鋁合金結(jié)構(gòu)件銑削加工性研究現(xiàn)狀

劉暢

【摘 要】鋁合金具有輕量化、剛性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕、外觀平整度好和易于制造復(fù)雜美觀曲面等特征，因而在航空航天、車輛工程等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。鋁合金薄壁、框體等結(jié)構(gòu)件剛性較低、銑削加工余量大、加工工藝性較差、切削過程中由于切削力和切削振動的作用容易產(chǎn)生變形，本文綜述了國內(nèi)外在鋁合金結(jié)構(gòu)件切削加工變形方面的研究進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】鋁合金結(jié)構(gòu)件；銑削加工性；加工變形

0 引言

鋁合金具有輕量化、剛性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕、外觀平整度好和易于制造復(fù)雜美觀曲面等特征，因而鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用越來越廣泛，在航空航天、車輛工程等領(lǐng)域呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭。表1列舉了幾種典型鋁合金的機(jī)械性能。

航天航空方面，鋁合金在飛機(jī)上主要是用作結(jié)構(gòu)材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，民用飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)件的用量占飛機(jī)自身質(zhì)量的60%～80%，最新型的B777客機(jī)上，鋁合金結(jié)構(gòu)件占機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的70%，美國鋁業(yè)公司為歐洲空客公司（A300）提供的鋁材制造的零部件示意圖指出鋁合金達(dá)78%。據(jù)美國鋁業(yè)公司的數(shù)據(jù)，汽車中典型的鋁質(zhì)零件的一次減重效果可達(dá)30%～40%，二次減重可進(jìn)一步提高到50%；每使用1kg鋁，可使轎車壽命周期中減少20kg的尾氣排放，因此采用鋁合金結(jié)構(gòu)件能有效節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。目前已經(jīng)研制開發(fā)出了全鋁列車、全鋁汽車、鋁坦克（裝甲機(jī)）、鋁艦艇、鋁炮架等，加之大型整體壁板和空心復(fù)雜薄壁型材的成功研制，促進(jìn)了大型擠壓型材在鐵道車輛上的應(yīng)用。因而鋁合金的切削加工性能受到了許多研究者的關(guān)注。

1 鋁合金結(jié)構(gòu)件加工變形

鋁合金結(jié)構(gòu)件零件由于剛性較低，銑削加工余量大，加工工藝性較差，切削過程中受到切削力的作用容易產(chǎn)生變形，另外工件內(nèi)的殘余應(yīng)力對工件的強(qiáng)度、疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性都有很大的影響。同時切削力、切削熱和機(jī)械振動等因素也會導(dǎo)致工件變形。一般來說，導(dǎo)致鋁合金結(jié)構(gòu)件在加工過程中變形的因素分為以下幾種：①材料本身影響；②切削過程中刀具與工件間的熱—熱力耦合作用；③工件裝夾方式；④初始?xì)堄鄳?yīng)力等。如圖1所示銑削加工結(jié)束，裝夾釋放后，加工時的殘余應(yīng)力釋放零件容易發(fā)生明顯的翹曲變形。

目前許多學(xué)者對不同鋁合金結(jié)構(gòu)件加工變形進(jìn)行了研究。梅中義、楊吟飛等分析了航空整體結(jié)構(gòu)件銑削加工時易變形問題，主要研究了殘余應(yīng)力對加工變形的影響。張烘州等研究了大型航空整體結(jié)構(gòu)件因剛性差，切削力、切削熱及切削振動等導(dǎo)致零件變形問題。王春等對鋁合金車體結(jié)構(gòu)件銑削時筋變形進(jìn)行了研究，結(jié)果表明切削力和工件剛度是影響切削變形的主要因素。王樹宏等人提出了鋁合金厚板初始?xì)堄鄳?yīng)力的測量方案，分析了宏觀加工變形與殘余應(yīng)力的關(guān)系。曹巖等研究了鋁合金材料LYl2CZ方形直側(cè)壁工件在不同切削用量下的變形。由于銑削鋁合金結(jié)構(gòu)件存在的變形、振動等問題，因此對鋁合金結(jié)構(gòu)件的變形、振動機(jī)理研究顯得尤為重要。

