鋁合金的切削性能的簡要研究

郭春杰　唐飛宇　羅承俊　鐘海兵　張俊榮　路英竹

摘 要：鋁合金是硬加工材料領域中具有高機械強度的、最有前途的材料，也正因為它具有較高的強度重量比這一優點，鋁合金在航空航天和航空制造企業中得到了廣泛的應用。多年來，人們不斷提高對綠色環保、低成本的加工實踐的要求，因此許多研究人員也對研究更先進的加工工藝產生了濃厚的興趣。而在鋁合金材料的加工過程中，選擇合適的加工工藝和冷卻條件則對其性能起著至關重要的作用。本文對鋁合金加工過程中的功耗進行了綜合評述;對自然冷卻系統和MQL冷卻系統進行了比較;對使用各種類型的切削刀片的刀具磨損、切削溫度和表面粗糙度進行臨界觀察并總結。在現有的文獻中，離子液體作為鋁合金加工中的冷卻劑的應用尚不多見，所以本文對于例子液體的簡要研究能夠為工程師和研究人員在加工各種鋁合金時提供合適的切削條件選擇。

關鍵詞：鋁合金;切削性能;切削條件;冷卻系統

1 前言

鋁合金作為一種現代結構材料，由于其密度較低、機械性能也較為良好而在許多工程部件中得到了應用。多年以來，因為它具有失重組合和強度性能較高等優點，鋁合金在生產企業中的應用范圍也逐漸擴大。同時隨著這一技術的發展，鋁合金加工的體積比例也有了極大地提高，由此它也被廣泛應用于航天工業等特定領域。一般來說，在零件制造領域，為了獲得更好的尺寸精度和最佳的表面光潔度，切削過程是在所有部件都處于最佳加工的狀態下進行的，當然這也是最有利于精加工操作。

此外，在某些條件下，因為加工過程中存在抖動或者工件的成分中可能含有一些雜質，所以有一定幾率會出現工藝的穩定性發生變化或產品受損等現象。在加工實踐中，由于壓力和溫度的升高，材料的工作表面會經歷幾何、物理和化學環境等多種變化，而這些變化將改變工件的表面完整性，從而降低它們的功能特性。也正是因為在干加工過程中，高速加工（HSM）擁有能夠保證工件的表面完整性、提高金屬去除率、減少毛刺和堆積邊緣的形成這幾大優點，它才能夠在航空領域有著廣泛的應用。

不論是在有冷卻劑還是在沒有冷卻劑的加工過程中，影響金屬去除率最重要的因素是進給速度，次要因素是切削深度和切削速度。化學氣相沉積金剛石刀具和多晶金剛石刀具都擁有導熱系數高、摩擦系數低、溫度高等優點，因此這兩種刀具被工程師和研究者認為是鋁合金在干燥環境中加工的優良刀具。在使用沒有涂層的硬質合金刀片加工鋁合金時，最主要困難便是前刀面上往往會形成一個積層，除此之外工作表面的質量也取決于切屑的形狀和尺寸。當高速數控加工鋁合金時，加工時間會大大縮短，這將提高生產率和降低產品成本。鋁合金7068是一種性能更好的合金，與其它牌號的鋼相比其具有更高的抗拉強度。可以說，它基本上是根據化學成分、機械性能和熱處理要求制造的7000系列鋁鋅合金。此種特殊材料主要是為軍事應用而研制的，并且它還在航空航天和汽車工業中被用于制造連桿、閥體應用和醫療設備，以及被用于制造智能手機的外部封裝。

2 可加工性

可加工性是指金屬易于切削（加工），能夠使材料迅速地被去除，并且加工成本較低。加工性好的材料一般切削功率小、切削速度快，而通常所講的可加工性包括表面光潔度、刀具壽命、切削溫度、功率和刀具成本等方面，此外還有許多參數會影響機床的性能，但一般不用于量化過程。

（1）刀具磨損。刀具磨損被認為是一種摩擦學特性，其隨著加工過程的進行而進一步導致表面粗糙度的增加。刀具磨損會影響加工過程的表面質量、刀具壽命、尺寸精度和經濟性。因此，為了能夠更好的使用道具，機械加工行業便會更加注重對刀具磨損采用不同的檢測方法。OkokPujie建立了統計模型，他以99.7%的精度對切削刀具進行模擬，并通過最佳工藝參數組合來進抹蜜。他發現刀具磨損最小是0.213毫米，而在加工表面的幾何偏差方面，表面光潔度、尺寸、形狀和取向則是較為重要的因素。除此之外，他還發現因為力的變化對切削力的影響非常小，所以切削速度在粘著結果中擺動較小。

