铝合金轮毂样件的数控铣削表面质量研究

韦江波

（柳州职业技术学院，广西 柳州545006）

0 前言

铝合金在当前社会的适用越趋广泛，其特征在于铝合金材质本身具有质量轻、耐腐蚀、耐持久性等诸多优点。特别是最近国家出台的节能减排等一系列措施，要求汽车行业必须减轻车身重量，以达到降低汽车排放和提高新能源汽车续航的能力[1]。“十三五”广西科技计划项目将铝冶金生产新工艺新方法列入其申报指南，可见其研究的重要性。

汽车铝合金轮毂通常采用A356型号的铝合金，和市面上的普通铝合金有一些不同，因为铝合金轮毂要承受汽车在行驶过程中的扭转力，同时要承受汽车载重力，所以汽车的铝合金轮毂必须添加一些稀土元素材料混合铸造，才能达到上述性能[2]。由于添加了稀土元素，铝合金本身的硬度等发生了改变，因此加工时会出现粘刀、热涨、表面刮痕等现象，如何选用合适的刀具材料、加工参数等方法完成铝合金轮毂的加工，是本课题主要解决这些问题的内容。同时也为相关（飞机、轮船、汽车等）铝合金的加工技术提供参考的数据[3]。

1 A356铝合金加工性能分析

铝合金经过添加了稀土元素后，其性能有了很大程度的提高，和市面上普通的铝合金有着本质上的不同。但其本身材质还是以铝为主，因此在零件的加工上还是有明显区别：

（1）铝合金的导热性高，在加工过程中，由于铝容易产生弹性变形，刀具的后刀面与零件之间接触面积大，产生剧烈摩擦而引起振动，因此不容易获得加工精度和表面粗糙度。

（2）铝合金在加工时容易产生热膨胀，膨胀系数要比钢材料大2倍以上，在切削时，由于铝材料本身的导热性能好，切削后已加工表面冷却不到位的地方会产生较大的热涨变形，高速加工时尤为明显，当加工完后冷却后产生收缩，很难控制尺寸精度。此外，铝合金熔点低，在高温高压下，切屑和前刀面摩擦会产生积屑瘤。

（3）粗加工时，可转位刀片刀刃通常比较顿，在切削时由于吃刀量比较大，被加工表面切削后，由于挤压，会带走相邻表面的材料，因此会出现过切现象。铝合金的熔点低，粗加工产生的热量还会造成粘刀现象。

铝合金加工所使用的刀具及新技术：现代向高效、高速加工技术的发展，对刀具的材料及使用有着极高的要求，而在添加稀土后的高性能铝合金轮毂的加工中通常情况下不使用高速钢刀具，特别是在高速加工的情况下，无法得到很好的表面粗糙度和尺寸精度。目前适合铝合金高速加工的刀具材料有陶瓷、硬质合金、金刚石等材料，本文将采用市面上使用较多的硬质合金刀具作为铝合金轮毂加工主要研究的对象。

2 数控切削实施的方式

切削工件材料：A356铝合金样件，工件尺寸直径为70 mm，高度为60 mm。检测要求：通过样板对比检测被加工表面的表面粗糙度Ra，机床为KDX650L；刀具为硬质合金平底铣刀，型号为D1-D20；刀杆尺寸为φ10.0*25*75L-3T。

根据切削参数计算公式：

2.1 粗铣

根据以上述的数据和机床转速、切削速度计算得出粗加工转速与切削速度，从机床主轴箱标牌查得机床转速的取值，得出以下各个工步的转速与切削速度的数据，如下表1所列。

表1 刀具粗加工参数表

参照国内表面粗糙度车削模板进行参考如图1所示。

图1 表面粗糙度样板

在数控铣床上加工完成后，通过对加工表面的质量进行200倍率的放大，并观察表面粗糙度模板和加工后的A356铝合金样件情况进行比对分析（见图 2）。

图2 粗加工表面质量对比

2.2 精铣

结合数控铣床的性能，根据公式近似算出机床转速、切削速度，根据经验值分别给出两种常用的精加工切削速度参数，每层的切削深度为0.2 mm，主轴转速为5 000 r/min，分别给两组切削速度数据进行加工分析，如表2所示。

表2 刀具精加工参数表

实验结果如图3所示，刀具为硬质合金平底铣刀 D1-D20，转速为 5 000（r/min）；表面质量，纹路较好，表面质量到达Ra6.3，微见刀痕，加工时间8 s，每次切削厚度为0.2 mm，表面裂纹减少，无裂痕。无鳞刺和有凹槽，刀尖没有切屑瘤，效率值提高。如果205/55R16轮毂尺寸，铣削每次大概需要70 s时间。

图3 精加工一表面情况

层的切削深度为0.1 mm，主轴转速为6500 r/min，分别给两组切削速度数据进行加工分析，如表3所示。

表3 精加工参数2

图4 精加工二表面情况

实验结果如图4所示，刀具为钨钢平底铣刀D1-D20，转速为 6 500（r/min）；表面质量，中间部分纹路，有裂痕出现。表面质量与国标表面粗糙度相比无法到达Ra6.3微见刀痕，效率值一般，表面质量一般。加工时间14 s，每次切削厚度为0.1 mm，表面有裂纹出现，有鳞刺和有凹槽，刀尖有切屑瘤等等。如果205/55R16轮毂尺寸，铣削每次大概需要140 s时间。

3 结束语

综上所述，通过修改切削参数，在硬质合金刀具加工时，可得出不同的加工结果，并对加工的结果进行分析和优化，能进一步提高材料的表面质量和尺寸精度，避免加工后存在裂纹、积屑瘤等缺陷的产生，是汽车铝合金轮毂制造过程中迫切需要解决的问题。也是提倡自主创新与转型升级以增强广西企业核心竞争力的背景下，为汽车铝合金轮毂的加工提供参考的依据，符合技术发展趋势与市场需求，其研究成果为新能源汽车、动车等相关铝合金加工应用方面也具有较大的参考价值。