一种铝合金材料在切削加工时产生过时效的控制方法

技术领域

本发明属于飞机零件机械加工领域，涉及一种铝合金材料在切削加工时产生过时效的控制方法。

背景技术

现代飞机制造过程中，高速切削加工得到了广泛应用，切削加工产生的热量直接影响刀具和被切削体的使用的热处理状态，会对切削刀具和最终热处理状态进行加工的零件组织性能产生不同程度的影响，

如最终热处理状态进行加工的7A04CS铝合合金，在高速切削加工时产生局部表面过热超出了7A04CS铝合合金的时效温度(135℃-145℃)，使材料组织局部发生过时效。从7A04CS铝合合金淬火-时效湿化理论观点说，由于铝合金材料在加工过程中产生切削温度在160℃以上，使其组织中的强化相θ相由不稳定而向温度的θ相(CuAl2)转变，从而造成合金材料的机械性能下降(过时效)。直接导致飞机的整体性能指标的降低。

通过试验和分析，为防止7A04CS铝合合金型材在切削加工中因切削温度超过合金材料的时效温度，造成合金材料的机械性能不合格，必须严格控制对7A04CS铝合合金切削刀具、切削速度、切削切削，切削角度、切削量、切削温度切削速度和正确使用冷却液入手，把切削加工局部温度控制在100℃以下，将其所用切削加工参数控制固化的工艺技术要求中，从而提高产品成品率，减少检验、检测过程控制，缩短加工制作周期，降低人员投入。

发明内容

1.解决的技术问题

是由于高速切削加工时产生的热能转换，造成工件局部表面过热超出了铝合合金的时效温度，会使材料组织局部发生过时效。一般情况铝合合金的时效温度在100℃至200℃之间

因此，严格控制对铝合合金切削刀具、切削速度、切削切削，切削角度、切削量、切削温度切削速度和正确使用冷却液入手，把切削加工局部温度控制在100℃以下，避免因切削加工时铝合合金性能指标的影响，提高大型中型运输飞机的质量和使用寿命，还能降低大型中型运输飞机的研制和生产成本。

2.技术方案

一种铝合金材料在切削加工时产生过时效的控制方法，所述控制方法采用高速钢刀具进行切削，切削参数如下：

对零件、夹具、刀具产生的切削温度进行控制，将切削温度控制在140℃以内；

对刀具切削角度进行控制；刀具角度为：前角选择20～25度，后角选择10～15度，刃倾角选择+3度左右；

切削速度为：200米/分～600米/分，

切削量为：0.5毫米/每次～5毫米/每次。

上述控制方法在切削过程中，当切削温度达到140℃，使用冷却液对零件加工表面进行冷却处理。

优选的，通过切削加工试验，对7A04CS铝合合金切削温度必须控制在时效温度内。

优选的，对切削温度进行实时测温监控，确保零件不产生过时效现象，同时不受切削温度影响，并满足该材料机械性能要求。

切削过程中，选择W18Cr4V高速钢刀具对铝合合金零件进行切削加工，该刀具具有切削轻快、降低转换能耗、降低刀刃温度、减缓刀具磨损等特点，刀具角度一般选择前角选择20～25度，后角选择10～15度，刃倾角选择+3度左右，较为优选的是前角选择22度，后角选择13度，刃倾角选择3度，高速钢刀具材质不同参数略有区别。

优选的，在切削过程中，使用冷却液对加工表面进行冷却，尽可能保证温度低于100°。所述冷却液采用无机盐冷却液，可达到最佳的冷却效果，保证材料在时效温度以下进行。

优选的，将所切削的材料进行参数固化，在工艺规程中必须进行明确并严格控制，保证了切削质量，切削产品的一致性好，预防过时效的产生。

优选的，对切削后产品进行理化性能检测，以评估切削效果。

3.有益效果

从试验结果可以看出，通过对7A04CS铝合合金切削刀具、切削速度、切削角度、切削量、切削温度的控制。将其所用切削加工参数控制固化的工艺技术要求中，从而提高产品成品率，减少检验、检测过程控制，缩短加工制作周期，降低人员投入。现将切削加工局部温度控制在时效温度以下后，机械性能工件在切削加工时不再发生类似现象，稳定了飞机的整体性能指标，提高了产品质量控制程序，具有可靠性强、适用性广和实施方便等的特点。

附图说明

本发明包括1附图，附图及附图说明如下：

图1型材头部、尾部取样示意图

其中：头部和尾部1号机械性能试棒(模拟的工件)，头部和尾部2号机械性能试棒(模拟的工件)，头部和尾部3号机械性能试棒(模拟的工件)。

具体实施方式

以下结合具体实施过程对本发明所提出的控制方法进行详细陈述，通过切削试棒的机械性能试验对本发明做进一步对照说明。

一种铝合金材料在切削加工时产生过时效的控制方法，是通过对最终热处理状态的7A04CS铝合合金进行加工试验分析，为防止铝合金在切削加工中因切削温度超过合金材料的时效温度，造成铝合金材料的机械性能不合格，必须严格控制切削加工时的切削刀具、切削速度、切削量、刀具角度、切削温度的，正确使用冷却液入，最终要把切削加工工件的局部温度控制在时效温度100℃以下，为此，该控制方法包括以下内容：

