铝合金材料的机械加工工艺研究_张璐.pdf

材料及应用 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料84铝合金材料的机械加工工艺研究张 璐，张 博西京学院，陕西 西安 710123摘要：在工业发展中，铝合金材料因其较高的密度和材料强度得到了广泛的应用。而在现如今的工业生产中，对于加工零件的精度、形状等方面都有着较高的要求，这使得铝合金材料的加工工艺需要进行一定的研究创新，解决加工过程中零件变形的问题。文章从影响铝合金材料加工工艺的主要因素出发，针对铝合金材料的粗加工、精加工、安全加工等方面提出相应的技术应用，希望能为铝合金材料的机械加工工艺研究提供新的思路。关键词：铝合金材料；机械加工工艺；工艺研究分类号：TH161 影响铝合金材料加工工艺的因素1.1 铝合金材料主要性能在工业加工中所使用的铝合金材料，其材料性能相较于传统的硬铝材质有着更高的结构强度和屈服极限，同时在加工过程中也表现出更高的耐热性，在铝铜镁系三元状态图中主要位于、S 相区的右侧，主要显现出的强化相为 S 相1。在铝合金材料的机械加工过程中，车床的切削刀刃切割铝合金材料结构中强度较高的 S 相区时，会打破整个铝合金材料的内部应力平衡，使得材料内部结构的应力平衡变得不稳定，在这种状态下继续进行加工会使得铝合金材料内部产生回归零应力的倾向，并且铝合金材料制成的零件内部残余应力会重新分布，应力的变化使得材料发生形变，导致整个零件的精度发生变化，甚至可能会产生内部的裂纹，对零件结构造成功能性上的破坏2。另外在对铝合金材料进行焊接加工时，铝合金材料自身的线膨胀系数相较于钢材料要高，铝合金材料受热所产生的形变更高，同时铝合金材料自身还具有较强的收缩性，因此在冷热交替下，焊接加工完毕的铝合金材料零件的焊缝处更加容易出现气孔和裂缝，影响铝合金材料的加工工艺的使用。1.2 机械加工中的残余应力在机械加工中产生的残余应力也是影响铝合金材料机械加工的重要因素。首先，残余拉应力和对应压应力会造成材料形变。在使用刀具对铝合金材料进行切割时，铝合金材料与刀具接触的表面会发生一定的受力形变，产生残余的拉应力，并且这种形变往往会带动材料内层结构，内层结构受应力作用产生对应的压应力，在内外的应力作用下整个铝合金材料会发生一定的形变。其次，残余热应力引发塑性变形。在刀具对铝合金材料进行切割时，受材料表面的摩擦阻力影响，在切割处留下一部分热量，铝合金材料受热影响，出现部分的膨胀，同时当内部的材料温度相对较低时，铝合金材料表面的膨胀会阻隔内部材料，产生一定的热应力现象。一旦热应力超过了铝合金材料的材料屈服极限时，就会产生相应的塑性变形问题，在加工结束以后，零件中的铝合金材料不再受热，材料逐渐收缩，使得零件中铝合金材料体积缩小，带动其他零件金属结构发生形变3。最后，机械加工中的切削热引发弹性形变。在机械加工中无论是轧制还是切割技术，在机械作用下被处理的铝合金材料会产生一定的弹性形变，出现形变的结构区域会出现热量变化，该热量是切削热的主要产生来源。同时铝合金材料自身在材料特性上具有较强的塑性、黏附性，铝合金材料在被切割时产生的切屑很容易附着在切割刀具上，不及时处理会加大刀具与铝合金材料的接触面积，从而使得整个切割过程中产生的摩擦力加大，产生更高的热量，导致铝合金材料发生形变4。在铝合金材料应力变化中，有多种因素影响切削温度变化。（1）加工时的切削用量。在对铝合金材料进行切割时，通常越高的切割速度会产生越高的切削温度。作者简介：张璐，女，硕士，助理工程师，研究方向为机械加工工艺。文章编号：2096-3092（2023）01-0084-03造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 材料及应用85同时，吃刀量也会对铝合金材料的散热面积产生影响，从而影响切削温度。