铝合金车削过程中积屑瘤的产生

HEATS

铝合金材料种类繁多，不同的铝合金材料产生积屑瘤的切削条件也有所不同，为了合理地选择铝合金材料及其切削条件，以便经济有效地完成金属切削加工，必须了解常用铝合金材料积屑瘤产生的条件及其过程。

本试验选择几种铝合金材料作为试验材料，并进行试验，从而了解铝合金材料在切削过程中积屑瘤产生的一些规律以及变化情况。

在本次试验研究中，检测并记录了在每次切削加工结束时的积屑瘤大小和试验件温度，从而确定积屑瘤与切削温度、切削速度之间的关系。 ( [* W( d0 a7 f: L1 c' \% S

1 试验材料与试验方法

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试验材料为铝合金，具体有LY12(GB/T3190新牌号：2A12)、7009A、6061(GB /T3190 新牌号)三种材料。LY12和7009A的材料性能见表1和表2。另外，6061的材料硬度为85～95HB 。这些材料都是比较常用的。 6 `, ~. C( ~1 P }( F; }7 x) U' s `0 Z0 F4 K7 N

) t0 Z) O. E' l. W. d" D% B, S6 g* ^8 O9 n; } G1 Y9 H! P8 o# A/ w6 g4 }( f1 Q1 _9 {7 d9 ^- p, [' F R% u* t5 }5 E 表1 铝合金LY12材料性能表 抗拉强度 MPa 屈服强度 MPa 延伸率以 % 硬度 HB 465 370 2 120

* ^2 y, p- S+ J) C& g. p8 Y1 i& F3 }: q6 l3 b+ C6 g# o0 v# u; E8 q 表2 铝合金7009A材料性能表 抗拉强度 MPa 屈服强度 MPa 延伸率以 % 硬度 HB 350 280 8 110～120

/ q) }: ^# ?% A0 X; E; T$ O9 D" J m4 [6 S8 P6 k! U. T% |0 m8 }' N- Y5 ]' f. L! {4 |& Y9 E' {$ H' j! x. S" d; Q

图1 试验加工前后的试验件

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用于切削试验的试验件如图1所示。毛坯直径虽然有所不同，但在切削试验中，基本保证了外径相同、切削长度及相关切削用量一致。

为便于试验操作以及测量等工作的进行，选择C6140普通车床作为切削加工用机床。切削所用刀具材料是较为常用的高速钢W18Cr4V，切削进给速度为0.153mm/r，背吃刀量为2.5mm 。 0 C: O2 {6 U1 a( p

在试验过程中，基本保证了刀具材料及刀具角度的一致性。切削温度是指切削区温度，但由于测量困难，所以本试验以每一刀加工结束时试验件切削层的测量温度为切削温度。虽然与实际温度(切削瞬间温度有时会高出30～50 ℃ ，且有铝合金氧化等影响因素)有所差异，但作为温度变化的一种规律，应该是可取的。 9 f; W( Z+ V$ @4 [

试验中，测量温度的仪器采用一种可以根据不同材料调节发射率的SL-305型红外线测温仪，量程为-40～500℃ 。为避免发射率的影响，根据厂家提供的不同材料发射率对应表进行了合理的选择，选择铝合金发射率为0.3。环境温度为21.5 ℃ 。 9 f2 @$ A+ @4 f% V' w6 F

同时，为核实较高速度切削时，积屑瘤是否产生及产生的情况，进行转速560r /min等条件下的切削试验。 - l- c* a) O) x3 x; |1 _# y

2 试验结果与分析

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1. 积屑瘤与切削温度、加工体积、切削速度之间的关系
   1. 积屑瘤与切削温度之间的关系
      由于切削直径以每切削一次减少2×2.5mm=5mm的等比例变细，而转速为一定，所以切削速度递减。同时虽然背吃刀量为2.5mm，但由于切削直径递减，所以切削面积递减，再加上每次的切削加工长度也随之有所减小，所以切削体积、切削时间也逐渐减少。因此刀具的磨损、发热及切削热都将有所不同。这些都将不同程度地对积屑瘤的大小及形成有所影响。
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      图2 积屑瘤大小与切削温度之间的关系