本方法是根据GJB1694“变形铝合金热处理规范”时效温度要求，在工艺过程中明确相应材料的时效温度，确保在切削加工时产生的温度不得超过该材料的时效温度(超过将会出现过时效温度)现象；135℃-145℃

鉴于以上要求，控制方法中核心点在于切削参数的控制，为使切削轻快，降低转换能耗，降低刀刃温度，减缓刀具磨损，铝合合金切削时可采用高速钢刀具，以W18Cr4V为例，具体控制切削参数：

a、切削速度：200米/分～600米/分

b、切削量：0.5毫米/每次～5毫米/每次

c、刀具角度选择：前角一般选择20～25度，后角一般选择10～15度，刃倾角选择+3度左右

d、切削过程中，使用乳化冷却液对加工表面进行冷却。

最后，试加工定型后固化设计、工艺要求。

这里需要说明的是，上述工艺参数可纳入了生产工艺，形成标准化生产工序，本领域技术人员采用统一标准的实施工艺进行实施，产品一致性好，极大提高了生产效率及产品质量。

针对所需铝合合金毛坯材料(如：7A04CS铝合合金型材)进行试验和数据采集

1)7A04CS铝合金型材机械性能试验

按GJB2507标准要求，在不同结构的7A04CS铝合合金型材头部切取部分余料，使用了不同的设备和不同的操作人员加工制作了11根相同规格的拉力试棒，经同一台试验机进行试验，其中有3根试棒的机械性能值满足GJB2507标准要求见表1，另外8根型材的机械性能不满足GJB2507标准要求，见表2。

表1

表2

2)分析查明原因的辅助试验

①金相高倍组织试验

对不合格的机械性能试棒上取高倍试样，在光学显微镜上放大500倍观察检查，未发现有明显的组织变化，未再进行电子显微镜观察。

②机械性能对比试验

我们在一根尺寸报废的型材头、尾部上切取机械性能试棒料，部位见下图1；将试棒料分别不同的两个单位进行加工，并分别由两个不同的中心试验室进行机械性能试验见部表3；

表3

从表3分析，不同的中心试验室所做试验测得的机械性能值相差很大。由第一中心试验室加工的试棒，试验测得的机械性能值，都符合GJB2507标准要求，其平均性能为σ

同时采用红外线测温仪到正在切削加工的现场进行测温，测得试棒局部表面温度为140℃～160℃。实际上车刀前角与试棒加工表面之间的温度更高。

③不同温度对7A04CS铝合金机械性能的影响

模拟高速切削温度范围对7A04CS铝合金材料的机械性能影响大小，进一步做了下列试验(见表4)：将两种加工好不同直径的机械性能试棒，分别放入加热到140℃、175℃、200℃等各个不同温度的油浴中，保温10分钟。

表4

④从表4分析如下几点：

a.机械性能试棒的直径大小对测得的机性值无明显的影响。

b.将试棒放入140℃的油浴中，保温10分钟，取出测得的机性值也无明显的影响。

c.当把试棒放到175℃的油浴中，保温10分钟，取出测得的机性值有所下降。在200℃油浴中保温10分钟的试棒，测得的机性值明显的下降。

d.将试棒放到225℃的油浴中，保温10分钟测得的机性值都不合格。

根据上述试验证明，7A04CS铝合金在进行高速切削过程时，机械性能试棒局部表面切削温度实际上达到225℃左右。从而，造成大部分机械性能试棒的合金材料局部过时效，所以使试验测得的机械性能不合格，从而影响了7A04CS铝合金原材料复验验收的试验准确性。

3)采取的技术措施

通过试验和分析，为防止铝合金型材在切削加工中因切削温度超过合金材料的时效温度，造成合金材料的机械性能不合格，必须从控制切削速度、吃刀深度和正确使用冷却液入手，把切削加工局部温度控制在100℃以下为宜，为此，将加工工艺参数和加工方法纳入生产工艺，修订试棒(工件)的加工切削工艺卡片，现在生产中再未发生类似现象。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要说明的是，上述实施方式中，未详尽内容均为本领域常规技术；本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为采用本领域中的普通方式予以实施；本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改做出若干简单推演、变形或替换，比如说明书中所罗列的切削参数，在实际实施时，还可以略有浮动，这并不脱离本发明的实质内容；这些改进设计均可认定为属于本发明的保护范围。