鋁合金材料的機(jī)械加工工藝分析

郭學(xué)彬

（山東諾維科輕量化裝備有限公司，山東 龍口 265705）

鋁合金產(chǎn)品是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中比較常用的一種合金材料，該材料不僅僅具有較高的熱電導(dǎo)率和抗腐蝕能力，還具備較強(qiáng)的物理力學(xué)性能，在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用范圍越來越廣，但是在運(yùn)用過程中還存在一些問題，尤其是在焊接環(huán)節(jié)，經(jīng)常出現(xiàn)裂縫。之所以出現(xiàn)這個(gè)問題，一方面是因?yàn)殇X合金自身的化學(xué)活性比較強(qiáng)，容易形成氧化膜，具有難溶的特點(diǎn)，增加了焊接的難度，另一方面則是因?yàn)楣ぷ魅藛T在施工過程中焊接方法以及工藝不達(dá)標(biāo)，沒有按照正確的施工順序開展焊接工作。

1 鋁合金材料特點(diǎn)

1.1 鋁合金密度小

鋁合金的密度非常小，其對應(yīng)的密度為2.7克每立方厘米，而在同樣的生產(chǎn)過程中，擁有廣泛應(yīng)用的鋼密度為7.8克每立方厘米，所以鋁合金的實(shí)際密度與鋼比較只占1/3左右。

1.2 良好的力學(xué)性能

鋁合金具有非常良好的力學(xué)性能，鋁合金中添加了一定的強(qiáng)化元素，對于純鋁而言它具有更低的密度，并且更好的塑造性對于鋁合金來說能夠形成高強(qiáng)度的材料在使用過程中，相較于其他合金材料具有更加廣泛的應(yīng)用市場。

1.3 鋁合金的耐腐蝕性能較強(qiáng)

鋁合金的耐腐蝕性能可以通過一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來表現(xiàn)。在一定的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，鋁合金長時(shí)間暴露在大氣中能夠及時(shí)在表面形成一種自我保護(hù)的氧化膜。該氧化膜對鋁合金的表面起到了非常好的固定和保護(hù)作用，避免其在進(jìn)一步氧化的同時(shí)，增強(qiáng)其耐腐蝕性能。

1.4 鋁合金的導(dǎo)熱性能良好

鋁合金良好的導(dǎo)熱性對于純鋁來說是不能企及的。在眾多的金屬元素之中，鋁合金的導(dǎo)熱性能非常強(qiáng)，并且可以廣泛地應(yīng)用于取暖器以及散熱器的制造當(dāng)中。

2 鋁合金材料的機(jī)械加工工藝

2.1 做好焊接前的技術(shù)準(zhǔn)備工作

在鋁合金焊接工作開始之前，要做好焊接坡口兩側(cè)面的清理工作，采用科學(xué)的化學(xué)方法或者是機(jī)械手段，對氧化膜進(jìn)行去除。首先是化學(xué)的清洗手段，在化學(xué)清洗中，主要使用的是堿或者是酸這種化學(xué)原料，不僅可以去除焊縫坡口兩側(cè)所覆蓋的氧化膜，同時(shí)還能夠去除油污，但是在清洗的時(shí)候需要嚴(yán)格控制這些化學(xué)原料的劑量。使用6%～10%的氫氧化鈉溶液放入水溫為70℃左右的熱水中，然后將其浸泡5min。這一清潔工作完成之后，再次放入含有15%濃度硝酸的溫水中，再次浸泡1min，然后再次清潔，最后完成氧化膜的清除工作。如果此時(shí)鋁合金的表面呈現(xiàn)出來的顏色是銀白色，并且沒有任何光澤，就說明脫模工作已經(jīng)達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。其次是機(jī)械手段，機(jī)械手段主要是指通過機(jī)械設(shè)備來完成脫模工作，常見的工具是風(fēng)動(dòng)或者電動(dòng)銑刀，除此之外，還可以使用銼刀，或者是鋼絲刷對氧化膜進(jìn)行清除，在清潔工作完成之后必須馬上進(jìn)行焊接。

2.2 內(nèi)應(yīng)力的消除

在實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中，無論是鑄造還是鍛造的鋁合金毛坯材料，都存在內(nèi)應(yīng)力的可能。在加工之前，通常應(yīng)該加強(qiáng)對內(nèi)應(yīng)力的處理。在實(shí)際的分析當(dāng)中，明確內(nèi)應(yīng)力在毛坯材料當(dāng)中處于一種平衡狀態(tài)，但是在機(jī)加工當(dāng)中的切除一部分材料之后，原本的內(nèi)應(yīng)力平衡狀態(tài)就被打破，在加工之后內(nèi)部應(yīng)力被打破且重新分布，產(chǎn)生形變的可能性。因此在切削加工之前應(yīng)該機(jī)械能消除退火、人工、自然時(shí)效處理、錘擊振動(dòng)等方式，消除毛坯當(dāng)中存在的內(nèi)部應(yīng)力，能減少后續(xù)切削加工當(dāng)中由于內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致的變形。另外，預(yù)加工的方式也是比較有效的處理應(yīng)力的方式。對加工余量比較大的毛坯部件，由于加工當(dāng)中切除量比較大，因此在加工之后變形的可能性也越來越大。對于這種現(xiàn)象，采用分步加工的方式，先取出毛坯大部分余量，之后放置一段時(shí)間之后，使用粗加工的方式，讓內(nèi)應(yīng)力得到充分釋放，然后再使用后續(xù)半精加工、精加工的方式來加工，逐步縮小加工余量可能存在應(yīng)力破壞，不斷提高精度，有效減少因?yàn)檫B續(xù)施工導(dǎo)致工件變形的可能性，避免了后續(xù)施工當(dāng)中存在的加工變形的可能性。

