鋁合金材料的機械加工工藝分析

郭學彬

（山東諾維科輕量化裝備有限公司，山東 龍口 265705）

鋁合金產品是現代工業生產中比較常用的一種合金材料，該材料不僅僅具有較高的熱電導率和抗腐蝕能力，還具備較強的物理力學性能，在現代工業中的應用范圍越來越廣，但是在運用過程中還存在一些問題，尤其是在焊接環節，經常出現裂縫。之所以出現這個問題，一方面是因為鋁合金自身的化學活性比較強，容易形成氧化膜，具有難溶的特點，增加了焊接的難度，另一方面則是因為工作人員在施工過程中焊接方法以及工藝不達標，沒有按照正確的施工順序開展焊接工作。

1 鋁合金材料特點

1.1 鋁合金密度小

鋁合金的密度非常小，其對應的密度為2.7克每立方厘米，而在同樣的生產過程中，擁有廣泛應用的鋼密度為7.8克每立方厘米，所以鋁合金的實際密度與鋼比較只占1/3左右。

1.2 良好的力學性能

鋁合金具有非常良好的力學性能，鋁合金中添加了一定的強化元素，對于純鋁而言它具有更低的密度，并且更好的塑造性對于鋁合金來說能夠形成高強度的材料在使用過程中，相較于其他合金材料具有更加廣泛的應用市場。

1.3 鋁合金的耐腐蝕性能較強

鋁合金的耐腐蝕性能可以通過一定的實驗數據來表現。在一定的實驗當中，鋁合金長時間暴露在大氣中能夠及時在表面形成一種自我保護的氧化膜。該氧化膜對鋁合金的表面起到了非常好的固定和保護作用，避免其在進一步氧化的同時，增強其耐腐蝕性能。

1.4 鋁合金的導熱性能良好

鋁合金良好的導熱性對于純鋁來說是不能企及的。在眾多的金屬元素之中，鋁合金的導熱性能非常強，并且可以廣泛地應用于取暖器以及散熱器的制造當中。

2 鋁合金材料的機械加工工藝

2.1 做好焊接前的技術準備工作

在鋁合金焊接工作開始之前，要做好焊接坡口兩側面的清理工作，采用科學的化學方法或者是機械手段，對氧化膜進行去除。首先是化學的清洗手段，在化學清洗中，主要使用的是堿或者是酸這種化學原料，不僅可以去除焊縫坡口兩側所覆蓋的氧化膜，同時還能夠去除油污，但是在清洗的時候需要嚴格控制這些化學原料的劑量。使用6%～10%的氫氧化鈉溶液放入水溫為70℃左右的熱水中，然后將其浸泡5min。這一清潔工作完成之后，再次放入含有15%濃度硝酸的溫水中，再次浸泡1min，然后再次清潔，最后完成氧化膜的清除工作。如果此時鋁合金的表面呈現出來的顏色是銀白色，并且沒有任何光澤，就說明脫模工作已經達到相關的標準和要求。其次是機械手段，機械手段主要是指通過機械設備來完成脫模工作，常見的工具是風動或者電動銑刀，除此之外，還可以使用銼刀，或者是鋼絲刷對氧化膜進行清除，在清潔工作完成之后必須馬上進行焊接。

2.2 內應力的消除

在實際的生產當中，無論是鑄造還是鍛造的鋁合金毛坯材料，都存在內應力的可能。在加工之前，通常應該加強對內應力的處理。在實際的分析當中，明確內應力在毛坯材料當中處于一種平衡狀態，但是在機加工當中的切除一部分材料之后，原本的內應力平衡狀態就被打破，在加工之后內部應力被打破且重新分布，產生形變的可能性。因此在切削加工之前應該機械能消除退火、人工、自然時效處理、錘擊振動等方式，消除毛坯當中存在的內部應力，能減少后續切削加工當中由于內應力而導致的變形。另外，預加工的方式也是比較有效的處理應力的方式。對加工余量比較大的毛坯部件，由于加工當中切除量比較大，因此在加工之后變形的可能性也越來越大。對于這種現象，采用分步加工的方式，先取出毛坯大部分余量，之后放置一段時間之后，使用粗加工的方式，讓內應力得到充分釋放，然后再使用后續半精加工、精加工的方式來加工，逐步縮小加工余量可能存在應力破壞，不斷提高精度，有效減少因為連續施工導致工件變形的可能性，避免了后續施工當中存在的加工變形的可能性。

