2A12 硬铝合金机械加工工艺研究
2020-3-21 来源： 清远职业技术学院 作者：刘 折
摘 要: 铝合金材料在工业中的应用非常广泛。零件的形状复杂，尺寸精度和粗糙度要求越来越高。在加工过程中存在零件变形的问题。从影响加工变形的因素，加工刀具，热处理等几方面探讨了解决铝合金加工变形的方法。
关键词: 铝合金; 变形; 刀具; 热处理
近年来机械加工生产中，铝合金零部件的加工量逐渐加大，而且形状越来越复杂，尺寸精度和粗糙度的要求越来越高。但在加工过程中，由于变形对铝合金零部件的加工精度和表面粗糙度影响很大。如何解决这个问题，以提高铝合金零件的成品合格率，这给机械加工工艺人员提出了新的课题。经过几年的探索，逐渐掌握了一些铝合金材料加工的特点和铝合金零件的加工精度要求。现从以下几方面入手，对铝合金材料的加工工艺进行探讨。
1、 影响加工变形的因素
1． 1 铝合金材料的性能分析
经常用的铝合金材料是 2A12 － T4。2A12 合金在 Al － Cu－ Mg 系三元状态图中位于 α( A1) + θ( Cual2) + S( Al2CuMg)相区的右侧，其强化相是 S 相，其次是 θ 相。由于 S 相的时效强化效果比 θ 相强，因而 2A12－ T4 比标准的硬铝具有更高的强度和屈服极限及良好的耐热性。零件在加工过程中，切削刃在相对较硬的 S 相上切削，同时单边切削使工件原有的应力平衡被打破，且内部组织的平衡状态极不稳定，有恢复到无应力状态的强烈倾向。零件的残余应力要重新分布到完全松弛，使工件发生变形而达不到预期的加工精度。铝合金材料的塑性、韧性好，粘附性强，切屑不易分离，切削过程中容易粘附在刀刃上产生积屑瘤。铝的线膨胀系数( 0． 000 023 8) 比钢的线膨胀系数( 0． 000 01) 大将近 2． 4 倍。在切削加工过程中，热变形较大。
1． 2 切削加工中残余应力分析
1) 刀具在切削过程中，工件受到刀具的挤压，使材料表层金属在切削方向产生塑性变形，而在切削后受到与之相邻的里层为变形金属的牵制，从而在表面产生残余拉应力，里层金属产生残余压应力。应力的综合作用是使零件产生变形。
2) 在切削过程中塑性变形与摩擦，使工件加工表面有较高的温度，里层金属的温度较低。温度高的表层金属体积膨胀，将受到里层金属的阻挡，从而使表层金属产生热应力。当热应力超过材料的屈服极限时，使表层金属产生压缩塑性变形。切削后工件表面温度冷却到室温时，使体积收缩，并受到里层金属的牵制，使表层金属产生拉应力，里层金属产生残余压应力，引起零件变形。
3) 切削加工中切削热的分析，被切削的金属在刀具的作用下，产生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热产生的一个重要来源。此外，切屑与前刀面，工件与后刀面直接的摩擦也要耗功，也产生出大量的热量。因此，切削时共有 3 个发热区域，即剪切面、切屑于前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。影响切削温度的主要因素: 切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、切削速度、工件材料、刀具磨损和切削液的影响。
( 1) 切削用量的影响: 切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。而吃刀量 ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故 ap对切削温度影响最大。
( 2) 刀具几何角度的影响: 切削温度 θ 随前角 γ0的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生切削热减小的缘故。但前角大于 25° ～ 30°后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。主偏角 Kr减小时，使切削宽度 aw增大，切削厚度 ac减小，故切削温度下降。刀尖圆弧半径 re在 0 ～ 0． 5 mm 范围内变化，基本上不影响切削温度。因为刀尖弧度半径的增大，会使塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。
