CN104625571A - 一种时效强化铝合金的切削加工方法 - Google Patents

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刘文辉
张平
陈宇强
唐昌平
陈志钢
唐玉波
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Abstract

本发明公开了一种时效强化铝合金的切削加工方法，包括如下步骤：1）固溶处理；2）预时效处理；3）高速切削；4）自然时效。本发明采用的是对物料先固溶处理，后预时效，然后切削的方法，通过固溶处理和预时效处理，使材料形成了高度致密GP区，但是材料的强度及硬度等都还相对较低，由于材料强度硬度都相对较低，材料容易被切削，切削力大幅降低，刀具磨损减轻，提升了工件表面质量，延长了刀具寿命；本发明最终采用自然时效处理方法，避免了高温时效对时效强化铝合金切削表面质量的影响，且有利于合金强化，最终使得合金的强度要高于常规处理方法的强度；同时自然时效可消除切削加工工件的残余应力，可以减少人工时效时间，节约能源。

Description

一种时效强化铝合金的切削加工方法
技术领域
本发明属于高精密制造技术领域，尤其是涉及一种时效强化铝合金的切削加工方法。
背景技术
时效强化铝合金具有高强度、低密度、高的断裂韧度、良好的抗腐蚀性能以及优异的疲劳裂纹扩展抗力等诸多优点，在航空航天领域具有较大的应用潜力。随着现代飞机、航天器性能要求的不断提高，许多骨架零件尤其是主承力结构件，如飞机的大梁、隔框、壁板；火箭的整流罩、舱体和战略武器战斗部壳体等普遍采用由大型整块毛坯直接“掏空”而加工成复杂槽腔、筋条、凸台和减轻孔等整体结构件。整体结构件体积大、壁薄、刚度差、易变形、切削加工余量大，加工周期长，加工质量和精度很难控制，对此类航空整体结构件实现高精度、高效率和高可靠性的切削加工一直是航空制造业面临的一个重要课题。现有的切削加工工艺，大都是在铝合金人工时效后，依靠优化刀具几何参数、切削参数及切削加工方式来提高切削加工质量，这样的切削加工方式虽然能达到工件要求的表面质量，但是在切削加工过程中使得刀具的磨损严重，牺牲了刀具寿命。因此，每年因磨损消耗大量的刀具材料，花费大量资金购买进口刀具。据调查，仅某个航空企业一个数控加工车间，每年的刀具消耗就达几千万甚至更多。
常规的时效强化铝合金切削加工方法都是采用先固溶处理，然后人工时效，最后切削的方法，这种方法在切削之前就将材料的力学性能及物理性能提高到了最大，这样势必会加剧了切削加工的难度，并且刀具磨损也相当严重，缩短了刀具寿命，而刀具磨损严重势必会影响切削加工表面质量。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种提高时效强化铝合金切削质量的时效强化铝合金的切削加工方法，它不但能保证工件材料的切削加工表面质量，而且还能大幅度降低切削力，减小刀具磨损，延长刀具使用寿命，并减少能源消耗。
本发明采用的技术方案是：
一种时效强化铝合金的切削加工方法，包括如下步骤：
1）固溶处理：将铝合金加热到高温单相区恒温保温，使过剩相充分溶解到固溶体中后水淬，得到过饱和的固溶体；
2）预时效处理：在80℃～200℃的温度下将固溶处理后的铝合金保温0.1-2小时后，水淬；
3）高速切削：装夹步骤2）处理后的铝合金，以超过铣削临界的速度进行切削加工，按要求加工成所需要的零件；
4）自然时效：将加工后的零件置于工厂厂房，进行30-60天的自然时效。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用的是对物料先固溶处理，后预时效处理，然后切削的方法，通过固溶处理和预时效处理，使材料形成了高度致密GP区，但是材料的强度及硬度等都还相对较低，由于材料强度硬度都相对较低，材料容易被切削，切削力大幅降低，刀具磨损减轻，提升了工件表面质量，延长了刀具寿命；本发明最终采用自然时效处理方法，自然时效温度较低，属于低温时效，避免了高温时效对时效强化铝合金切削表面质量的影响，且有利于合金强化，最终使得合金的强度要高于常规处理方法的强度；同时自然时效可消除切削加工工件的残余应力，可以减少人工时效时间，节约能源。
附图说明
图1 是本发明的流程图。
图2 是7055铝合金板采用现有加工方法加工和采用本发明方法加工时X向切削力随切削速度变化关系图。
图3 是7055铝合金板采用现有加工方法加工和采用本发明方法加工时Y向切削力随切削速度变化关系图。
图4 是7055铝合金板采用现有加工方法加工和采用本发明方法加工时Z向切削力随切削速度变化关系图。
图5  是7055铝合金板采用现有加工方法加工和本发明的加工方法加工后的表面粗糙随切削速度变化关系图。
图6是 7055铝合金板采用现有加工方法加工，铣削速度为1200m/min加工后的三维表面形貌图。
图7是7055铝合金板采用本发明的加工方法加工，铣削速度为1200m/min加工后的三维表面形貌图。
图8是7050铝合金板采用现有加工方法加工和采用本发明方法加工时X向切削力随切削速度变化关系图。