2.3 鋁合金材料粗加工

在鋁合金材料加工過程中，工作人員需要合理選擇加工基準，保障加工基準符合設計基準，在實際工作中需要提高鋁合金材料的穩定性和可靠性。因為很難精準的控制鋁合金零件加工尺寸進度和粗糙度，在機械加工過程中，工作人員需要加工處理復雜的材料。在粗加工階段需要選用合理方法，保障鋁合金材料的性能，不僅要高效利用鋁合金材料，還要保障加工尺寸的精度。針對特殊形狀，工作人員可以利用控制機床粗加工材料，利用冷卻液冷卻處理工件，保障加工進度。在粗加工階段，需要適當的增加吃刀量，同時需要減少進給量，對于傳熱情況給予改善。

2.4 鋁合金加工成形技術

（1）鋁合金鑄造。鑄造技術是將鋁合金熔化成熔體，在熔化過程中利用鋁合金良好的填充性能及流動性能將鋁合金澆鑄到各式各樣的模具當中，以制造出各種復雜的氣密性載體或零件，如鑄造出一些鋁合金零件，支架箱體或軸輪的，可應用于交通等工業領域。

（2）軋壓成形。鋁合金的成形技術還包括扎壓成形技術，軋制成形技術是依靠摩擦力而被拉進一個旋轉的。空間中借助壓力來使其橫斷面逐漸減小而形成形變厚度隨著一定的壓力增加或長度增加而產生的一種形變過程。根據產品的種類可以分為棒材貨管材以及帶材等，熱軋則是在高溫過程中利用雜質成形的一種狀態，利用明顯的降低耗能。同時提高生產效率來贏取良好的經濟效益。在這樣的過程中，可以使鋁合金材料具有效率，高性能優良等特點，并且這樣的方式可以用在易拉罐或汽車車身板的鑄造當中，可以極大地提高產品的生產效率。

（3）擠壓成形技術。鋁合金的擠壓成形技術是將定胚裝入擠壓筒中。通過軸承壓力對金屬施加的過程來確定形狀和尺寸的模板，在產生塑性形變的過程當中，利用壓力加工產生鋁合金的不同形狀。利用擠壓成形技術不僅僅可以生產一些管狀或棒狀的鋁合金產品，還可以利用斷面等形狀形成復雜的空心或實心材料，在不斷的擠壓過程中可以用于制備倒現貨鋁管材等物質，例如導電管以及暖水管等。

（4）3D打印。3D打印技術是近年來新興的一種零件生產技術，利用金屬零件的3D打印模式，建立三維圖形數據模型，然后利用切片或軟件等。對模型進行分層，從而得到各個輪廓和各個二維面的數據，隨后利用高能激光束聚焦每一層的金屬粉末掃描熔化這兒堆疊形成三維金屬零件。在發展過程中與武器裝備等模具制造行業中有非常廣闊的應用前景。

2.5 高速切削技術

一般而言，在常規的切削速度范圍內，溫度會隨著切削速度的增加而升高，當達到了一個閾值后則會在這個極限值后溫度隨著切削速度的增加而逐漸減小，具體的閾值以及溫度變化將根據物質的性質而定。利用高速切削技術試將切削的速度從常規速度變為了常規速度的五至十倍，以每分鐘一千五百米到五千米的速度進行切割能夠有效地改善在鋁合金零件在進行加工過程中呈現切削熱和夾緊力的問題。

