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前 言 轻金属是指密度小于4.5g/cm3,化学性能活泼、提取较为困难的一类轻质有色金属,主要包括铝、镁、钛、铍、锂和钙等,可作结构材料,应用较为广泛的有铝、镁和钛及其合金。由于轻金属密度小、比强度、比模量高,且结构性能优异,已成为国民经济建设和国防建设中重要的战略物资之一,是飞机、舰船、坦克、装甲战车、火箭、导弹、飞船和卫星等重要的结构材料,也广泛应用于电子电气,机械制造和日用消费品等领域。 一、铝合金的切削加工性及合理切削条件 铝及其铝合金是现代工业用途最广泛的轻金属材料,铝最显著的特点是它的多功能性。 铝的密度只有2.7g/cm3是非磁铁性的,铝及其合金外观好、质轻、可机加工、物理和力学性能好,且抗腐蚀性好,钝铝的机械强度不高,不 宜做受力结构零件,在铝中加入合 金元 素硅、铜、锰、镁等后形成 铝合金,提高了强度。 铝合金广 泛应用于飞机、仪 表、发动机、 机械制造、轻化工等领域。 1.铝合金的切削加工性 铝合金强度和硬度一般较低,塑性较小,对刀具磨损较小,且导热系数高,切削温度有限、化学磨损很小,属易加工材料,宜进行高速切削。但铝合金中的硬质相(如Si)的磨粒磨损也会造成刀具损坏。铝合金熔点较低、温升高后塑性增大,在高温高压作用下,刀屑界面摩擦很大,容易粘刀,形成积屑瘤,特别是退火状态的铝合金不易获得小的表面粗糙度值。 铝合金分为两大类:铸造合金和加工(变形)合金 防锈铝合金,含铜量少的锻铝(如6Ao2)强度低,塑性高,切削时易粘刀,使已加工表面粗糙度值大,切削加工性差。经冷变形后,切削加工性可得到改善。硬铝、超硬铝合金和含铜量较多的锻铝(2A50~2A14),由于生成脆性化合物(CuAl2)分布于固溶体晶粒界面上,使韧性和塑性降低,具有良好的切削加工性。 铸造铝合金(含硅量在4%~13%之间),其金相组织为硅在铝内的固溶体和共晶体组成,硅成粗大的片状夹杂形态存在,在切削过程中对刀具有磨料作用,刀具容易磨损,切削加工性较差。若经球化处理,使片状硅球化,则可改善切削加工性。 2.铝合金的合理切削条件 ①刀具材料及合理几何参数选择 铝合金具有极好的易切削加工特性,可采用很高的切削速度和进给速度进行加工,选用的刀具材料主要是聚晶金刚石(PCD)、涂层硬质合金或超细晶粒硬质合金刀具,常规切削用的硬质合金为YG8、YG6、YG8N等,YG6宜用于余量均匀条件下的连续粗加工和半精加工,YG8和YG8N用于铸铝件或负荷重的粗加工。精加工时,为避免由于铝与陶瓷的化学亲和力而产生粘结(切削氧化 即生成Al2O3),一般不宜采用陶瓷刀具。复杂型面铝合金的高速切削加工, 也可用整体超细晶粒硬 质合金和粉末高速钢及 其涂层刀具。 铝合金强度和硬度较低,宜选用大的前角。粗车时取γ0=20°~25°,精车时取γ0=25°~30°,切削刃要求磨得锋利,刀面表面粗糙度值要小。由于铝合金的弹性模量小(约70GMP),只有45钢的1/3左右,由工件弹性恢复产生的后面摩擦更为严重。所以,应选取较大的后角,粗车时取α0=8°~10°,精车时取α0=10°~12°,刃倾角一般取λs=0°~10°,粗加工取小值,精加工取大值。 ②切削用量 由于铝合金的强度和硬度较低,且导热性好,宜进行高速切削。与车削45钢相比,车削硬铝的切削速度可提高3倍以上。 ③冷却润滑 用聚晶金刚石(PCD)和硬质合金刀具粗加工铝合金一般可不用冷却润滑。用高速钢刀具切削时,一般都采用切削液冷却润滑。当切削用量较大和粗加工硅铝合金时,可用5%的乳化液,精加工时由于铝容易和氢起化学作用,使工件表面产生很细的针孔,不宜采用水基切削液。为减小摩擦和粘刀,一般常采用煤油或煤油加机油的混合油。 3.铝合金切削加工实例 高速切削加工铝合金的刀具材料也可选用YG类硬质合金,涂层硬质合金或超细晶粒合金刀具。下表给出了超细晶粒硬质合金刀具使用冷却润滑液以3770m/min的切削速度高速铣削5052铝合金的其它加工参数和切削条件。 二、钛合金的切削加工 钛在地壳中的含量为0.63%,居地球各种元素的第九位,钛及其合金的密度为4.5g/cm3左右,仅为钢的58%。钛合金的比强度,比刚度高,抗腐蚀性能和接合性能良好,高温力学性能,抗疲劳和蠕变性能都很好,具有优良的综合性能,是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。 目前,钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上。据统计,钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右。主要用于发动机构件和机架构件。在其他工业领域,钛及其合金主要用于火电厂冷却系统中的热变换器;油、气钻井用具及配件;化学化工部
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