铝合金材料加工刀具设计及工艺优化研究

肖瑶

【摘要】近几年，我国金属材料领域整体发展速度有了显著提升，一方面是由于科学技术以及工艺设计等方面高速发展带来的积极影响，另一方面是由于人们对于金属材料日趋多样化的应用需求。铝合金是用途非常广泛的金属材料，在人们的日常生活中随处可见各种类型的铝合金材料工艺制品。为了确保铝合金材料的加工刀具工艺制品能够更好的应用在机电工程等行业领域，切实提高铝合金材料加工刀具使用寿命，不断提升铝合金加工刀具的质感和使用效果，就必须要做好铝合金刀具设计与加工工艺优化处理。基于此，文章首先对铝合金材料的特性进行了简要分析，随后探究了铝合金材料加工刀具的设计及其工艺优化措施。

【关键词】铝合金材料;材料加工;刀具设计;工艺优化

铝合金刀具是现代工业领域中应用非常广泛的金属材料构件，在机械制造、数控机床等机电工程领域有着极高的应用价值和地位。随着我国机电工程行业的全面发展，各种各样新技术的不断出现和应用，铝合金材料加工刀具必须要不断提升自身质量、品质以及工艺水平，才能真正在切削加工过程中，承受极大的压力和冲击力。铝合金刀具在材料加工过程中，往往需要承受高温、高压以及强大的载荷应力，这就要求其具备极强的材料硬度和结构强度，确保可以高质量、稳定完成材料加工切削任务。

一、铝合金材料简述

铝合金由于其具备比较高的硬度和强度以及塑性效果，而且还有比较好的耐腐蚀性、抗氧化性、导热性，已经被广泛用于工业行业，在全部金属材料中，铝合金的使用量长期居于高位。铝合金是制备加工刀具构件最为常用的材料，由于铝合金具备极为突出的塑性效果，因此，可以根据工业生产的实际需求，加工不同形状、不同大小并且与机械工程行业生产制造相适应的铝合金材料刀具。

但需要注意的是，铝合金材料刀具并非能够适应所有机电工程行业的生产制造需求，比如，在加工3C数码铝合金等金属材料时，非常容易出现“粘刀”情况，这样便会导致加工刀具受损，甚至完全报废，也有可能影响加工件的加工质量。为此，必须要加强对铝合金材料加工刀具设计与加工工艺方面的优化研究力度，从而在保证合金铝材料刀具质量和性能的同时，不断提高加工工艺水平以及加工效率，从而延长铝合金材料刀具的使用寿命[1]。

二、铝合金材料加工刀具设计分析

（一）铝合金刀具的刀瘤限制

铝合金材料的强度非常理想，能够应对机电工程领域绝大多数机械加工需求，甚至个别牌号的铝合金拉伸强度、屈服强度、延伸率以及结构强度等方面的参数远高于普通钢材，这使得铝合金材料在制备机械加工刀具方面具有非常明显的优越性和可靠性。从当前铣削加工刀具选择方面的实际情况来看，铝合金刀具已经成为铣削加工方法中使用率极高的金属材料。铝合金材料刀具在加工过程中，尤其当采用铣削加工方式时，铝合金刀具会承受更多的损耗，这就需要在设计铝合金加工刀具时，着重考虑到铝合金材料刀具的工艺性能、韧性、耐磨性和承载力。

在铝合金刀具铣削加工过程中，应当充分考虑到切削底层金属区域可能出现的刀瘤问题。刀瘤是铝合金刀具在铣削过程中非常容易出现的物质，属于金属切削残余废屑堆积而形成的特殊材质。从刀瘤的实际情况来看，刀瘤的出现会对铝合金刀具的铣削加工质量产生一定影响，而且刀瘤的大小还与铝合金刀具的切削速度存在紧密联系。简单来说，当铝合金刀具切削速度以及切削温度处于300℃时，刀瘤的整体规格处于最大值;当铝合金刀具的切削速度以及切削温度低于300℃或者高于300℃时，刀瘤的整体规格会变小;当铝合金刀具的切削温度超过500℃时，那么刀瘤便会“失踪”。为了提高铝合金刀具铣削加工件的精度，可以考虑提高铝合金刀具的切削温度，并且严格控制切削力，这样可以显著限制刀瘤的出现。

（二）铝合金刀具刀刃形状以及刀具涂层

从铝合金刀具的刀刃形状以及刀具涂层的设计加工实际情况来看，二者的设计是否可以达到优良，会对刀具的使用寿命、加工精准度、铝合金刀具材料的硬度以及强度等多方面产生重要影响。铝合金刀具在加工过程中，刀具的前角作用性非常突出，合适的铝合金刀具前角，可以显著提高刀具的切削力，以及刀具的材料强度和硬度。此外，当铝合金刀具前角的角度处于最佳时，还能够大幅度增强铝合金刀具的切削功率，加工件的精密度也会随之提升，降低加工废件的出现几率。通常情况下，铝合金刀具的前角多为小角度前角以及负前角，但当铝合金刀具的切削力较差时，通常可以适当提高刀具前角的角度。