（2）加工时刀具的几何角度。在刀具角度的设置上，前角越大，单位切削力度越小，切割速度越低，从而切削温度也会下降。（3）刀尖圆弧半径。在加大切削圆弧的半径之后，加工刀具的运行宽度增加，能够有效地改善刀具的散热条件，保持切削温度与加工效率之间的均衡性。（4）刀具的磨损程度。刀具的磨损程度决定了刀具在对铝合金材料进行加工时，所产生的摩擦力程度，磨损程度越高，产生的切削温度越高5。2 铝合金材料的机械加工工艺2.1 铝合金材料粗加工在粗加工过程中，首先需要关注铝合金材料的基础材料特性，在前期加工中，需要清理铝合金材料工件的表面，否则会加大表层承受的摩擦量，导致工件表面的材料晶粒产生一定的变形，因此需要对实际的变形量进行考察，做好前期的材料分析工作。在对常规铝合金材料零件表面进行粗加工时，需要使用铣、刨等方式进行加工处理，并适当调低刀具转速，加大刀具的切削深度，从而保证对零件尺寸精度的控制。对零件形状要求比较特殊，且加工精度要求较高的铝合金材料零件进行粗加工时，需要使用数控机床来进行粗加工处理。在加工过程中需要持续关注铝合金材料工件的实际状态，及时使用冷却液对工件进行冷却，保证热量散发以后再继续进行加工，降低加工中切削温度对铝合金工件结构的影响。同时，在加工处理中，还需要增加一定的人工时效处理步骤，对加工后工件内部的残留应力进行消除处理，平衡材料内部的应力变化，减轻加工后应力分布不均产生的变形。另外，在粗加工时还应当对吃刀量进行调整，适当地减少进给量，从而减弱加工中产生的切削力和摩擦力，降低切削过程中的切削温度，从而改善形变问题6。2.2 铝合金材料精加工在粗加工结束以后，为进一步提升工件的加工精度，需要进行精加工。在精加工过程中通常会使用精度较高的加工设备来进行材料处理，比较常见的是各类数控机床设备。在精加工过程中，由于各类精加工的零件中所留出的加工余量较小，需要保持较快的切削速度和较小的进刀量。因此在精加工中需要对刀具的后角进行调整，通过扩大后角的角度来提高刀具的刚度水平，减少切削时的刀具振动问题，确保加工精度7。由于精加工中需要进行高速度的切削处理，会产生较高的热量，同时铝合金材料自身的熔点相对较低，导致在刃前的高温下，切削区域会呈现出半熔化的状态，使得铝合金材料的切削部位软化，结构强度下降，产生比较明显的形态上的缺陷，形成凹凸痕迹。针对精加工中的形变问题，需要在切削加工时，使用冷却性能好、润滑程度强、对铝合金材料影响较小的冷却液进行刀具润滑，通过冷却液带走刀具刃前的部分热量，降低加工中的切削温度，减少热量对铝合金材料零件的形变影响8。2.3 铝合金材料的冷热处理在对铝合金材料进行机械加工时，针对工件的形变问题需要分别针对不同的零件类型在加工工序中增加对应的冷热处理工序，平衡工件内部结构的应力状态，提高加工精度。热处理加工主要使用的是人工时效处理或再结晶退火技术。在加工制作结构比较简单的零件工艺时，加工工序为先进行粗加工，在粗加工结束以后使用人工时效处理，平衡内部的应力状态，之后再进行精加工，最后完成零件的加工组装9。而在对结构复杂且精度要求比较高的零件进行加工时，需要细化整个加工流程环节，主要是在粗加工、人工时效处理之后进行半精加工，再进行一次人工时效处理，最后完成精加工，在精加工工序结束以后，再进行一次热处理，以此来调整零件在精加工过程中可能产生的细微膨胀参数变化，保证铝合金材料的零件加工精度。在对铝合金材料使用热处理加工时，主要通过以下四种方式操作。（1）振动时效处理技术。振动时效主要是通过机械处理的方式使零件产生振动，从而释放零件中存在的残余应力，平衡铝合金材料零件中的应力分布状况，达到稳定形变的效果。（2）人工矫正处理技术。在加工以后，将零件进行固定处理，并通过人力对零件施加一定的压力来调整零件中的形变部分，从而释放内部应力。（3）自然时效处理方式。