1影响加工变形的因素
1．1铝合金材料的性能分析
经常用的铝合金材料是2A12－T4。2A12合金在A1－Cu－Mg系三元状态图中位于α(A1)+θ(Cual2)+S(Al2CuMg)相区的右侧，其强化相是S相，其次是θ相。由于S相的时效强化效果比θ相强，因而2A12－T4比标准的硬铝具有更高的强度和屈服极限及良好的耐热性。零件在加工过程中，切削刃在相对较硬的S相上切削，同时单边切削使工件原有的应力平衡被打破，且内部组织的平衡状态极不稳定，有恢复到无应力状态的强烈倾向。零件的残余应力要重新分布到完全松弛，使工件发生变形而达不到预期的加工精度。铝合金材料的塑性、韧性好，粘附性强，切屑不易分离，切削过程中容易粘附在刀刃上产生积屑瘤。铝的线膨胀系数(0．0000238)比钢的线膨胀系数(0．00001)大将近2．4倍。在切削加工过程中，热变形较大。
1．2切削加工中残余应力分析
a)刀具在切削过程中，工件受到刀具的挤压，使材料表层金属在切削方向产生塑性变形，而在切削后受到与之相邻的里层为变形金属的牵制，从而在表面产生残余拉应力，里层金属产生残余压应力。应力的综合作用是使零件产生变形。b)在切削过程中塑性变形与摩擦，使工件加工表面有较高的温度，里层金属的温度较低。温度高的表层金属体积膨胀，将受到里层金属的阻挡，从而使表层金属产生热应力。当热应力超过材料的屈服极限时，使表层金属产生压缩塑性变形。切削后工件表面温度冷却到室温时，使体积收缩，并受到里层金属的牵制，使表层金属产生拉应力，里层金属产生残余压应力，引起零件变形。c)切削加工中切削热的分析被切削的金属在刀具的作用下，产生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热产生的一个重要来源。此外，切屑与前刀面，工件与后刀面直接的摩擦也要耗功，也产生出大量的热量。因此，切削时共有3个发热区域，即剪切面、切屑于前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。影响切削温度的主要因素:切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、切削速度、工件材料、刀具磨损和切削液的影响。1)切削用量的影响:切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。而吃刀量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度影响最大。2)刀具几何角度的影响:切削温度θ随前角γ0的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生切削热减小的缘故。但前角大于25°～30°后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。主偏角Kr减小时，使切削宽度aw增大，切削厚度ac减小，故切削温度下降。刀尖圆弧半径re在0～0．5mm范围内变化，基本上不影响切削温度。因为刀尖弧度半径的增大，会使塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。3)刀具磨损的影响:刀具后角的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响大;切削速度愈高，影响就愈显著。
2铝合金零件的加工工艺探讨
1)加工基准选择
加工基准应尽量与设计基准、装配基准、测量基准一致，且工艺上应充分考虑加工中零件的稳定性、定位准确性和夹紧可靠性。
2)粗加工
由于铝合金零件加工尺寸精度和表面粗糙度不容易达到高精度要求，在加工过程中，首先对各加工面的加工余量，尤其是形状复杂的薄壁零件，在精加工前先进行粗加工。结合铝合金材料的特点发现，工件在加工的过程中，工件表层经过反复摩擦，会使工件表层晶粒变形、错位，产生加工硬化现象，同时切削热也引起切削变形，增大加工后的尺寸误差，甚至引起工件变形。因此对一般平面的粗加工，采用铣、刨加工。通过选用低转速、大切削深度、适当进给量的方法，保证加工的尺寸精度;对于特殊形状的部位，采用数控机床进行粗加工，同时加冷却液对工件进行冷却，以降低切削热对加工精度的影响。并增加人工时效处理，以消除内应力，减少由于零件加工后应重新分布所引起变形。在粗加工中应加大吃刀量，适当减少进给量。进给量和被吃刀量的增加，都会使切削力和摩擦力增加，切削温度上升。但被吃刀量对于切削温度的影响小于进给量。加大吃刀量，可以改善传热情况。
3)精加工
为保证铝合金零件的成品尺寸精度及表面粗糙度，选用精度较高的设备完成零件的精加工工序。一般选用数控设备来完成。在精加工过程中，由于加工余量较小，采用较高的切削速度和小进刀量。在刀具选择上，选用较大的后角以保证刀具有足够的刚度，减小由于切削震动造成的加工精度降低。工件装夹过程中，尽量减少装夹次数，实行一次定位成型，施加较小的夹紧力，以减小装配误差。在加工中，高速切削会产生大量切削热，尽管切屑能带走大部分热量，但在刃前区仍能产生极高温度，由于铝合金熔点偏低使得刃前区常常处于半熔化状态，使工件在切削点处的强度受高温影响大幅度下降，容易产生铝合金零件在加工过程中形成凸凹缺陷。因此，在精加工过程中，通常选用冷却性能好、润滑性能好，粘度低的切削液。在润滑刀具的同时，及时带走切削热，降低刀具及零件加工面的温度，减少零件温度变形。
4)刀具的合理选择
与黑色金属相比，铝合金材料在切削过程中产生的切削力比较小，可以采用较大的切削速度，但容易形成积屑瘤。铝合金的导热系数高，切削时由于切屑和零件传导出的热量较多，切削区温度较低，所以刀具的耐用度较高，但零件本身温升较快，容易引起变形。因此选择适合的刀具材料，选择合理的刀具角度，并提高刀具表面粗糙度，对降低切削力和切削热十分有效。加工铝合金材料刀具应选用YG类硬质合金刀具、聚晶复合金刚石刀具(PCD)以及天然金刚石刀具。加工铝合金不能采用Al2O3基陶瓷刀具，因为氧化了的氧化铝切屑(Al2O3)与该刀具材料相同，切削时容易产生化学亲和力而产生粘结于积屑瘤，造成摩擦阻力增大而是刀具磨损加快。
5)利用热处理及冷处理解决加工变形
消除铝合金材料加工应力的热处理方法有:人工时效、再结晶退火等。对于结构简单的零件工艺路线一般采用:粗加工、人工时效(热处理)、精加工。对于结构复杂的零件工艺路线一般采用:粗加工、人工时效(热处理)、半精加工、人工时效(热处理)、精加工。对于精度要求高的零件在粗加工和半精加工后安排人工时效(热处理)工序的同时，可以在零件精加工工序后再安排一次稳定化热处理工序，防止零件在放置、安装、使用过程中发生微小的尺寸变化。消除铝合金材料加工盈利的冷处理方法:振动时效、人工校形、自然时效以及冷冻处理。振动时效是利用机械的方法使零件产生震动，使加工中产生的应力得以释放或重新分布达到稳定零件尺寸的目的。人工校形是指零件加工变形后，由人工施加一定的压力对变形零件校形，并通过不断施加外力打到内应力释放的目的。冷冻处理就是利用低温处理改善材料基体组织结构，强化基体组织，增强尺寸稳定性;同时与热处理的再结晶退火相结合，高低温相互冲击，已达到更好的零件尺寸精度。
3结语
通过对上述加工条件和加工参数的综合应用，在生产加工中能较好地保证产品的品质，满足产品的表面粗糙度要求。所以在铝合金的切削过程中，刀具材料、刀具的几何参数、切削液以及加工应力的消除尤为重要，只有综合考虑这些因素，才能比较高效率地生产出合格的产品。
作者：孙韶渝 刘强 张淑清 单位：西安现代控制技术研究室
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