铝合金钻孔和性能
文丨栋栋不爱动
编辑丨栋栋不爱动
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前言
铝合金与其他金属相比,由于其密度低、强度高、耐腐蚀性好,越来越多地用作汽车和航空航天工业的结构部件。为了制造和组装组件,经常进行钻孔作业。Al7075具有延展性和柔软性,导致钻孔困难,导致材料附着力高,刀具磨损高,刀具寿命短和孔质量差。
由于孔质量差,零件废品率很高,这会增加制造时间和成本。本章从切削参数和钻削条件的角度讨论钻Al7075的挑战和技术,以延长刀具寿命并实现良好的孔质量。在Al7075-T6上使用硬质合金切削刀具在不同的切削参数下进行钻孔实验。
降低切削速度和提高进给率可减少刀具磨损,而在钻孔Al7075-T6中,当切削速度和进给速度均降低时,表面粗糙度降低,从而改善加工表面光洁度。在钻孔过程中,生产良好的孔质量对于确保良好的装配和产品服务性能至关重要。
铝合金
铝合金由于其高强度重量比和良好的耐腐蚀性,在各种工业应用中是理想的。铝的密度低至2.7克/厘米3与7.87克/厘米相比3用于钢材。它通常比钢轻,它在比强度和韧性方面的性能几乎与某些钢相似。铝合金性价比相对较高,具有良好的经济价值。
一些高度依赖铝合金的行业是航空航天、汽车、造船和铁路公司。在工业中,机械加工操作,特别是钻孔,被广泛进行以制造零件。部件的钻孔通常在制造过程结束时进行,以使用合适的紧固件为最终产品的组装生产孔。
在钻井作业过程中可能会引入一些缺陷,如裂纹、毛刺和表面变形,这可能导致产品性能不佳和产品故障。钻孔的尺寸必须在公差范围内并且缺陷最小或没有缺陷非常重要,这样组件才能作为功能性产品牢固地组装。
钻孔效率在很大程度上取决于材料、刀具几何形状、切削参数和工艺条件。在干燥条件下钻铝合金具有挑战性,因为它通常会导致钻孔质量差,包括毛刺的形成、表面粗糙度高和工件材料的附着力。
钻孔操作后,产品将需要额外的精加工工艺,铰孔和去毛刺,以达到所需的孔质量。为了克服这些问题,可以在切削液存在的情况下进行钻孔,以减少热量产生,从而减少热软化和材料粘附。
重要的是要注意,在钻井过程中使用切削液或润滑剂的成本很高,可能会对环境产生很大的影响,并且需要大量的维护才能处置。干钻通常是可取的,选择合适的切削参数对于为产品装配生产高质量的钻孔至关重要。
铝合金7075的应用
Al7075在汽车和航空航天工业中的应用越来越多,通常有助于减少车辆的总质量。在航空航天工业中,Al7075通常用于生产机身的结构部件,包括机翼蒙皮,尾翼或尾翼以及机身。Al7075的高耐腐蚀性、高强度、高耐撞性和耐用性使该材料成为结构部件应用的理想选择。
AI7075的模量弹性为71。7GPa,剪切模量为26.9GPa,适用于高性能金属应用。AI7075具有良好的拉伸屈服强度,这意味着它可以在变形之前抵抗高达503MPa的张力,并且不会恢复到其初始形式。
与纯铝相比,Al7075强度高的主要原因是锌含量是其主要合金元素。在保持部件强度的同时减轻重量有利于降低油耗和降低维护成本。这些良好的性能显示了Al7075在结构部件工业中越来越多地使用的好处和原因。
从可加工性方面来看,Al7075由于其更好的切屑形成,比其他高性能金属更具可加工性,并且易于剪切。与其他高性能合金相比,加工铝合金的切削力、切削温度和能耗相对较低,这使其成为实现高生产率的良好替代品。
在Al7075中,在尺寸精度和良好的机器表面光洁度方面生产出良好的孔质量可能具有挑战性。铝合金的柔软性和延展性可能导致在操作过程中材料热软化,从而导致积屑瘤积聚在刀具边缘和材料粘附在加工表面上。
切削工具
在进行钻孔操作之前,刀具几何形状和刀具材料方面的切削刀具是需要确定的重要因素,因为它们会影响Al7075的刀具磨损、刀具寿命和表面光洁度。麻花钻,是常用的钻头类型,特别是在钻孔Al7075中,因为它具有螺旋槽,便于排屑与凹槽一起排出。
螺旋角是在钻头前缘和钻轴之间形成的角度。由于通过减小螺旋角来提高刀具强度,使用低螺旋角可以提高钻孔操作的效率。对于钻孔Al7075,已使用的常见螺旋角为30°。点角,即切割唇之间的角度形式,对于确保钻孔效率也很重要。
