铝合金的切削性能的简要研究

郭春杰　唐飞宇　罗承俊　钟海兵　张俊荣　路英竹

摘 要：铝合金是硬加工材料领域中具有高机械强度的、最有前途的材料，也正因为它具有较高的强度重量比这一优点，铝合金在航空航天和航空制造企业中得到了广泛的应用。多年来，人们不断提高对绿色环保、低成本的加工实践的要求，因此许多研究人员也对研究更先进的加工工艺产生了浓厚的兴趣。而在铝合金材料的加工过程中，选择合适的加工工艺和冷却条件则对其性能起着至关重要的作用。本文对铝合金加工过程中的功耗进行了综合评述;对自然冷却系统和MQL冷却系统进行了比较;对使用各种类型的切削刀片的刀具磨损、切削温度和表面粗糙度进行临界观察并总结。在现有的文献中，离子液体作为铝合金加工中的冷却剂的应用尚不多见，所以本文对于例子液体的简要研究能够为工程师和研究人员在加工各种铝合金时提供合适的切削条件选择。

关键词：铝合金;切削性能;切削条件;冷却系统

1 前言

铝合金作为一种现代结构材料，由于其密度较低、机械性能也较为良好而在许多工程部件中得到了应用。多年以来，因为它具有失重组合和强度性能较高等优点，铝合金在生产企业中的应用范围也逐渐扩大。同时随着这一技术的发展，铝合金加工的体积比例也有了极大地提高，由此它也被广泛应用于航天工业等特定领域。一般来说，在零件制造领域，为了获得更好的尺寸精度和最佳的表面光洁度，切削过程是在所有部件都处于最佳加工的状态下进行的，当然这也是最有利于精加工操作。

此外，在某些条件下，因为加工过程中存在抖动或者工件的成分中可能含有一些杂质，所以有一定几率会出现工艺的稳定性发生变化或产品受损等现象。在加工实践中，由于压力和温度的升高，材料的工作表面会经历几何、物理和化学环境等多种变化，而这些变化将改变工件的表面完整性，从而降低它们的功能特性。也正是因为在干加工过程中，高速加工（HSM）拥有能够保证工件的表面完整性、提高金属去除率、减少毛刺和堆积边缘的形成这几大优点，它才能够在航空领域有着广泛的应用。

不论是在有冷却剂还是在没有冷却剂的加工过程中，影响金属去除率最重要的因素是进给速度，次要因素是切削深度和切削速度。化学气相沉积金刚石刀具和多晶金刚石刀具都拥有导热系数高、摩擦系数低、温度高等优点，因此这两种刀具被工程师和研究者认为是铝合金在干燥环境中加工的优良刀具。在使用没有涂层的硬质合金刀片加工铝合金时，最主要困难便是前刀面上往往会形成一个积层，除此之外工作表面的质量也取决于切屑的形状和尺寸。当高速数控加工铝合金时，加工时间会大大缩短，这将提高生产率和降低产品成本。铝合金7068是一种性能更好的合金，与其它牌号的钢相比其具有更高的抗拉强度。可以说，它基本上是根据化学成分、机械性能和热处理要求制造的7000系列铝锌合金。此种特殊材料主要是为军事应用而研制的，并且它还在航空航天和汽车工业中被用于制造连杆、阀体应用和医疗设备，以及被用于制造智能手机的外部封装。

2 可加工性

可加工性是指金属易于切削（加工），能够使材料迅速地被去除，并且加工成本较低。加工性好的材料一般切削功率小、切削速度快，而通常所讲的可加工性包括表面光洁度、刀具寿命、切削温度、功率和刀具成本等方面，此外还有许多参数会影响机床的性能，但一般不用于量化过程。

（1）刀具磨损。刀具磨损被认为是一种摩擦学特性，其随着加工过程的进行而进一步导致表面粗糙度的增加。刀具磨损会影响加工过程的表面质量、刀具寿命、尺寸精度和经济性。因此，为了能够更好的使用道具，机械加工行业便会更加注重对刀具磨损采用不同的检测方法。OkokPujie建立了统计模型，他以99.7%的精度对切削刀具进行模拟，并通过最佳工艺参数组合来进抹蜜。他发现刀具磨损最小是0.213毫米，而在加工表面的几何偏差方面，表面光洁度、尺寸、形状和取向则是较为重要的因素。除此之外，他还发现因为力的变化对切削力的影响非常小，所以切削速度在粘着结果中摆动较小。

Bejar等人分析了UNS A97075-T6（Al-Zn）在干式车削过程中，加工因素对粘着刀具磨损的影响，并进一步观察到重要的切削参数（进给量和切削深度）值的增加导致BUE的增加。也正因为受切削深度的影响，进给量是表面纹理的重要参数。OkokPujie等人发现随着进给量和切削深度的增加，刀具磨损量随引导速度的增加而减小。因此切削速度是合金和MMC加工過程中最重要的表面参数。