2 鋁合金結(jié)構(gòu)件加工變形控制

2.1 抑制和消除鋁合金結(jié)構(gòu)件的初始和銑削時的殘余應(yīng)力

鋁合金結(jié)構(gòu)件在加工過程中，由于毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力的釋放與重分布而引起的加工變形問題已成為鋁合金結(jié)構(gòu)件制造中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一，并且殘余應(yīng)力的抑制與消除有助于控制加工變形。殘余應(yīng)力抑制與消除一般方法有自然時效、熱應(yīng)力時效、敲擊時效、振動時效、超聲沖擊等。Omar Fergani等通過建模的方法提出了銑削殘余應(yīng)力預(yù)測模型，能夠有效的預(yù)測各種切削條件下殘余應(yīng)力的分布情況。Xiaohui Jiang等人研究了銑削薄壁鋁合金時刀具直徑大小對工件殘余應(yīng)力和變形的影響，結(jié)果表明直徑大的刀具能有效減少殘余應(yīng)力的分布。王曉燕研究了銑削加工對鋁合金薄壁件殘余應(yīng)力的影響，結(jié)果表明：隨著銑削的進(jìn)行，試件余料內(nèi)部應(yīng)力不斷釋放，應(yīng)力場出現(xiàn)重分布，得到了薄壁鋁合金銑削時殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。姚春臣等人對2A12鋁合金板形件分別用振動時效和熱處理時效做了對比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明振動時效的效果比190℃×10h熱處理時效的效果好，振動時效的能源消耗也遠(yuǎn)比熱處理時效的能源消耗低。王世中、王秋成等人對鋁合金殘余應(yīng)力的抑制與消除提供了解決方案，提出了在鋁合金結(jié)構(gòu)件淬火后的不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行殘余應(yīng)力消除處理效果最佳，并輔以高溫時效、振動、周期拉伸等有效的消除殘余應(yīng)力的手段。通過選擇使用這些方法，可以使殘余應(yīng)力消除20%-90%左右。美國Alcoa公司提出深冷急熱法，通過將浸入液氮中冷透后的鋁合金構(gòu)件采用高壓蒸汽噴射進(jìn)行“反淬火”（uphill quenching）來消除航空鋁合金構(gòu)件（正）淬火引起的殘余應(yīng)力。唐志濤等從熱力耦合的角度對殘余應(yīng)力的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，指出低速切削鋁合金時，切削力較大，“擠光效應(yīng)”引起的殘余壓應(yīng)力占主導(dǎo)地位；而在高速切削時，隨著切削力下降，切削溫度升高，熱載荷引起的殘余拉應(yīng)力逐漸占據(jù)優(yōu)勢。

2.2 工藝策略對加工變形的影響

鋁合金結(jié)構(gòu)件中如薄壁零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對剛度較低，在切削加工中極易發(fā)生加工變形，造成壁厚上厚、下薄、尺寸超差等，使用傳統(tǒng)的加工工藝很難保證其加工精度。針對薄壁零件剛性差、強(qiáng)度弱，加工工藝性差，易發(fā)生加工變形和切削振動等情況，改變工件的裝夾方式，優(yōu)化走刀路徑，探索控制薄壁件削加工變形的方法，這對于提高生產(chǎn)率和保證零件的加工質(zhì)量有顯著意義。在加工過程中，裝夾變形對鋁合金零部件的加工精度和表面粗糙度影響很大。不合理的裝夾方式容易產(chǎn)生裝夾變形，影響加工質(zhì)量甚至造成工件報廢，因此在裝夾鋁合金結(jié)構(gòu)件時因注意盡量減少裝夾次數(shù)避免多次裝夾引起變形、增大零件的裝夾接觸面、選取合適的夾緊力與合理的夾緊方式夾緊位置。李滬曾、王金鳳、孔嘯等對銑削薄壁鋁合金加工工藝做了研究，分別對薄壁鋁合金的裝夾方法、走刀路徑進(jìn)行了論述，還提出了高速切削時相對運(yùn)動速度高，讓銑刀圓弧或傾斜地徑向切入試件（如圖2a所示），或者軸向螺旋地進(jìn)刀（如圖2b所示）的方法，有利于保持切削過程平穩(wěn)，提高加工精度和表面質(zhì)量。

