鋁合金材料加工刀具設計及工藝優化研究

肖瑤

【摘要】近幾年，我國金屬材料領域整體發展速度有了顯著提升，一方面是由于科學技術以及工藝設計等方面高速發展帶來的積極影響，另一方面是由于人們對于金屬材料日趨多樣化的應用需求。鋁合金是用途非常廣泛的金屬材料，在人們的日常生活中隨處可見各種類型的鋁合金材料工藝制品。為了確保鋁合金材料的加工刀具工藝制品能夠更好的應用在機電工程等行業領域，切實提高鋁合金材料加工刀具使用壽命，不斷提升鋁合金加工刀具的質感和使用效果，就必須要做好鋁合金刀具設計與加工工藝優化處理?；诖?，文章首先對鋁合金材料的特性進行了簡要分析，隨后探究了鋁合金材料加工刀具的設計及其工藝優化措施。

【關鍵詞】鋁合金材料;材料加工;刀具設計;工藝優化

鋁合金刀具是現代工業領域中應用非常廣泛的金屬材料構件，在機械制造、數控機床等機電工程領域有著極高的應用價值和地位。隨著我國機電工程行業的全面發展，各種各樣新技術的不斷出現和應用，鋁合金材料加工刀具必須要不斷提升自身質量、品質以及工藝水平，才能真正在切削加工過程中，承受極大的壓力和沖擊力。鋁合金刀具在材料加工過程中，往往需要承受高溫、高壓以及強大的載荷應力，這就要求其具備極強的材料硬度和結構強度，確?？梢愿哔|量、穩定完成材料加工切削任務。

一、鋁合金材料簡述

鋁合金由于其具備比較高的硬度和強度以及塑性效果，而且還有比較好的耐腐蝕性、抗氧化性、導熱性，已經被廣泛用于工業行業，在全部金屬材料中，鋁合金的使用量長期居于高位。鋁合金是制備加工刀具構件最為常用的材料，由于鋁合金具備極為突出的塑性效果，因此，可以根據工業生產的實際需求，加工不同形狀、不同大小并且與機械工程行業生產制造相適應的鋁合金材料刀具。

但需要注意的是，鋁合金材料刀具并非能夠適應所有機電工程行業的生產制造需求，比如，在加工3C數碼鋁合金等金屬材料時，非常容易出現“粘刀”情況，這樣便會導致加工刀具受損，甚至完全報廢，也有可能影響加工件的加工質量。為此，必須要加強對鋁合金材料加工刀具設計與加工工藝方面的優化研究力度，從而在保證合金鋁材料刀具質量和性能的同時，不斷提高加工工藝水平以及加工效率，從而延長鋁合金材料刀具的使用壽命[1]。

二、鋁合金材料加工刀具設計分析

（一）鋁合金刀具的刀瘤限制

鋁合金材料的強度非常理想，能夠應對機電工程領域絕大多數機械加工需求，甚至個別牌號的鋁合金拉伸強度、屈服強度、延伸率以及結構強度等方面的參數遠高于普通鋼材，這使得鋁合金材料在制備機械加工刀具方面具有非常明顯的優越性和可靠性。從當前銑削加工刀具選擇方面的實際情況來看，鋁合金刀具已經成為銑削加工方法中使用率極高的金屬材料。鋁合金材料刀具在加工過程中，尤其當采用銑削加工方式時，鋁合金刀具會承受更多的損耗，這就需要在設計鋁合金加工刀具時，著重考慮到鋁合金材料刀具的工藝性能、韌性、耐磨性和承載力。

在鋁合金刀具銑削加工過程中，應當充分考慮到切削底層金屬區域可能出現的刀瘤問題。刀瘤是鋁合金刀具在銑削過程中非常容易出現的物質，屬于金屬切削殘余廢屑堆積而形成的特殊材質。從刀瘤的實際情況來看，刀瘤的出現會對鋁合金刀具的銑削加工質量產生一定影響，而且刀瘤的大小還與鋁合金刀具的切削速度存在緊密聯系。簡單來說，當鋁合金刀具切削速度以及切削溫度處于300℃時，刀瘤的整體規格處于最大值;當鋁合金刀具的切削速度以及切削溫度低于300℃或者高于300℃時，刀瘤的整體規格會變小;當鋁合金刀具的切削溫度超過500℃時，那么刀瘤便會“失蹤”。為了提高鋁合金刀具銑削加工件的精度，可以考慮提高鋁合金刀具的切削溫度，并且嚴格控制切削力，這樣可以顯著限制刀瘤的出現。

（二）鋁合金刀具刀刃形狀以及刀具涂層

從鋁合金刀具的刀刃形狀以及刀具涂層的設計加工實際情況來看，二者的設計是否可以達到優良，會對刀具的使用壽命、加工精準度、鋁合金刀具材料的硬度以及強度等多方面產生重要影響。鋁合金刀具在加工過程中，刀具的前角作用性非常突出，合適的鋁合金刀具前角，可以顯著提高刀具的切削力，以及刀具的材料強度和硬度。此外，當鋁合金刀具前角的角度處于最佳時，還能夠大幅度增強鋁合金刀具的切削功率，加工件的精密度也會隨之提升，降低加工廢件的出現幾率。通常情況下，鋁合金刀具的前角多為小角度前角以及負前角，但當鋁合金刀具的切削力較差時，通?？梢赃m當提高刀具前角的角度。