      图3 积屑瘤大小与切削速度之间的关系

      图4 积屑瘤大小与切削体积之间的关系

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      图2所示为积屑瘤大小与切削温度之间的关系，显示了LY12、7009A和6061三种铝合金材料的积屑瘤大小与切削温度之间的关系。这里的积屑瘤大小为前刀面上的积屑瘤高度。可见，图线虽然有些波动，但除7009A的关系曲线有下降外，积屑瘤大小随着切削温度的升高有所增大。6061整体上大于LY12，黏刀相对严重，易于形成积屑瘤。而7009A，积屑瘤之所以随着温度增加呈减小趋势，是由于其延伸率较大，在切削过程中切屑断屑困难，直径Ø30时切屑缠绕过于严重致使积屑瘤有所脱落所致。
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   2. 积屑瘤与切削速度、加工体积的关系 , r, n+ a# t4 P# F8 c' ~3 K. d
      图3、图4所示分别为积屑瘤大小与切削速度和切削体积的关系。虽然三种材料的情况各有不同，但在总体上，每种材料积屑瘤的大小均随着切削速度和体积的增加而增加，然后再随着切削速度和体积的增加而减小，中间部分值较高。这种现象与上述切削区温度即切削热有关，当切削速度高时，由于排屑良好，切屑带走大量切削热；切削速度低时，发热量相对较少，故积屑瘤偏小。积屑瘤大小与切削体积的关系也呈现类似情况，原因相同，这是因为在本切削试验中，切削体积大时切削直径也大，切削速度也高，反之则低。
      铝合金6061的积屑瘤大小高于LY12，在很大范围内积屑瘤都显示比较大的数值。这是由于6061极富黏性的缘故。黏性大，切削加工摩擦大，所以在加工过程中切削温度一直很高，并且难以降低，因此积屑瘤大。
      7009A的情况特殊，积屑瘤大，但有脱落现象。这是由于切屑缠绕严重所致。
      另外，采用7009A进行转速为560r/min条件下的较高速切削试验，结果发现在此情况下，积屑瘤不易产生。这是因为，当转速高到一定程度以上时，即使切削直径变小，切削速度仍保持较高的数值，排屑保持良好，切削区温度不易升高，切屑的黏结得到缓和的缘故。
      由上述分析得到结论：在转速一定、背吃刀量一定的情况下，影响积屑瘤大小的基本原因与工件的直径、加工体积有关，与切削线速度有关，更主要的是与切削温度有关，随着切削温度的增加，积屑瘤大小增加，而随着切削速度增加积屑瘤则由小变大再由大变小，即当增加到峰值后又随着切削速度的增加而降低。其峰值所对应的切削速度随材料的不同而不同。即当切削速度高于一定值时，积屑瘤将不易产生，这是由于当切削速度较高时切削热大部分都被切屑带走，同时由于速度加快，刀具前刀面与切屑底部滞留层之间的摩擦力比较小的缘故。而在低速时，由于背吃刀量一定且不大，单位时间内的金属切削体积少，所以发热量也少，因此，积屑瘤产生也相对小。虽然几种材料材质有所不同，毛坯直径也略有不同，但从它们的规律来看，还是比较一致的。
   
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   a)LY12-Ø40时的积屑瘤	c)LY12-Ø15切屑
   b)LY12-Ø15时的积屑瘤
   图5 LY12积屑瘤图
   a)7009A-Ø50时的积屑瘤	c)7079A-Ø15切屑
   b)7009A-Ø15时的积屑瘤
   图6 7009A积屑瘤图

2. 加工过程中的积屑瘤 : B5 L5 B9 G# R5 [1 z; J @! y
   图5、图6所示是以上各种材料在不同切削直径时相对应的积屑瘤图，其中包括各个加工阶段的积屑瘤状况以及各加工阶段的切屑状况。图5a、图5b分别为铝合金LY12在加工直径为Ø40和Ø15时的积屑瘤状况图。 9 A9 T) s6 t! d/ _
   从图5可见，工件直径较小时，积屑瘤则比较明显。根据上述解释，积屑瘤大小有所不同是由于切削体积和切削温度的不同所致，当加工试验件直径大时，则切削速度高，排屑相对较好，积屑瘤形成相对缓慢，反之直径较小，切削速度较小，排屑较差，切削区温度较高，积屑瘤较易形成。
   从图6可以明显看出，工件直径小时，积屑瘤明显较大。事实上，随着直径的变小，切屑由扁平变成卷曲，切屑始终断屑困难，导致切削区温度上升，易于形成积屑瘤，该结果与其延伸率有关。 # r* M( N$ ~" w7 L% A4 u8 F
   图7所示是铝合金6061的积屑瘤图。
   图7可以看到，积屑瘤带有一点尾巴，显示了积屑瘤黏结叠加的真实过程、状况。无论直径大还是小，都有积屑瘤形成。

3 结语

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本次试验主要是通过对铝合金材料进行切削加工，了解积屑瘤产生的过程及影响因素；经过反复多次的试验，取得了一些试验性资料。总括以上内容，得出本次试验的结论如下。 7 y5 n( G3 ?( n- \

3 Z Q5 V0 g+ {6 P0 k1 W( b# x4 e' i3 L1 Q, W7 |* o) y* [! u% L. B' [/ r- b' C" i' [% \4 Z

a)6061-Ø60积屑瘤	b)6061-Ø45积屑瘤	a)6061-Ø15积屑瘤
图7 6061积屑瘤图

1. 积屑瘤大小与切削区温度成正比。 8 N" u/ F" p+ w* K. b* e! O: v1 o
2. 与切削钢件类似，切削铝合金时，转速越高越不易产生积屑瘤，而在中转速情况下则极易产生积屑瘤，即积屑瘤的产生与转速有关。这是因为低转速产生热量少，而高转速通过切屑带走热量多，所以只有中转速切削区温度易升高，积屑瘤易产生。定义转速的高低与每种材料有关。 9 D8 Q/ \2 L. E+ c' u% q7 w7 S+ n
3. 积屑瘤的大小与加工体积有关。以上结论基本上与以往的研究或教科书中所介绍的知识一致。另外，积屑瘤的产生与摩擦有关，而材料的摩擦力则随材料各不相同，如铝合金7009A，其延伸率为8% ，高于LY12的2%，而强度和硬度都低于LY12，韧性高，在切削加工时由于摩擦产生的热量比较多，故积屑瘤也大。从而得出，LY12相对其他两种铝合金材料，同样条件下产生的积屑瘤较小，切削性能较好。