張克昌等從切削刀具選型優(yōu)化、工裝的優(yōu)化、工藝參數(shù)的優(yōu)化3個方面對城軌車輛B型車底架加工工藝進(jìn)行了改善。王一江等通過對鋁合金2A12銑削加工整體變形和局部變形進(jìn)行了研究，研究通過對2A12鋁合金的銑削單因素試驗(yàn)，確定了在針對2A12鋁合金材料的銑削加工過程中，應(yīng)盡量選擇較大的主軸轉(zhuǎn)速和較小的進(jìn)給量以減小銑削力，進(jìn)而減少銑削力對鋁合金薄壁工件加工變形的影響。此外由于不少鋁合金結(jié)構(gòu)件為內(nèi)部中空，故其銑削過程出于不連續(xù)狀態(tài)，其銑削力不均勻，銑削溫度比較高，極易造成變形，可以采用小切削深度、小每齒進(jìn)給量、適當(dāng)?shù)那邢鲗挾?、極高的主軸轉(zhuǎn)速（從而獲得很高的進(jìn)給速度）的銑削工藝參數(shù)組合，既可以減小薄壁零件的加工變形量，又可以提高銑削效率。

2.3 冷卻與潤滑對加工變形的影響

銑削鋁合金結(jié)構(gòu)件時采用高效乳化切削液冷卻潤滑，有利于降低銑削力和銑削溫度，防止切屑粘結(jié)在整體硬質(zhì)合金銑刀上不能分離而使刀具報廢。并且能有效抑制銑削過程中刀具與工件間因熱力耦合作用產(chǎn)生的變形。近年來相對有冷卻液的切削方式，國內(nèi)外提倡綠色加工，干切削應(yīng)運(yùn)而生，但是兩種切削方式都有缺陷。濕切削的切削液存在的缺陷有：

①長期暴露在空氣中或切削加工中由切削熱造成的切削液霧狀揮發(fā)，容易污染環(huán)境、危害操作者健康，切削液中的硫、氯等添加劑危害更大，影響加工表面質(zhì)量；②切削液的使用影響加工成本，據(jù)統(tǒng)計(jì)，切削液占生產(chǎn)成本的16.9%，而刀具費(fèi)用僅占3%；③切削液的滲漏、溢出會污染環(huán)境，易發(fā)生安全、質(zhì)量事故；④切削液的傳輸、回收、過濾等裝置及其維護(hù)費(fèi)用較高，增加了生產(chǎn)成本。并且在切削時因切削液加注過程的不連續(xù)性及冷卻程度的不均勻性，使刀具產(chǎn)生不規(guī)則的冷、熱交替變化、容易使刀刃產(chǎn)生裂紋、引起刀具破損、從而降低刀具使用壽命。干切削的缺陷是切削溫度比濕切削時高得多，另外干切削在切削時對刀具要求較高，刀具需有良好熱硬耐磨性、較低摩擦系數(shù)、較高熱化學(xué)穩(wěn)定性。1996年美國制造工程師學(xué)會Green Manufacturing中首次提出綠色制造這一概念。金屬切削的“綠色”切削是指在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡量不用或少用切削液，以最大限度地減少切削液對人和環(huán)境的危害。目前常見的方式有：干切削、微量潤滑切削、低溫冷風(fēng)切削、液氮冷卻切削等。由于傳統(tǒng)的濕切削和干切削都有一定的缺陷，最小微量潤滑切削（Minimal Quantity Lubrication）、低溫冷風(fēng)切削、液氮油霧冷卻切削被眾多研究者吸引。

由于鋁合金結(jié)構(gòu)件銑削時銑削力的震蕩不穩(wěn)定性和較高的銑削溫度決定了銑削鋁合金結(jié)構(gòu)件時不能單獨(dú)的使用傳統(tǒng)的濕切削和干切削。微量潤滑切削、低溫冷風(fēng)切削、液氮冷卻切削等方式成為了鋁合金結(jié)構(gòu)件銑削冷卻潤滑的選擇。微量潤滑進(jìn)行切削，是將一定壓力（0.3-1MPa）的壓縮空氣與微量的潤滑液（50-125ml/h）混合氣化后形成油霧，然后噴射到加工區(qū)，對加工接觸面進(jìn)行充分有效的潤滑，同時工件仍然保持表面干燥，易于清理。微量潤滑時使用的切削液的量較常規(guī)的濕式潤滑要少很多，一般2-300mL/h；銑削鋁合金結(jié)構(gòu)件時一般將低溫冷風(fēng)切削、液氮冷卻切削與微量潤滑結(jié)合使用，達(dá)到更好的冷卻潤滑效果，從而抑制鋁合金結(jié)構(gòu)件的加工變形。近年來國內(nèi)外眾多研究者采用最小微量潤滑切削鋁合金結(jié)構(gòu)件，Sreejith在不同冷卻條件下（干切、MQL、冷卻液）對銑削Al6061的銑削力、后刀面磨損、表面粗糙度的影響，結(jié)果表明使用MQL能有效降低切削力、后刀面磨損、表面粗糙度，進(jìn)而減少加工變形，并且對環(huán)境污染小，切屑廢料等在切削完后可回收利用，適用于當(dāng)前綠色加工的主題。F.Itoigawa指出要保證在MQL條件下的好的切削加工性，需選用合適的潤滑劑來形成強(qiáng)的邊界膜，并且激冷效應(yīng)下能維持邊界膜的強(qiáng)度。Helmi Attia研究了兩種潤滑劑在高速加工時對刀具磨損的影響，通過比較認(rèn)為抗磨（AW）添加劑和極壓（EP）添加劑能有效減少刀具磨損和加工變形。