2.3 鋁合金材料粗加工

在鋁合金材料加工過程中，工作人員需要合理選擇加工基準(zhǔn)，保障加工基準(zhǔn)符合設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，在實(shí)際工作中需要提高鋁合金材料的穩(wěn)定性和可靠性。因?yàn)楹茈y精準(zhǔn)的控制鋁合金零件加工尺寸進(jìn)度和粗糙度，在機(jī)械加工過程中，工作人員需要加工處理復(fù)雜的材料。在粗加工階段需要選用合理方法，保障鋁合金材料的性能，不僅要高效利用鋁合金材料，還要保障加工尺寸的精度。針對特殊形狀，工作人員可以利用控制機(jī)床粗加工材料，利用冷卻液冷卻處理工件，保障加工進(jìn)度。在粗加工階段，需要適當(dāng)?shù)脑黾映缘读浚瑫r(shí)需要減少進(jìn)給量，對于傳熱情況給予改善。

2.4 鋁合金加工成形技術(shù)

（1）鋁合金鑄造。鑄造技術(shù)是將鋁合金熔化成熔體，在熔化過程中利用鋁合金良好的填充性能及流動(dòng)性能將鋁合金澆鑄到各式各樣的模具當(dāng)中，以制造出各種復(fù)雜的氣密性載體或零件，如鑄造出一些鋁合金零件，支架箱體或軸輪的，可應(yīng)用于交通等工業(yè)領(lǐng)域。

（2）軋壓成形。鋁合金的成形技術(shù)還包括扎壓成形技術(shù)，軋制成形技術(shù)是依靠摩擦力而被拉進(jìn)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的?？臻g中借助壓力來使其橫斷面逐漸減小而形成形變厚度隨著一定的壓力增加或長度增加而產(chǎn)生的一種形變過程。根據(jù)產(chǎn)品的種類可以分為棒材貨管材以及帶材等，熱軋則是在高溫過程中利用雜質(zhì)成形的一種狀態(tài)，利用明顯的降低耗能。同時(shí)提高生產(chǎn)效率來贏取良好的經(jīng)濟(jì)效益。在這樣的過程中，可以使鋁合金材料具有效率，高性能優(yōu)良等特點(diǎn)，并且這樣的方式可以用在易拉罐或汽車車身板的鑄造當(dāng)中，可以極大地提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

（3）擠壓成形技術(shù)。鋁合金的擠壓成形技術(shù)是將定胚裝入擠壓筒中。通過軸承壓力對金屬施加的過程來確定形狀和尺寸的模板，在產(chǎn)生塑性形變的過程當(dāng)中，利用壓力加工產(chǎn)生鋁合金的不同形狀。利用擠壓成形技術(shù)不僅僅可以生產(chǎn)一些管狀或棒狀的鋁合金產(chǎn)品，還可以利用斷面等形狀形成復(fù)雜的空心或?qū)嵭牟牧希诓粩嗟臄D壓過程中可以用于制備倒現(xiàn)貨鋁管材等物質(zhì)，例如導(dǎo)電管以及暖水管等。

（4）3D打印。3D打印技術(shù)是近年來新興的一種零件生產(chǎn)技術(shù)，利用金屬零件的3D打印模式，建立三維圖形數(shù)據(jù)模型，然后利用切片或軟件等。對模型進(jìn)行分層，從而得到各個(gè)輪廓和各個(gè)二維面的數(shù)據(jù)，隨后利用高能激光束聚焦每一層的金屬粉末掃描熔化這兒堆疊形成三維金屬零件。在發(fā)展過程中與武器裝備等模具制造行業(yè)中有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2.5 高速切削技術(shù)

一般而言，在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi)，溫度會(huì)隨著切削速度的增加而升高，當(dāng)達(dá)到了一個(gè)閾值后則會(huì)在這個(gè)極限值后溫度隨著切削速度的增加而逐漸減小，具體的閾值以及溫度變化將根據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)而定。利用高速切削技術(shù)試將切削的速度從常規(guī)速度變?yōu)榱顺Ｒ?guī)速度的五至十倍，以每分鐘一千五百米到五千米的速度進(jìn)行切割能夠有效地改善在鋁合金零件在進(jìn)行加工過程中呈現(xiàn)切削熱和夾緊力的問題。

2.6 電流變技術(shù)

