工的尺寸精度; 對(duì)于特殊形狀的部位，采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行粗加工，同時(shí)加冷卻液對(duì)工件進(jìn)行冷卻，以降低切削熱對(duì)加工精度的影響。并增加人工時(shí)效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力，減少由于零件加工后應(yīng)重新分布所引起變形。在粗加工中應(yīng)加大吃刀量，適當(dāng)減少進(jìn)給量。進(jìn)給量和被吃刀量的增加，都會(huì)使切削力和摩擦力增加，切削溫度上升。但被吃刀量對(duì)于切削溫度的影響小于進(jìn)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(shè)備完成零件的精加工工序。一般選用數(shù)控設(shè)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(jìn)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(dòng)造成的加工精度降低。工件裝夾過程中，盡量減少裝夾次數(shù)，實(shí)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(chǎn)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(dǎo)熱系數(shù)高，切削時(shí)由于切屑和零件傳導(dǎo)出的熱量較多，切削區(qū)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(duì)降低切削力和切削熱十分有效。加工鋁合金材料刀具應(yīng)選用 YG 類硬質(zhì)合金刀具、聚晶復(fù)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?yàn)檠趸说难趸X切屑( Al2O3)與該刀具材料相同，切削時(shí)容易產(chǎn)生化學(xué)親和力而產(chǎn)生粘結(jié)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(yīng)力的熱處理方法有: 人工時(shí)效、再結(jié)晶退火等。

對(duì)于結(jié)構(gòu)簡單的零件工藝路線一般采用: 粗加工、人工時(shí)效( 熱處理) 、精加工。

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件工藝路線一般采用: 粗加工、人工時(shí)效( 熱處理) 、半精加工、人工時(shí)效( 熱處理) 、精加工。

對(duì)于精度要求高的零件在粗加工和半精加工后安排人工時(shí)效( 熱處理) 工序的同時(shí)，可以在零件精加工工序后再安排一次穩(wěn)定化熱處理工序，防止零件在放置、安裝、使用過程中發(fā)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(dòng)時(shí)效、人工校形、自然時(shí)效以及冷凍處理。振動(dòng)時(shí)效是利用機(jī)械的方法使零件產(chǎn)生震動(dòng)，使加工中產(chǎn)生的應(yīng)力得以釋放或重新分布達(dá)到穩(wěn)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(duì)變形零件校形，并通過不斷施加外力打到內(nèi)應(yīng)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(jié)構(gòu)，強(qiáng)化基體組織，增強(qiáng)尺寸穩(wěn)定性; 同時(shí)與熱處理的再結(jié)晶退火相結(jié)合，高低溫相互沖擊，已達(dá)到更好的零件尺寸精度。

3 、結(jié)語

通過對(duì)上述加工條件和加工參數(shù)的綜合應(yīng)用，在生產(chǎn)加工中能較好地保證產(chǎn)品的品質(zhì)，滿足產(chǎn)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(shù)、切削液以及加工應(yīng)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(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

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