3 鋁合金結(jié)構(gòu)件銑削振動

鋁合金結(jié)構(gòu)件在加工過程中，除了加工變形難以控制以外，還會產(chǎn)生切削振動問題。刀具與工件間的切削相對振動，不僅惡化零件的加工表面質(zhì)量，降低機(jī)床、刀具的使用壽命，還會產(chǎn)生危害操作人員的噪聲，嚴(yán)重時使切削加工無法進(jìn)行。機(jī)床加工中的振動分為強(qiáng)制振動和自激振動，前者主要在斷續(xù)切削中隨著切削力的強(qiáng)制變化而產(chǎn)生；后者通常在切削過程中產(chǎn)生，主要分為摩擦型振動和再生型振動。鋁合金結(jié)構(gòu)銑削時動態(tài)銑削力周期性的激勵著刀具和工件間振動，這種振動嚴(yán)重影響刀具壽命，工件的表面粗糙度。如何降低銑削過程中的振動問題成為了眾多研究者一大研究熱點(diǎn)。李茂月等人采用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真指出降低銑削振動可以降低或增加主軸轉(zhuǎn)速，讓切削處于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，也可減少軸向切削深度（如圖3所示）。李春廣等人對鋁合金薄壁中空結(jié)構(gòu)件重負(fù)荷銑削加工切削力及其影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在筋板交叉處切削力有劇烈波動，其值為切削單層鋁合金時的8-10倍；在較寬的切削用量組合范圍內(nèi)，刀具工件系統(tǒng)易發(fā)生自激振動；刀具易發(fā)生刀尖崩刃和涂層剝落。龔葉利等采用保持工藝系統(tǒng)高剛性的加工過程工藝優(yōu)化與銑削加工動力學(xué)仿真結(jié)合的方法進(jìn)行銑削加工，較好地解決了航空鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)工件加工的顫振問題。當(dāng)前國內(nèi)、外學(xué)者指出切削顫振不僅取決于切削力的動態(tài)特性，而且也取決于機(jī)床結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。證明了動態(tài)切削力的非線性對于切削顫振是一個非常重要的因素。以Tlusty為代表的學(xué)者建立了“再生力—動態(tài)變形”模型該模型基于再生顫振理論，充分考慮了切削動態(tài)因素的影響，它將銑削加工系統(tǒng)看作是具有相互垂直作用的兩個自由度的系統(tǒng)。汪通悅等人在考慮刀具和工件兩個方向的自由度的基礎(chǔ)上，分析、建立了薄壁零件的動態(tài)銑削模型針對4種徑向切深利用實(shí)驗(yàn)分析所得的模態(tài)參數(shù)和力系數(shù)繪制了穩(wěn)定性葉瓣圖。A.Pramanik等人采用PCD刀具對SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行了車削試驗(yàn)研究，考慮了材料的去除方式和機(jī)理，將切削力分為三個來源：切屑變形力，耕犁力和顆粒破碎力，并討論了切削速度對切削力的影響，建立了切削力預(yù)測模型。

4 總結(jié)

本文對鋁合金結(jié)構(gòu)件銑削加工變形控制和銑削加工振動影響因素進(jìn)行了探討，并且綜述了鋁合金結(jié)構(gòu)零件銑削變形和銑削振動的研究發(fā)展?fàn)顩r。從中可以看到，對于鋁合金結(jié)構(gòu)零件銑削變形的研究還有待于進(jìn)一步的發(fā)展。研究合適的工藝策略和振動機(jī)理控制銑削加工變形，對提高鋁合金結(jié)構(gòu)件銑削加工性具有顯著的影響。

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[責(zé)任編輯：王楠]