Bejar等人分析了UNS A97075-T6（Al-Zn）在干式車削過程中，加工因素對粘著刀具磨損的影響，并進一步觀察到重要的切削參數（進給量和切削深度）值的增加導致BUE的增加。也正因為受切削深度的影響，進給量是表面紋理的重要參數。OkokPujie等人發現隨著進給量和切削深度的增加，刀具磨損量隨引導速度的增加而減小。因此切削速度是合金和MMC加工過程中最重要的表面參數。

（2）表面粗糙度。表面粗糙度對部件的加工和生產成本有著重大影響，因此它是部件質量的一個重要的參數。經研究發現，表面因素、幾何和尺寸這三個方面是最重要的，因此高速數控加工工藝的使用往往導致成本更低、性能更高，且能以最大的生產精度提高生產效率。

同時為了以更低的成本來生產優質產品，所有的制造企業都在尋找能夠取得更低的粗糙度、刀具磨損和更高的材料去除率的方法。但研究人員還應該考慮到所有測量的輸出以及對工藝參數進行合理選擇，因為它們會直接影響生產過程。Abdallha等人利用田口優化技術尋找優化參數組合，最大限度地提高材料去除率，降低車削過程中表面粗糙度。同時結合市場的動態性和經濟性來看，加工行業如果在復雜機床條件下進行參數優化的話，成本效益相對而言較高一些。Sebastian等人通過研究發現，表面粗糙度隨進給速度的增加而提高，除此之外，還采用不同切削參數來進行“高速數控加工對AA6063-T6鋁合金表面粗糙度的影響”這一研究，該研究表明如果切削時間大大縮短，便可提高生產率，從而降低生產成本。M.S.Najiha等人用最小潤滑法研究了6061-T6鋁合金加工中的硬質合金刀具的表面粗糙度。在設計和實驗中，則采用中心復合設計方法，進一步發現了粗糙度隨轉速的增加而線性增加，即當轉速達到5450轉/分后，粗糙度減小;而對于TiAlN+TiN涂層，硬質合金刀片則有增加的趨勢，但TiAlN涂層的表面粗糙度值與TiAlN+TiN嵌件的表面粗糙度值相比要高的多。

（3）耗電量。切削過程中的功耗會顯著影響生產成本，許多部件如電動機在機器設備中將消耗大量的能量。加工工具不僅能夠加工材料，還會產生切屑和熱量。而則可以根據特定的、能對周圍環境有巨大影響的可加工性因素，如能耗、切削力和機床部件等來預測能量消耗。也正因為如此可以，可估算到實際機器使用的能量僅占總數量的15%。由此可見，可通過提高加工過程的能源利用率，來降低加工過程的能源消耗，從而使環境影響最小化，有助于實現可持續生產。近年來能源引起了相當大的關注，無論是學術界還是工業界都對電耗和表面進行了一些探索，研究人員利用PCD刀具對鋁合金6063TiC復合材料的粗糙度進行了估算，并假定在所有條件下能量消耗隨切削深度的增加而增加。然而事實上，隨著進給量、切削速度和切削深度的增加，能量消耗也會隨之增加。在干燥條件下，研究人員必須考慮機床的條件，以及加工信息和經驗公式（關于模具壽命、強度和表面質量），同時盡量減少對能源和廉價工具的使用，這樣才能夠提高性能。除此以外，利用比能法、切削功率法和指數函數法等評價材料能量的方法，發現了切削過程中的最低能耗是在較低的速度和較高的切削和進給深度下實現的，能量消耗的能量消耗分別為37.43%和20.5%。該結果表明，鋁的金屬去除率預測結果優于鋼和球墨鑄鐵。同時實測功率值大多在預測功率的不確定范圍內，可以得出使用SEM、EFM測量功率的難度適中，使用CFM測量功率的難度最大這一結論。