自然时效处理方式主要将加工以后的工件放置在室温或是自然环境下，自然释放铝合金材料工件的内应力。（4）冷冻处理方式。冷冻处理方式主要是使用低温环境来改善基础的工件材料结构性质，加强基础材料组织强度，保持相应的稳定性，通常会和热处理技 材料及应用 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料86术交替使用，凭借高低温的对冲，平衡内部结构的稳定性，保证工件精度10。2.4 铝合金材料机械加工刀具选择铝合金材料相较于其他的黑色金属材料熔点较低，有着更高的导热系数，在机械加工过程中，刀具的切削会传导更多的热量。这就使得在实际的加工过程中，铝合金材料零件会快速地升温，产生热变形。因此需要针对铝合金材料的热性质合理地选择刀具。需要适当的降低刀具切削时产生的力，因此需要加大刀具表面的粗糙度，从而削弱切削力。同时，在对铝合金材料加工时所使用的刀具材质应避免带有氧化铝成分。铝合金材料在自然环境中会发生一定的氧化，生成氧化铝，合金材料中的氧化铝成分会和刀具中的氧化铝成分发生相吸作用，导致在切削过程中产生的大量切屑附着在刀具表面形成积屑瘤，使得整个切削过程中产生的摩擦力加大，刀具在进行切削时更加容易发生磨损，产生更多的热量。针对以上特点在加工铝合金材料零件时，应当选用钨钴类硬质合金、聚晶复合金刚石或是天然金刚石为原材料的刀具11。2.5 铝合金材料加工安全技术在对铝合金材料进行加工时，通常使用以下几种技术来保证加工过程中的安全性。首先是轧制加工技术。轧制加工技术主要是作为一种粗加工技术应用在大批量的铝合金材料加工中，通常用于生产一些规格要求较低的棒材、铝锭等。轧制加工技术的运行原理主要是通过旋转的轧辊与铝合金轧件之间摩擦力将铝合金材料运输到轧辊中间，通过轧辊向铝合金材料施加高压力，从而将铝合金材料塑造成需要的形状12。其次是铝合金材料的挤压加工技术。挤压加工技术在整个铝合金材料的加工过程中主要属于精加工过程，主要加工方式是在挤压筒中加入相应的铝合金材料，在将机器加热到恒温状态之后，利用挤压筒中挤压轴的强压力作用使铝合金从挤压筒侧端模型孔流出，从而对铝合金材料进行塑形，完成铝制品的加工。通常在挤压加工中可以细分为正挤压、反挤压以及正反联合挤压等方式，根据不同的铝合金种类，挤压加工技术会在零件制作细节上存在一定的差别13。最后是锻压加工技术。锻压加工技术在铝合金加工中往往更为先进。主要分为自由锻压、胎膜锻压以及模型锻压等三类。在加工中主要是对铝合金材料施加一定的冲击压力，铝合金材料在被固定的状态下按照设计模型发生形变，获得对应尺寸的铝合金加工材料。在使用铝合金材料安全加工技术时，需要注意以上三种加工技术中的危险源，对加工环节使用的润滑油、高温器械、热气辐射要进行一定的防护处理，机械加工人员要严格遵守加工厂房的操作规章制度，按照科学的机械加工工序标准对铝合金材料进行加工14。3 结束语在现代工业的发展过程中，在材料领域铝合金材料发挥了重要的作用。为了加强对铝合金材料的使用效果，需要在基础机械加工工艺上，深化对铝合金材料形变问题的控制，综合粗加工、精加工技术，在工序中加入相应的冷热处理方法，优化对切削刀具的选择，使用安全的铝合金材料加工方法，提高工业铝合金材料原件的实际制作方式，扩大铝合金材料的实际使用收益。参考文献1 陈海鹏,刘建城,唐赢武,等.锻造铝合金材料在牵引电机上的应用研究J.电机技术,2022(3):43-47.2 侯红玲.激光切割对铝合金材料的力学性能影响分析J.陕西理工学院学报(自然科学版),2016,32(2):6-10.3 李坤宏,陈峥.6061铝合金机械外壳的铸锻复合成形工艺研究J.热加工工艺,2018,47(3):112-115.4 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