鋁合金的高速切削加工技術研究

雷占英

中信渤海鋁業控股有限公司

鋁合金的高速切削加工技術研究

雷占英

中信渤海鋁業控股有限公司

高速加工技術作為一種重要的先進制造技術，已經得到廣泛的應用并持續快速的發展，與傳統的切削加工技術相比，更加突顯出其諸多方面的優越性能。依仗精密的高速加工機床或加工中心，使用優異的編程軟件及合格的編程人員，通過選用相應的專用切削刀具，在機床主軸高速運轉、刀具切削速度及工件加工速度極高的條件下，達到單位時間內較高的材料去除率，同時滿足被加工材料的高精度及高表面質量的最終要求，已成為先進制造技術領域內的重要技術。

高速切削；加工技術；應用

高速切削加工技術則是鋁合金領域中的新發現，全面促進了鋁合金的材料、控制系統、以及刀具材料的發展，提高了切削的生產速度，同時也降低了切削刀具的磨損程度，在鋁合金中發揮了很大的作用。為了進一步了解高速切削的加工技術，還需要不斷了解該技術的應用情況。

1 鋁合金性能與高速切削加工

鋁合金金屬性能純鋁密度小、熔點低、可塑性強、抗腐蝕性能好，但是由于純鋁強度低，無法被用作結構材料。經過長期的實踐，在鋁中加人其他的金屬元素可以提高鋁的強度，抗腐蝕性，能夠使其高溫耐熱大規模的應用于制造業。在鋁合金加工過程中，容易出現加工碎屑粘附鋁合金表面，導致鋁合金表面粗糙。同時，由于鋁合金容易熱脹冷縮，且加工過程排熱不暢，這將造成鋁合金無法加工精密零件。鋁合金適合被廣泛應用，但是，鋁合金在加工中存在很多問題，需要不斷地改善鋁合金的加工。

高速切削加工是在傳統刀具切削加工技術的基礎上發展而來的新型切削加工技術，不僅具有傳統切削技術的特點和功能，還能完成工件的高效加工。而作為一個復雜的系統工程，數控高速切削加工需要涉及到切削機理、切削刀具、切削機床和切削監控等多種技術，所有高速切削加工技術都離不開關鍵技術的應用。在面對不同的加工材料時，想要完成材料的高速加工還要了解材料切削的形成機理，并且掌握切削力和切削熱的變化規律，從而合理進行切削用量的選擇，并確定高速切削的工藝規范。

2 高速切削加工的影響因素

2.1 切屑變形對切削過程的影響

首先，工件材料的強度越大，會使切屑的變形越小。其次，刀具的前角增大時，沿刀面流出的金屬切削層將比較平緩的流出，金屬切屑的變形也會變小。最后，在其他切削條件不變的情況下，切削速度對材料變形的影響分為兩個段，一個是積屑瘤這一段，另一個是無積屑瘤段。在有積屑瘤產生時，積屑瘤隨著切削速度的增大而增大，積屑瘤越大，實際刀具前角也越大，切屑的變形相對減少。在無積屑瘤產生時，切削速度越大，摩擦系數越小，切屑的變形越小。

2.2 刀具前角對切削過程的影響

刀具前角是指在正交平面內測量的刀具前刀面與基面之間的夾角，前角的大小主要解決刀頭的堅固性與鋒利性的矛盾。因此，首先要根據加工材料的硬度來選擇前角，加工材料的硬度高，前角取小值，反之取大值；其次要根據加工性質來考慮前角的大小，粗加工時前角要取小值，精加工時前角應取大值。

2.3 刀具刃口半徑對切削過程的影響

刀具刃口半徑是衡量刀具刃口鋒利程度的指標。當刀具的前角和后角確定后，刃口半徑越小，刀具切削力和被切金屬的變形越小，越有利于降低加工表面粗糙度。當刃口半徑約為幾個微米時，刃口觸點(不論是切削還是刃磨時)的受壓應力是極高的，這不僅要求刀具材料有很好的性能，而且要求加工系統的動態剛度和被切材料(包括刃磨砂輪)的均勻性也要有很高指標，以免因振動和沖擊造成刃口崩裂破損。

3 高速切削加工的關鍵技術分析

3.1 刀具材料的選擇

涂層材料刀具。涂層刀具中的涂層材料主要分為兩大類，一類為硬涂料，如常見的TiC、TiN等涂層刀具，這兩種涂料具有很強的抗磨損能力；另一類為軟涂料，如常見的WS等涂層刀具，這類刀具的的摩擦因數較低，因此能夠降低切削的力度。采用軟涂層刀具能夠加強工件表面的光滑度，延長刀具的使用年限。

陶瓷材料刀具。陶瓷材料刀具具有較高的硬度和耐磨能力，因此，陶瓷材料刀具適用于硬度較高的材料；陶瓷材料刀具的抗高溫性能較好，因此，適用于高溫下的工件切削；陶瓷材料道具還具有良好的抗粘結性能，因此，在切削的過程中不易引發粘連，可見陶瓷材料刀具的化學性能較好，穩定性較高。

金剛石刀具。金剛石是自然界中硬度最高、導熱系數最好的物質，因此，金剛石刀具同樣具有很高的硬度，在進行高速切削時，金剛石刀具的磨損力度較小。但是，由于經濟性較差，焊接工作十分困難，金剛石刀具的實用性較低。

3.2 施工工藝流程

高速切削加工通常會使用順銑加工，從而使刀具在切入工件時產生最大的切削厚度，然后逐漸減小工件的切削厚度。而在進行模具零件的加工時，可以采用多次加工的方式依次完成零件的粗加工和細加工，切削深度則均為2mm。其中，粗加工采取了高切削速度、小切削量和高進給率組合的工藝方案，可以完成零件的初步加工。精加工采取的三維螺旋策略，可以在很少抬刀的情況下生成連續光滑的刀具路徑，結合了等高加工和螺旋加工的優勢。而采取這樣的加工技術，可以有效縮短模具的加工時間，并且能夠使加工表面質量得到改善。

3.3 切屑排除

高速干切削在一定程度上具有極大的優勢，但刀具承受了較高的溫度，刀具與工件、刀具與切屑、工件與切屑之間的相互摩擦必定會產生一些負面影響，于是優化排屑勢在必行。除從刀具方面入手改善外，還應建立起相應的排屑布局，如：盡量采用立式主軸傾斜式床身；將工件安裝在主軸下部，借助重力作用排屑；采用虹吸現象排屑；采用真空或噴氣系統改善排屑條件，使得切屑排除問題得以緩解或根本解決。

綜上所述，在高速切削加工技術出現運用之后，為鋁合金的發展起到了很大的促進作用，鋁合金的發展也得到了很大提升。高速切削技術與鋁合金技術的結合，提升了工業生產的效率和質量，也促進了工業制造業的發展。

[1]晉太洋.鋁合金在高速切削加工中表面粗糙度的研究[J].滁州職業技術學院學報，2009，01：52-55.

[2]陸海鈺.高速及超高速切削加工技術的發展與應用[J].機械制造，1999，05：6-8.