铝合金刀具涂层会对加工刀具的使用寿命产生明显影响，如果刀具涂层的设计与材料选择不够合理，会大幅度降低加工刀具的使用寿命，很多刀具会在加工数个金属件之后便出现刀具损伤、刀具报废情况，这样不仅容易影响金属加工质量，还会增加频繁更换刀具的成本。为此，在设计铝合金材料加工刀具时，必须要着重考虑铝合金刀具涂层的设计问题。目前，铝合金刀具涂层的生产技术以化学气相沉积法为主，这种生产技术具有工艺相对简单、设计与加工更容易完成，最为关键的是，采用化学气相沉积法设计加工的铝合金刀具涂层，其耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性、导热率等方面的性能会有限制提升，刀具的使用寿命可以延长数倍，甚至十数倍以上。即便长时间用于工件加工与金属切削，刀具的涂层也不会脱落或者氧化，铝合金刀具也不会出现变形情况。在对铝合金刀具涂层材料进行设计时，必须要选择最合适的涂层材料，最好选择复合型材料，例如，金刚石涂层的稳定性和使用寿命都比较长，即便长期进行金属加工与金属切削，涂层也不会出现脱落情况。而且，复合型涂料的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温等方面的特性也非常突出[2]。

三、铝合金材料加工刀具工艺优化分析

铝合金材料刀具中有大量金属元素，正是由于在铝材料中加入了镁、铜等金属元素以及硅等元素材料，最终形成了铝合金材料。单一铝材料的硬度和强度都无法满足金屬切削加工工艺需求，但是加入了其他元素材料之后所形成的铝合金材料，其强度和硬度等特性都有了大幅度提高，从而更好的应对金属切削加工需求。但并不是单纯加入元素材料，就能够真正提高铝合金材料刀具的切削性能，必须要确保每一种元素材料的添加量适宜，不同元素材料之间的添加配比达到最优标准，这样才能真正提高铝合金材料刀具的硬度、强度、耐磨性以及使用寿命等参数。

随着机械加工行业的不断发展，越来越多的加工工艺得到了广泛应用，再加上形式多样、用途各异的金属构件出现，对铝合金材料刀具的整体性能提出了更高的要求。铝合金材料必须要具备更为强劲的结构强度、硬度、耐磨性以及使用寿命，这样才能提高铝合金刀具的金屬切削性能。因此，在调整元素材料配比时，必须要寻找各个元素材料的最优数值配比，从而全面提高铝合金材料刀具的拉伸强度、屈服强度、拉伸率等性能参数，使其可以应对更多场景下的金属切削加工工艺需求，真正提高铝合金材料刀具的切削性能。

在对铝合金材料刀具加工制造过程中，为了切实提高刀具的性能，必须要做好热处理工艺环节的加工工艺管理，尤其要严格按照工艺标准对铝合金刀具进行退火处理。通过均匀化退火处理，能够切实提高刀具整体结构强度，消除刀具加工制造过程中的残余应力，降低刀具变形几率，消除组织参残余应力，提高刀具在金属构件加工过程中的切削性能，这样便可以加工出金属性能、切削性能更加突出的铝合金刀具。

对铝合金刀具的加工工艺进行优化创新，能够显著降低生产成本，也可以降低频繁更换铝合金刀具给企业带来的资金损耗，更能够大幅度提高金属构件切削加工能效。为了提高铝合金刀具的加工工艺水平，真正加工出性能优良、质量极高的铝合金刀具，可以在正式加工制造之前，通过模拟技术、仿真技术等先进技术进行预加工、预设计处理。除此之外，还需要做好机床的稳定性管理，尤其要加强刀架的抗振动性能处理，这样可以有效降低铝合金刀具在加工过程中出现破损的几率。此外，可以选择长时间加工工艺方式，保证加工处理的连续性，从而确保刀具加工效果处于最佳状态。

在对铝合金刀具加工过程中，应当充分考虑到刀具直径、刃带等参数给铝合金刀具性能带来的影响。为此，在设计和加工铝合金材料刀具时，应当充分考虑到刃带在刀具上的具体位置、角度以及宽度，尽可能控制切削性能以及切削力。而在刀具直径的选择时，应当根据金属材料切削加工的实际需求，加工制作不同直径规格的刀具，从而达到控制切削速率、切削刃强度等方面的目的[3]。

四、结语

铝合金材料刀具在机械加工领域有着非常广泛的应用。刀具的设计与加工工艺质量，会对铝合金刀具的整体性能产生直接影响，因此，必须要从铝合金材料刀具的各个元素材料配比方面入手进行优化管理，更要做好刀具的涂层材料选择以及涂层设计处理，并且，限制刀瘤的形成，这样才能确保铝合金刀具切削性能处于最佳状态。

参考文献：

[1]张深圳，牛秋林，李爽，等. 硅铝合金表面缺陷形成机理及其加工工艺优化研究进展[J]. 宇航材料工艺，2021（1）.

[2]王建文，李超，徐兴伟，等. 铝合金螺纹挤压加工载荷仿真及刀具参数优化[J]. 组合机床与自动化加工技术，2021（10）.

[3]万达. 铝合金材料的应用领域及加工成形技术分析[J]. 中国金属通报，2020（12）.