鋁合金刀具涂層會對加工刀具的使用壽命產生明顯影響，如果刀具涂層的設計與材料選擇不夠合理，會大幅度降低加工刀具的使用壽命，很多刀具會在加工數個金屬件之后便出現刀具損傷、刀具報廢情況，這樣不僅容易影響金屬加工質量，還會增加頻繁更換刀具的成本。為此，在設計鋁合金材料加工刀具時，必須要著重考慮鋁合金刀具涂層的設計問題。目前，鋁合金刀具涂層的生產技術以化學氣相沉積法為主，這種生產技術具有工藝相對簡單、設計與加工更容易完成，最為關鍵的是，采用化學氣相沉積法設計加工的鋁合金刀具涂層，其耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性、導熱率等方面的性能會有限制提升，刀具的使用壽命可以延長數倍，甚至十數倍以上。即便長時間用于工件加工與金屬切削，刀具的涂層也不會脫落或者氧化，鋁合金刀具也不會出現變形情況。在對鋁合金刀具涂層材料進行設計時，必須要選擇最合適的涂層材料，最好選擇復合型材料，例如，金剛石涂層的穩定性和使用壽命都比較長，即便長期進行金屬加工與金屬切削，涂層也不會出現脫落情況。而且，復合型涂料的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫等方面的特性也非常突出[2]。

三、鋁合金材料加工刀具工藝優化分析

鋁合金材料刀具中有大量金屬元素，正是由于在鋁材料中加入了鎂、銅等金屬元素以及硅等元素材料，最終形成了鋁合金材料。單一鋁材料的硬度和強度都無法滿足金屬切削加工工藝需求，但是加入了其他元素材料之后所形成的鋁合金材料，其強度和硬度等特性都有了大幅度提高，從而更好的應對金屬切削加工需求。但并不是單純加入元素材料，就能夠真正提高鋁合金材料刀具的切削性能，必須要確保每一種元素材料的添加量適宜，不同元素材料之間的添加配比達到最優標準，這樣才能真正提高鋁合金材料刀具的硬度、強度、耐磨性以及使用壽命等參數。

隨著機械加工行業的不斷發展，越來越多的加工工藝得到了廣泛應用，再加上形式多樣、用途各異的金屬構件出現，對鋁合金材料刀具的整體性能提出了更高的要求。鋁合金材料必須要具備更為強勁的結構強度、硬度、耐磨性以及使用壽命，這樣才能提高鋁合金刀具的金屬切削性能。因此，在調整元素材料配比時，必須要尋找各個元素材料的最優數值配比，從而全面提高鋁合金材料刀具的拉伸強度、屈服強度、拉伸率等性能參數，使其可以應對更多場景下的金屬切削加工工藝需求，真正提高鋁合金材料刀具的切削性能。

在對鋁合金材料刀具加工制造過程中，為了切實提高刀具的性能，必須要做好熱處理工藝環節的加工工藝管理，尤其要嚴格按照工藝標準對鋁合金刀具進行退火處理。通過均勻化退火處理，能夠切實提高刀具整體結構強度，消除刀具加工制造過程中的殘余應力，降低刀具變形幾率，消除組織參殘余應力，提高刀具在金屬構件加工過程中的切削性能，這樣便可以加工出金屬性能、切削性能更加突出的鋁合金刀具。

對鋁合金刀具的加工工藝進行優化創新，能夠顯著降低生產成本，也可以降低頻繁更換鋁合金刀具給企業帶來的資金損耗，更能夠大幅度提高金屬構件切削加工能效。為了提高鋁合金刀具的加工工藝水平，真正加工出性能優良、質量極高的鋁合金刀具，可以在正式加工制造之前，通過模擬技術、仿真技術等先進技術進行預加工、預設計處理。除此之外，還需要做好機床的穩定性管理，尤其要加強刀架的抗振動性能處理，這樣可以有效降低鋁合金刀具在加工過程中出現破損的幾率。此外，可以選擇長時間加工工藝方式，保證加工處理的連續性，從而確保刀具加工效果處于最佳狀態。

在對鋁合金刀具加工過程中，應當充分考慮到刀具直徑、刃帶等參數給鋁合金刀具性能帶來的影響。為此，在設計和加工鋁合金材料刀具時，應當充分考慮到刃帶在刀具上的具體位置、角度以及寬度，盡可能控制切削性能以及切削力。而在刀具直徑的選擇時，應當根據金屬材料切削加工的實際需求，加工制作不同直徑規格的刀具，從而達到控制切削速率、切削刃強度等方面的目的[3]。

四、結語

鋁合金材料刀具在機械加工領域有著非常廣泛的應用。刀具的設計與加工工藝質量，會對鋁合金刀具的整體性能產生直接影響，因此，必須要從鋁合金材料刀具的各個元素材料配比方面入手進行優化管理，更要做好刀具的涂層材料選擇以及涂層設計處理，并且，限制刀瘤的形成，這樣才能確保鋁合金刀具切削性能處于最佳狀態。

參考文獻：

[1]張深圳，牛秋林，李爽，等. 硅鋁合金表面缺陷形成機理及其加工工藝優化研究進展[J]. 宇航材料工藝，2021（1）.

[2]王建文，李超，徐興偉，等. 鋁合金螺紋擠壓加工載荷仿真及刀具參數優化[J]. 組合機床與自動化加工技術，2021（10）.

[3]萬達. 鋁合金材料的應用領域及加工成形技術分析[J]. 中國金屬通報，2020（12）.