（2）表面粗糙度。表面粗糙度对部件的加工和生产成本有着重大影响，因此它是部件质量的一个重要的参数。经研究发现，表面因素、几何和尺寸这三个方面是最重要的，因此高速数控加工工艺的使用往往导致成本更低、性能更高，且能以最大的生产精度提高生产效率。

同时为了以更低的成本来生产优质产品，所有的制造企业都在寻找能够取得更低的粗糙度、刀具磨损和更高的材料去除率的方法。但研究人员还应该考虑到所有测量的输出以及对工艺参数进行合理选择，因为它们会直接影响生产过程。Abdallha等人利用田口优化技术寻找优化参数组合，最大限度地提高材料去除率，降低车削过程中表面粗糙度。同时结合市场的动态性和经济性来看，加工行业如果在复杂机床条件下进行参数优化的话，成本效益相对而言较高一些。Sebastian等人通过研究发现，表面粗糙度随进给速度的增加而提高，除此之外，还采用不同切削参数来进行“高速数控加工对AA6063-T6铝合金表面粗糙度的影响”这一研究，该研究表明如果切削时间大大缩短，便可提高生产率，从而降低生产成本。M.S.Najiha等人用最小润滑法研究了6061-T6铝合金加工中的硬质合金刀具的表面粗糙度。在设计和实验中，则采用中心复合设计方法，进一步发现了粗糙度随转速的增加而线性增加，即当转速达到5450转/分后，粗糙度减小;而对于TiAlN+TiN涂层，硬质合金刀片则有增加的趋势，但TiAlN涂层的表面粗糙度值与TiAlN+TiN嵌件的表面粗糙度值相比要高的多。

（3）耗电量。切削过程中的功耗会显著影响生产成本，许多部件如电动机在机器设备中将消耗大量的能量。加工工具不仅能够加工材料，还会产生切屑和热量。而则可以根据特定的、能对周围环境有巨大影响的可加工性因素，如能耗、切削力和机床部件等来预测能量消耗。也正因为如此可以，可估算到实际机器使用的能量仅占总数量的15%。由此可见，可通过提高加工过程的能源利用率，来降低加工过程的能源消耗，从而使环境影响最小化，有助于实现可持续生产。近年来能源引起了相当大的关注，无论是学术界还是工业界都对电耗和表面进行了一些探索，研究人员利用PCD刀具对铝合金6063TiC复合材料的粗糙度进行了估算，并假定在所有条件下能量消耗随切削深度的增加而增加。然而事实上，随着进给量、切削速度和切削深度的增加，能量消耗也会随之增加。在干燥条件下，研究人员必须考虑机床的条件，以及加工信息和经验公式（关于模具寿命、强度和表面质量），同时尽量减少对能源和廉价工具的使用，这样才能够提高性能。除此以外，利用比能法、切削功率法和指数函数法等评价材料能量的方法，发现了切削过程中的最低能耗是在较低的速度和较高的切削和进给深度下实现的，能量消耗的能量消耗分别为37.43%和20.5%。该结果表明，铝的金属去除率预测结果优于钢和球墨铸铁。同时实测功率值大多在预测功率的不确定范围内，可以得出使用SEM、EFM测量功率的难度适中，使用CFM测量功率的难度最大这一结论。

（4）刀具状态监测。目前，加工工艺在国家的经济发展中起着非常重要的作用。为了减少零件制造中的切削时间、降低加工成本、提高尺寸精度和最佳表面光洁度，同时也是被自动化过程和加工环境所吸引，所以大多数工业产品的制造都采用机械加工方法。在某些条件下，会出现诸如加工稳定性的变化或最终产品的低质量等物理现象，这是由于加工过程中存在抖动或是工件成分中存在杂质。近年来，为了克服这一问题，工程师和研究人员开始关注加工过程的在线监测。在切削行业中，刀具磨损是一个较为重要的问题，因为磨损会影响加工过程的表面质量、刀具寿命、尺寸精度和经济稳定性。同时对刀具的监控并不是非常容易，加工过程主要是一个非线性系统，并依赖于时间，这使得它们的建模变得复杂;其次，传感器依赖于所获取的信号，例如工件材料、加工条件、刀具几何形状;同时因为没有任何直接的方式来量化磨损，所以只能进行间接测量，这也是必须的评估。除此之外，由于各种各样的原因，例如刀具几何差异、刀具抖动、数字化仪器的噪声抖动、传感器非线性和工作材料特性，都会干扰来自机床的信号。由于加工零件的尺寸和变形，刀具磨损是许多加工过程中的一个重要参数。因此，在大多数金属切削过程中，对刀具磨损机制的监测和检测是至关重要的。放射性波、触发器探头、接近传感器、光电电阻是测量的关键技术。因为这涉及了一个与磨损程度相互关联的变量，所以当刀具主动啮合时，研究者可用直接法进行测量。工具监控系统是一个集信息选择、加工、获取数据和决策工具于一体的数据和系统处理流程。在加工过程中，加工刀具部件的干扰和磨损是刀具状态监测的重点。过去，研究者主要关注刀具磨损、刀具破损和刀具剩余寿命评估等方面，而现在发现刀具状态的在线识别才是至关重要的，因为只要通过在线刀具状态监测的实现，就能准确地检测出97%的总磨损量。