2.6 電流變技術

電流變技術也被稱為ER技術，實現目前國內較為流行的一種新興技術。理論上來講，電流變技術是利用了一些特殊的、具有特殊性質的液體通過電鏟的作用實現電流變效應的，工作人員有效的利用這種效應并配合電場的作用和液體的粘度，即可使液體在某一特定的范圍中擁有固體的部分屬性，也就具備了一定的抗剪切性能。這個過程十分的容易控制，能夠準確地對鋁材料零部件實現定位以及安裝，呈現了較高的精準度，同時減少了鋁材料在進行切割過程中變形的可能性。

3 鋁合金在各行各業中的應用

3.1 鋁合金在航天領域中的應用

鋁合金在航天領域的應用十分的廣泛。例如 ：2014號由于其高強度的抗壓和抗高溫，所以在航天航空材料的制作上一般被使用于制作火箭的第一級燃料槽以及部分火箭的零部件 ；2048和2124都被用來制作航天器的結構部件；2218則用來使用在飛機的發動機以及柴油發動機活塞這部 ；2219由于其能夠承受的外部溫度跨度性很廣，在零下270°~300°這個范圍，擁有十分良好的焊接性，在T8狀態還呈現出了十分優良的抗應力腐蝕開裂能力，所以在航天航空中通常被利用作為火箭中放置氧化劑的槽口中，在超音速飛機的結構制作中承擔了蒙皮材料和部分零部件的使用 ；5052號鋁合金材料不僅具有良好的可塑性，同時還具備一定的加工性能，能夠方便后期的處理、加工，改變其原有的性能，并且還具有良好的抗腐蝕性以及一定的靜態強度，在航天航空中通常被用來制造飛機的油箱，運輸燃油的管道等 ；7072具有較強的可塑性，能夠被壓縮成為極薄的鋁箔，通常與其他牌號的鋁合金共同使用，包裹在其外面有助于加強其他鋁合金材料的各項性能。

3.2 電子領域

在電子領域發展過程中，隨著現代科技技術的智能化發展，鋁合金有著充分發展的潛能，鋁合金的廣泛應用是借助于其導電性的特點。鋁合金的堅固性以及方便著色性和耐熱性以及散熱性等特點，得以在手機以及一些移動電源中廣泛被應用，既減輕了電子行業的金屬使用負擔，還促進了鋁合金行業的進一步發展。

3.3 交通行業

鋁合金作為一種性能優良的輕質材料在我國的汽車發展制造業中成為材料的首選，并且在鑄造過程中鋁合金多數用于制造發動機以及輪胎軸承等零件，可以大大的減輕汽車的重量，并且鋁合金對減重效果非常明顯，還能夠促進汽車的節能減排發展。

3.4 建筑行業

建筑行業多利用鋁合金材料來進行門窗設計。在足夠的耐腐蝕性和高強度抗壓性的基礎上，選取鋁合金來進行裝飾，可以使得房屋建筑過程中的門框等裝飾部件形成高強度高抗壓性的組成部分。

4 結語

當前，我國迅速發展的汽車產業對合金材料提出了新的要求，由于高強鋁合金主具有加工性能較好、便于焊接、強度較高以及密度較低等優點，其在汽車、領域中獲得較為廣泛的應用。但隨著汽車材料的不斷更新，開發耐熱性、穩定性、高強、高韌的 Al-Zn-Mg-Cu 系合金材料是今后一段時間內主要發展方向。關于高強高韌鋁合金材料的研究，主要集中于以下幾個方面：首先，對傳統鋁合金生產技術的改進和完善，并不斷開發新型噴射制備工藝，通過選擇合理、科學、先進的工藝參數、制備工藝，結合高純度合金，獲取質量更高的鑄件組織，從而獲得抗疲勞強度、韌性較高的合金產品。其次，對 Sc、Zr、Ag 等微量元素，在Al-Zn-Mg-Cu 系合金產品中存在形式、作用機理的進行了研究，建議通過多元化合金化的形式，實現沉淀強化的目的，以提升合金耐蝕性、強度水平和韌性水平。