（4）刀具狀態監測。目前，加工工藝在國家的經濟發展中起著非常重要的作用。為了減少零件制造中的切削時間、降低加工成本、提高尺寸精度和最佳表面光潔度，同時也是被自動化過程和加工環境所吸引，所以大多數工業產品的制造都采用機械加工方法。在某些條件下，會出現諸如加工穩定性的變化或最終產品的低質量等物理現象，這是由于加工過程中存在抖動或是工件成分中存在雜質。近年來，為了克服這一問題，工程師和研究人員開始關注加工過程的在線監測。在切削行業中，刀具磨損是一個較為重要的問題，因為磨損會影響加工過程的表面質量、刀具壽命、尺寸精度和經濟穩定性。同時對刀具的監控并不是非常容易，加工過程主要是一個非線性系統，并依賴于時間，這使得它們的建模變得復雜;其次，傳感器依賴于所獲取的信號，例如工件材料、加工條件、刀具幾何形狀;同時因為沒有任何直接的方式來量化磨損，所以只能進行間接測量，這也是必須的評估。除此之外，由于各種各樣的原因，例如刀具幾何差異、刀具抖動、數字化儀器的噪聲抖動、傳感器非線性和工作材料特性，都會干擾來自機床的信號。由于加工零件的尺寸和變形，刀具磨損是許多加工過程中的一個重要參數。因此，在大多數金屬切削過程中，對刀具磨損機制的監測和檢測是至關重要的。放射性波、觸發器探頭、接近傳感器、光電電阻是測量的關鍵技術。因為這涉及了一個與磨損程度相互關聯的變量，所以當刀具主動嚙合時，研究者可用直接法進行測量。工具監控系統是一個集信息選擇、加工、獲取數據和決策工具于一體的數據和系統處理流程。在加工過程中，加工刀具部件的干擾和磨損是刀具狀態監測的重點。過去，研究者主要關注刀具磨損、刀具破損和刀具剩余壽命評估等方面，而現在發現刀具狀態的在線識別才是至關重要的，因為只要通過在線刀具狀態監測的實現，就能準確地檢測出97%的總磨損量。

（5）切削溫度。切削溫度是加工操作的一個重要參數，隨著速度的增加，當溫度值上升到一定的極限，切口的強化就會受到熱阻的限制。因此，研究者有必要改變作用在儀器上的熱應力。切削溫度分布不均勻，但切口邊緣發生變化，因此可以把加工溫度當成平均值來看。工件和切削刀具的加工溫度可用熱電偶進行測量。同時在定期去除金屬的情況下，刀具的表層先被加熱，然后周期性冷卻。由此可以看出，溫度首先會隨著速度的增加而增加，之后由于加熱時間過短而降低。提高切削加工性能和加工質量是金屬切削行業的一個重要課題。Kannan等人利用表面響應方法建立了鋁6063的溫度場模型，并對其進行了分析，發現在切削速度為200m/min、切削深度0.25毫米、進給速度0.05m/rev時，可達到加工零件的最小表面粗糙度和最小溫度切削力。溫度會對刀具磨損和有效性產生影響，因此在溫度是非常重要的一個因素，而加工過程中產生的熱量取決于試樣的切削速度、刀具材料和工件的導熱系數。在加工金屬時，刀具刃口產生的熱量對刀具的運行和成品質量有著重要的影響。除此之外，界面切屑溫度與切削速度密切相關——隨著加工速度的增加，切削區的溫度升高;隨著速度和進給量的增加，切屑的橫截面增大，從而增加了摩擦導致的溫度升高。觀察到，在加工過程中晶粒生長部分表面以下所產生的熱效應會導致加工材料軟化，從而硬度降低。

（6）微結構。材料的微觀組織特征是加工過程中的一個重要的考慮因素。制造材料微觀結構的演化軌跡取決于它的溫度和機械載荷，而工件的加工表面的加工能力和完整性則取決于材料的微觀結構特征。在平均織構和晶粒尺寸的框架中，適當的預定義工藝（如旋轉、變形速度和與工件相關的高溫）能夠中影響表面的微觀結構。因此，有必要從微觀結構的角度來研究對表面現象的認識。由于生產技術的進步，表面完整性研究和微觀結構變化已成為工業界和學術界的主要興趣領域之一。在熱力學-誘導載荷和確定機械和熱區域所在區域之間界限的過程力學中，該載荷對工作表面微觀結構發展的影響最大。對AA 7055進行了研究，發現在最低溫度下鋁合金的切削層中有許多位錯;在最高溫度下，微觀結構中沒有位錯。對于工件微結構的表征，應使用掃描電子顯微鏡（SEM）和光學顯微鏡來量側面磨損。在微細加工中，工件材料的微觀結構件材料的微觀組織對最終產品的質量有著重要的影響，同時對表面粗糙度處理的要求也決定著表面層的晶粒尺寸。

3 結論

鋁合金由于其高性能、低密度、高強度重量比，深受工程人員喜愛，因而對鋁合金的切削性能的了解對加工鋁合金產品顯得極為重要。本文旨在對鋁合金的加工性能進行總結，為工程人員、研究人員提供幫助。文中對鋁合金的加工過程中冷卻系統和MQL冷卻系統進行比較，從微觀結構刀具磨損、表面粗糙度等多方面觀察，闡述，總結出進一步提高在不同工作條件下加工后的鋁合金性能，從能耗來看，能夠在滿足性能要求的前提下，節省能源。在現有的研究的基礎上，不僅要了解加工性能，更要了解冷卻系統對加工的作用，適當利用冷卻系統，從而能更好地制定出目標產品的加工過程。

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作者簡介：郭春杰（1979-），男，湖南株洲人，碩士，高級工程師，主要從事汽車減振及輕量化產品的研發工作。