( 3) 刀具磨损的影响: 刀具后角的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响大; 切削速度愈高，影响就愈显著。
2 、铝合金零件的加工工艺探讨
2． 1 加工基准选择
加工基准应尽量与设计基准、装配基准、测量基准一致，且工艺上应充分考虑加工中零件的稳定性、定位准确性和夹紧可靠性。
2． 2 粗加工
由于铝合金零件加工尺寸精度和表面粗糙度不容易达到高精度要求，在加工过程中，首先对各加工面的加工余量，尤其是形状复杂的薄壁零件，在精加工前先进行粗加工。结合铝合金材料的特点发现，工件在加工的过程中，工件表层经过反复摩擦，会使工件表层晶粒变形、错位，产生加工硬化现象，同时切削热也引起切削变形，增大加工后的尺寸误差，甚至引起工件变形。因此对一般平面的粗加工，采用铣、刨加工。通过选用低转速、大切削深度、适当进给量的方法，保证加工的尺寸精度; 对于特殊形状的部位，采用数控机床进行粗加工，同时加冷却液对工件进行冷却，以降低切削热对加工精度的影响。并增加人工时效处理，以消除内应力，减少由于零件加工后应重新分布所引起变形。在粗加工中应加大吃刀量，适当减少进给量。进给量和被吃刀量的增加，都会使切削力和摩擦力增加，切削温度上升。但被吃刀量对于切削温度的影响小于进给量。加大吃刀量，可以改善传热情况。
2． 3 精加工
为保证铝合金零件的成品尺寸精度及表面粗糙度，选用精度较高的设备完成零件的精加工工序。一般选用数控设备来完成。在精加工过程中，由于加工余量较小，采用较高的切削速度和小进刀量。在刀具选择上，选用较大的后角以保证刀有足够的刚度，减小由于切削震动造成的加工精度降低。工件装夹过程中，尽量减少装夹次数，实行一次定位成型，施加较小的夹紧力，以减小装配误差。
2． 4 刀具的合理选择
与黑色金属相比，铝合金材料在切削过程中产生的切削力比较小，可以采用较大的切削速度，但容易形成积屑瘤。铝合金的导热系数高，切削时由于切屑和零件传导出的热量较多，切削区温度较低，所以刀具的耐用度较高，但零件本身温升较快，容易引起变形。因此选择适合的刀具材料，选择合理的刀具角度，并提高刀具表面粗糙度，对降低切削力和切削热十分有效。加工铝合金材料刀具应选用 YG 类硬质合金刀具、聚晶复合金刚石刀具( PCD) 以及天然金刚石刀具。加工铝合金不能采用 Al2O3基陶瓷刀具，因为氧化了的氧化铝切屑( Al2O3)与该刀具材料相同，切削时容易产生化学亲和力而产生粘结于积屑瘤，造成摩擦阻力增大而是刀具磨损加快。
2． 5 利用热处理及冷处理解决加工变形
消除铝合金材料加工应力的热处理方法有: 人工时效、再结晶退火等。
对于结构简单的零件工艺路线一般采用: 粗加工、人工时效( 热处理) 、精加工。
对于结构复杂的零件工艺路线一般采用: 粗加工、人工时效( 热处理) 、半精加工、人工时效( 热处理) 、精加工。
对于精度要求高的零件在粗加工和半精加工后安排人工时效( 热处理) 工序的同时，可以在零件精加工工序后再安排一次稳定化热处理工序，防止零件在放置、安装、使用过程中发生微小的尺寸变化。
消除铝合金材料加工盈利的冷处理方法: 振动时效、人工校形、自然时效以及冷冻处理。振动时效是利用机械的方法使零件产生震动，使加工中产生的应力得以释放或重新分布达到稳定零件尺寸的目的。人工校形是指零件加工变形后，由人工施加一定的压力对变形零件校形，并通过不断施加外力打到内应力释放的目的。冷冻处理就是利用低温处理改善材料基体组织结构，强化基体组织，增强尺寸稳定性; 同时与热处理的再结晶退火相结合，高低温相互冲击，已达到更好的零件尺寸精度。
3 、结语
通过对上述加工条件和加工参数的综合应用，在生产加工中能较好地保证产品的品质，满足产品的表面粗糙度要求。所以在铝合金的切削过程中，刀具材料、刀具的几何参数、切削液以及加工应力的消除尤为重要，只有综合考虑这些因素，才能比较高效率地生产出合格的产品。
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