钻头材料的选择很重要,因为它决定了钻头在钻孔过程中的韧性、硬度、耐磨性和耐热性。钻孔Al7075中使用的钻头材料通常由高速钢和碳化钨制成。据说HSS钻头经常被使用,因为它的可用性范围广,成本低,硬度低,HSS钻头不能很好地抵抗高切削温度。
为了制造高性能部件,碳化钨钻头是优选的,因为与高速钢钻头相比,它们能够抵抗高切削温度并保持其韧性,通常产生更好的孔质量。与高速钢钻头相比,在钻孔Al7075期间使用硬质合金钻头时,报告了更少的材料附着力、更少的BUE、低刀具磨损和改善的切屑形成。
这得到了先前研究的支持发现碳化钨钻的刀具寿命比高速钢钻长20%,并且在干燥条件下钻孔直径为6毫米时,还可以在04.6至12.6毫米的范围内产生尺寸精度高的高质量孔。通常建议使用碳化钨钻头钻孔Al7075。
切削速度是根据刀具的外部或外围移动到正在钻孔的工件的速率来测量的。钻孔Al7075通常使用的切削速度范围在50至250米/分钟以内,适用于直径为6至8mm的切削刀具。据报道,由于材料剪切力的改善,切削速度的提高导致加工表面粗糙度降低。
使用180、200、220和240m/min的切削速度进行钻孔实验,发现当切削速度从7075m/min提高到5m/min时,Al49的表面粗糙度降低了180.240%。切削速度的提高可能会增加刀具颤振,从而影响加工表面的表面粗糙度。
提高切削速度可能会增加由主轴旋转引起的刀具振动,从而导致加工表面光洁度差。为避免钻孔过程中由于高切削速度而导致的刀具颤振和振动,在开始钻孔操作之前,必须确保工件材料的正确夹具和夹紧以及牢固的主轴头。
由于钻孔操作过程中产生的高热量,高切削速度还会导致刀具和工件之间的切削温度升高,这可能导致更高的刀具磨损率。当切削速度提高时,切削温度也会升高,这会导致工件材料粘在切削刃上。
发现在Al60钻孔过程中,切削速度从100米/分钟提高到195米/分钟导致切削温度从240°C升高到7075°C。由于切削速度从0m/min提高到08m/min,进给率为0.19mm/rev,后刀面磨损从180.240mm增加到0.1mm,这也导致表面粗糙度从4.015降低到3.619μm。
虽然较高的切削速度会导致更高的刀具磨损,但不建议使用过低的切削速度,因为它可能会导致切削刃上形成积屑瘤,从而导致加工表面粗糙度高,也会导致生产率低下。使用40m/min的低切削速度和160°C的切削温度进行钻孔时观察到BUE形成,导致表面粗糙度Ra为1。
在钻Al100时,通常建议使用220至7075m/min范围内的中等切削速度,以保持良好的生产率。
进给速率
进给率是影响切屑形成、切削力和孔质量的主要因素。进给率是刀具每整转一圈时钻头移动到工件中的距离。Al7075钻井作业中通常使用的进给速率范围在0.01至0.10毫米/转之间。
在0m/min的恒定切削速度下,进给速率从05.0mm/rev增加到2.50mm/rev,导致推力从825N增加到1020N,并产生连续的切屑,这些切屑可能缠绕在钻屑槽中,从而导致加工表面光洁度差。
发现在高进给速率下,孔的形状会变差。这是由于厚切屑形成引起的高推力。在钻削Al7075时,建议使用低进给率,因为它会导致低推力、产生良好的加工表面光洁度并延长刀具寿命。
在钻孔操作过程中,当铝合金被切削刃去除时,会形成切屑。了解切屑的形成和形态非常重要,因为它会影响刀具磨损和孔质量。螺旋或带状形式的连续芯片,在钻孔过程中以增加的切削速度形成。
这解释了由于高切削温度导致的热软化引起的材料应变而形成的连续切屑。材料变得更有延展性,这导致形成连续的碎屑。而连续芯片更薄,连续切屑通常是不希望的,因为它们可能会导致排屑困难。
因为切屑缠绕在钻头周围并卡在凹槽中,从而导致表面粗糙度高和钻孔质量差。在这种情况下,需要使用断屑槽在钻孔过程中将切屑破碎成更小的碎片,以便于切屑从钻孔中排出。
结论
Al7075钻孔的刀具磨损和孔质量受钻削操作期间的切削参数、切削刀具和条件的影响很大。结果表明,较低的切削速度和较低的进给率有利于在直径、圆度、表面粗糙度和毛刺方面产生较低的刀具磨损和更好的孔质量。
低切削速度产生的热量较少,切屑在切削刃和加工表面上的粘附趋势较小。这可以降低表面粗糙度以及减少毛刺形成,从而获得良好的孔质量。
参考文献:
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