图9是7050铝合金板采用现有加工方法加工和采用本发明方法加工时Y向切削力随切削速度变化关系图。
图10是7050铝合金板采用现有加工方法加工和采用本发明方法加工时Z向切削力随切削速度变化关系图。
图11是7050铝合金板采用现有加工方法加工和本发明的加工方法加工后的表面粗糙随切削速度变化关系图。
图12是7050铝合金板采用现有加工方法加工，铣削速度为1500m/min加工后的三维表面形貌图。
图13是7050铝合金板采用本发明的加工方法加工，铣削速度为1500m/min加工后的三维表面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括如下步骤：
1）固溶处理：将铝合金加热到高温单相区恒温保温，使过剩相充分溶解到固溶体中后水淬，得到过饱和的固溶体；
2）预时效处理：在80℃～200℃的温度下将固溶处理后的铝合金保温0.1-2小时后，该段保温时间短于普通的T6峰值时效时间，以促使一部分溶质原子析出，形成不完全时效的铝合金，然后水淬，水淬是为了进一步抑制析出，合金强度不高，有利于提高切削质量和减少刀具磨损。
3）高速切削：装夹步骤2）处理后的铝合金，以超过铣削临界的速度进行切削加工，按要求加工成所需要的零件；
4）自然时效：将加工后的零件置于工厂厂房，进行30-60天的自然时效。自然时效温度较低，避免了高温时效对时效强化铝合金切削表面质量的影响，长时间自然时效使溶质原子进一步充分析出，有利于合金强化，最终使得合金的强度要高于常规处理方法的强度；同时自然时效可消除切削加工工件的残余应力，可以减少人工时效时间，节约能源。
实施例1
从7055铝合金轧制板材取二块大小相同的切削试板，分别命名为A板及B板，其中A板采用现有的加工方法进行加工，B板采用本发明的方法进行加工。
对A板进行加工，具体顺序为：固溶处理 + T6峰值时效(120℃保温24小时) + 高速铣削，时效结束后对A板的硬度进行测量，硬度为138HV。
对B板进行加工，具体实施方案顺序为：固溶处理 + 预时效处理(100℃保温0.5小时)  + 高速铣削 + 自然时效30天，预时效结束后对B板的硬度进行测量，硬度为130HV。
对A板及B板进行高速切削实验，具体的实验方案如表1所示。
表1 铣削速度单因素实验方案
    高速切削同时对切削力进行测量，A板和B板的X向、Y向及Z向的切削力随切削速度的变化关系的比较图，分别如图2、图3和图4所示。
对高速切削后加工出的产品表面粗糙度进行测量，A板及B板的表面粗糙度随转速的变化关系图如图5所示。
当铣削速度为1200m/min时，高速切削后对三维表面形貌进行测量， 所得的A板和B板三维表面形貌图分别如图6和图7所示。
高速切削后测量A板硬度值为143HV， B板自然时效后硬度为157HV。
综上所述，B板切削力低于A板，切削质量好，B板硬度高于A板，且大大减少了人工时效时间。
实施例2
从7050铝合金轧制板材取二块大小相等的切削试板，分别命名为C板及D板，其中C板采用现有的加工方法进行加工，D板采用本发明的加工方法进行加工。
对C板进行加工，具体方案顺序为：固溶处理 + T6峰值时效(120℃保温24小时) + 高速铣削，时效结束后对C板进行硬度测量，硬度为120HV。
对D板进行加工，具体实施方案顺序为：固溶处理 + 预时效处理(90℃保温1小时) + 高速铣削 + 自然时效30天，预时效结束后对硬度进行测量，硬度为109HV。
对C板及D板依次进行高速切削实验，具体的实验方案如表2所示。
表2 铣削速度单因素实验方案
 高速切削同时对切削力进行测量，C板和D板的X向、Y向及Z向的切削力随切削速度的变化关系的比较图，分别如图8、图9和图10所示。
高速切削后对表面粗糙度进行测量，C板及D板的表面粗糙度随转速的变化关系图如图11所示。
当铣削速度为1200m/min时，高速切削后对三维表面形貌进行测量，所得的C板和D板三维表面形貌图分别如图12和图13所示。
高速切削后测量A板硬度值分别为123HV， B板自然时效后硬度为143HV。
综上所述，D板切削力低于C板，切削质量好，且大大减少了人工时效时间。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参考上述实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (1)

1.一种时效强化铝合金的切削加工方法，包括如下步骤：
1）固溶处理：将铝合金加热到高温单相区恒温保温，使过剩相充分溶解到固溶体中后水淬，得到过饱和的固溶体；
2）预时效处理：在80℃～200℃的温度下将固溶处理后的铝合金保温0.1-2小时后，水淬；
3）高速切削：装夹步骤2）处理后的铝合金，以超过铣削临界的速度进行切削加工，按要求加工成所需要的零件；
4）自然时效：将加工零件置于工厂厂房，进行30-60天的自然时效。
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