電流變技術(shù)也被稱為ER技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目前國內(nèi)較為流行的一種新興技術(shù)。理論上來講，電流變技術(shù)是利用了一些特殊的、具有特殊性質(zhì)的液體通過電鏟的作用實(shí)現(xiàn)電流變效應(yīng)的，工作人員有效的利用這種效應(yīng)并配合電場的作用和液體的粘度，即可使液體在某一特定的范圍中擁有固體的部分屬性，也就具備了一定的抗剪切性能。這個(gè)過程十分的容易控制，能夠準(zhǔn)確地對鋁材料零部件實(shí)現(xiàn)定位以及安裝，呈現(xiàn)了較高的精準(zhǔn)度，同時(shí)減少了鋁材料在進(jìn)行切割過程中變形的可能性。

3 鋁合金在各行各業(yè)中的應(yīng)用

3.1 鋁合金在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

鋁合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用十分的廣泛。例如 ：2014號由于其高強(qiáng)度的抗壓和抗高溫，所以在航天航空材料的制作上一般被使用于制作火箭的第一級燃料槽以及部分火箭的零部件 ；2048和2124都被用來制作航天器的結(jié)構(gòu)部件；2218則用來使用在飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)以及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞這部 ；2219由于其能夠承受的外部溫度跨度性很廣，在零下270°~300°這個(gè)范圍，擁有十分良好的焊接性，在T8狀態(tài)還呈現(xiàn)出了十分優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，所以在航天航空中通常被利用作為火箭中放置氧化劑的槽口中，在超音速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)制作中承擔(dān)了蒙皮材料和部分零部件的使用 ；5052號鋁合金材料不僅具有良好的可塑性，同時(shí)還具備一定的加工性能，能夠方便后期的處理、加工，改變其原有的性能，并且還具有良好的抗腐蝕性以及一定的靜態(tài)強(qiáng)度，在航天航空中通常被用來制造飛機(jī)的油箱，運(yùn)輸燃油的管道等 ；7072具有較強(qiáng)的可塑性，能夠被壓縮成為極薄的鋁箔，通常與其他牌號的鋁合金共同使用，包裹在其外面有助于加強(qiáng)其他鋁合金材料的各項(xiàng)性能。

3.2 電子領(lǐng)域

在電子領(lǐng)域發(fā)展過程中，隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的智能化發(fā)展，鋁合金有著充分發(fā)展的潛能，鋁合金的廣泛應(yīng)用是借助于其導(dǎo)電性的特點(diǎn)。鋁合金的堅(jiān)固性以及方便著色性和耐熱性以及散熱性等特點(diǎn)，得以在手機(jī)以及一些移動(dòng)電源中廣泛被應(yīng)用，既減輕了電子行業(yè)的金屬使用負(fù)擔(dān)，還促進(jìn)了鋁合金行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

3.3 交通行業(yè)

鋁合金作為一種性能優(yōu)良的輕質(zhì)材料在我國的汽車發(fā)展制造業(yè)中成為材料的首選，并且在鑄造過程中鋁合金多數(shù)用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)以及輪胎軸承等零件，可以大大的減輕汽車的重量，并且鋁合金對減重效果非常明顯，還能夠促進(jìn)汽車的節(jié)能減排發(fā)展。

3.4 建筑行業(yè)

建筑行業(yè)多利用鋁合金材料來進(jìn)行門窗設(shè)計(jì)。在足夠的耐腐蝕性和高強(qiáng)度抗壓性的基礎(chǔ)上，選取鋁合金來進(jìn)行裝飾，可以使得房屋建筑過程中的門框等裝飾部件形成高強(qiáng)度高抗壓性的組成部分。

4 結(jié)語

當(dāng)前，我國迅速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)對合金材料提出了新的要求，由于高強(qiáng)鋁合金主具有加工性能較好、便于焊接、強(qiáng)度較高以及密度較低等優(yōu)點(diǎn)，其在汽車、領(lǐng)域中獲得較為廣泛的應(yīng)用。但隨著汽車材料的不斷更新，開發(fā)耐熱性、穩(wěn)定性、高強(qiáng)、高韌的 Al-Zn-Mg-Cu 系合金材料是今后一段時(shí)間內(nèi)主要發(fā)展方向。關(guān)于高強(qiáng)高韌鋁合金材料的研究，主要集中于以下幾個(gè)方面：首先，對傳統(tǒng)鋁合金生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)和完善，并不斷開發(fā)新型噴射制備工藝，通過選擇合理、科學(xué)、先進(jìn)的工藝參數(shù)、制備工藝，結(jié)合高純度合金，獲取質(zhì)量更高的鑄件組織，從而獲得抗疲勞強(qiáng)度、韌性較高的合金產(chǎn)品。其次，對 Sc、Zr、Ag 等微量元素，在Al-Zn-Mg-Cu 系合金產(chǎn)品中存在形式、作用機(jī)理的進(jìn)行了研究，建議通過多元化合金化的形式，實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化的目的，以提升合金耐蝕性、強(qiáng)度水平和韌性水平。