（5）切削温度。切削温度是加工操作的一个重要参数，随着速度的增加，当温度值上升到一定的极限，切口的强化就会受到热阻的限制。因此，研究者有必要改变作用在仪器上的热应力。切削温度分布不均匀，但切口边缘发生变化，因此可以把加工温度当成平均值来看。工件和切削刀具的加工温度可用热电偶进行测量。同时在定期去除金属的情况下，刀具的表层先被加热，然后周期性冷却。由此可以看出，温度首先会随着速度的增加而增加，之后由于加热时间过短而降低。提高切削加工性能和加工质量是金属切削行业的一个重要课题。Kannan等人利用表面响应方法建立了铝6063的温度场模型，并对其进行了分析，发现在切削速度为200m/min、切削深度0.25毫米、进给速度0.05m/rev时，可达到加工零件的最小表面粗糙度和最小温度切削力。温度会对刀具磨損和有效性产生影响，因此在温度是非常重要的一个因素，而加工过程中产生的热量取决于试样的切削速度、刀具材料和工件的导热系数。在加工金属时，刀具刃口产生的热量对刀具的运行和成品质量有着重要的影响。除此之外，界面切屑温度与切削速度密切相关——随着加工速度的增加，切削区的温度升高;随着速度和进给量的增加，切屑的横截面增大，从而增加了摩擦导致的温度升高。观察到，在加工过程中晶粒生长部分表面以下所产生的热效应会导致加工材料软化，从而硬度降低。

（6）微结构。材料的微观组织特征是加工过程中的一个重要的考虑因素。制造材料微观结构的演化轨迹取决于它的温度和机械载荷，而工件的加工表面的加工能力和完整性则取决于材料的微观结构特征。在平均织构和晶粒尺寸的框架中，适当的预定义工艺（如旋转、变形速度和与工件相关的高温）能够中影响表面的微观结构。因此，有必要从微观结构的角度来研究对表面现象的认识。由于生产技术的进步，表面完整性研究和微观结构变化已成为工业界和学术界的主要兴趣领域之一。在热力学-诱导载荷和确定机械和热区域所在区域之间界限的过程力学中，该载荷对工作表面微观结构发展的影响最大。对AA 7055进行了研究，发现在最低温度下铝合金的切削层中有许多位错;在最高温度下，微观结构中没有位错。对于工件微结构的表征，应使用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜来量侧面磨损。在微细加工中，工件材料的微观结构件材料的微观组织对最终产品的质量有着重要的影响，同时对表面粗糙度处理的要求也决定着表面层的晶粒尺寸。

3 结论

铝合金由于其高性能、低密度、高强度重量比，深受工程人员喜爱，因而对铝合金的切削性能的了解对加工铝合金产品显得极为重要。本文旨在对铝合金的加工性能进行总结，为工程人员、研究人员提供帮助。文中对铝合金的加工过程中冷却系统和MQL冷却系统进行比较，从微观结构刀具磨损、表面粗糙度等多方面观察，阐述，总结出进一步提高在不同工作条件下加工后的铝合金性能，从能耗来看，能够在满足性能要求的前提下，节省能源。在现有的研究的基础上，不仅要了解加工性能，更要了解冷却系统对加工的作用，适当利用冷却系统，从而能更好地制定出目标产品的加工过程。

参考文献：

[1]郑耀辉，王朋，刘娜，王明海.7075铝合金铣削参数优化仿真研究[J].机械设计与制造，2020（05）：171-174.

[2]胡相斌.铝合金零件加工变形原因分析及工艺控制措施[J].机械研究与应用，2020，33（02）：185-187.

[3]韩如冰，刘凯，刘俊，徐敏.铝合金车体零部件加工变形分析及其解决方案[J].城市轨道交通研究，2020，23（04）：28-31.

[4]徐晟，黄立新，马盼.激光增材与精密切削加工铝合金技术的发展[J].轻工机械，2020，38（01）：1-4+17.

作者简介：郭春杰（1979-），男，湖南株洲人，硕士，高级工程师，主要从事汽车减振及轻量化产品的研发工作。