張超

（迅達(dá)（中國(guó)）電梯有限公司，上海 201800）

近年來(lái)，鋁合金壓鑄件以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好等材料特性?xún)?yōu)勢(shì)，以及鑄造性能優(yōu)、可加工性好和較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，被廣泛運(yùn)用于航空航天、汽車(chē)制造和電梯制造等行業(yè)。現(xiàn)代制造業(yè)中較普遍運(yùn)用的鋁合金壓鑄件通常為Al-Si、Al-Mg、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu等，而生產(chǎn)電扶梯梯級(jí)通常選用AlSi12。改革開(kāi)放以來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國(guó)已成為世界最大的電梯生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。在外資引進(jìn)的近40年中，本土電梯制造商不斷涌現(xiàn)且綜合實(shí)力穩(wěn)步提升，目前擁有電梯生產(chǎn)許可證的企業(yè)已達(dá)560家之多。在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中，企業(yè)對(duì)加工制造過(guò)程的降本增效提出了更高要求。本課題針對(duì)鋁壓鑄梯級(jí)裙邊銑削工藝展開(kāi)研究，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率和降低加工噪音的目的。

1 材料分析

1.1 合金元素的影響分析

本文研究的鋁合金壓鑄件元素分布如表1，主要包含的元素有Si、Cu、Fe、Mn、Zn、Ti等。Si作為AlSi12的主元素，其含量達(dá)到11.7%以上時(shí)在熱熔溫度577℃下與Al形成共晶態(tài)，鑄造性極佳且耐蝕性和強(qiáng)度等材料性能較好，但成形后的零件切削難度較大。Cu、Zn和Mn等微量元素大大提高了鋁液在鑄造過(guò)程中的流動(dòng)性，有效降低了氣孔、花斑、邊角殘缺等缺陷比例。Cu雖然對(duì)壓鑄工藝過(guò)程起到良性影響，但成形后的零件其耐蝕性和塑性會(huì)有所降低。Fe是鋁合金材料中難以規(guī)避的雜質(zhì)元素，其對(duì)鋁液的流動(dòng)性和成形后材料的切削性能均有負(fù)面影響，但為了緩解壓鑄黏膜現(xiàn)象，一般要求Fe含量在0.6%～1.0%。適量的Mn與Fe結(jié)合，可使結(jié)晶組織細(xì)化，緩解Fe造成的不利影響。合金材料的最終表現(xiàn)是受到各元素的綜合作用所體現(xiàn)的，對(duì)應(yīng)的影響因素可參考表2。

表1 鋁合金壓鑄件元素分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 各元素的影響因素

1.2 機(jī)械加工性能分析

Si含量較低時(shí)共晶Si呈現(xiàn)細(xì)小的短桿或針狀，對(duì)材料機(jī)加性能影響不大，但當(dāng)Si的比例升高到9%以上，共晶Si組織急劇變大，使得材料脆硬度大幅上升，塑性下降。根據(jù)不同溫度拉斷力實(shí)驗(yàn)研究，Si含量在7%～12.8%，含量越高抗拉強(qiáng)度越高，超過(guò)12.8%則抗拉強(qiáng)度迅速下降。AlSi12在不同溫度下的伸長(zhǎng)率隨著Si含量提高而平穩(wěn)下降。隨著切削過(guò)程的溫度上升，抗拉強(qiáng)度降低，而伸長(zhǎng)率升高。

針對(duì)AlSi12硬度較高的特性，加工過(guò)程切削熱較為集中，對(duì)刀具的磨損較為劇烈，應(yīng)當(dāng)選用硬度較高材質(zhì)，故本文實(shí)驗(yàn)刀具選用鎢鋼材質(zhì)。AlSi12強(qiáng)度較高，應(yīng)盡量減小切削力，從而降低切削功率，使得切削溫度降低，緩解刀具磨損延長(zhǎng)壽命，故在相同轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的情況下選用較多刀刃的刀具。

2 材料切削過(guò)程的理論模型

如圖1所示，鏜刀切削過(guò)程通常用單位時(shí)間切削量來(lái)衡量，單位mm3/min

圖1 切削模型

式中，ae為切削寬度，單位mm；vc為切削速度，單位mm/min；af為為刀具進(jìn)給量，單位mm；D為刀具直徑，單位mm；n為主軸轉(zhuǎn)速，單位r/min；Z為刀頭刃口數(shù)量。

根據(jù)鏜床主軸加工能力、刀具設(shè)計(jì)、刀具材質(zhì)和產(chǎn)品粗糙度要求等影響因素，公式中各變量有一定取值范圍。

刀具切削速度vc受到機(jī)床動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速n的限制，其取值范圍為：

式中，nmin為主軸最小轉(zhuǎn)速，單位r/min；nmax為主軸最大轉(zhuǎn)速，單位r/min；D為刀具直徑，單位mm。

進(jìn)給量af受到進(jìn)給速度和刀刃數(shù)量的限制，其取值范圍為

式中，vfmin為刀具最小進(jìn)給速度，單位mm/min；vfmax為刀具最大進(jìn)給速度，單位mm/min；vc為切削速度，單位mm/min；D為刀具直徑，單位mm；Z為刀刃數(shù)量。

切削力FC的大小受限于機(jī)床主軸最大扭矩，其取值范圍為

式中，F(xiàn)C為圓周切削力，單位N；KFC為銑削修正系數(shù)；Mmax為機(jī)床最大扭矩，單位 N﹒ m；CF、xF、yF、uF、WF、qF為切削力系數(shù)。

切削力FC的大小還受限于機(jī)床最大功率，其取值范圍為

式中，F(xiàn)C為圓周切削力，單位N；KFC為切削修正系數(shù)；Pmax為機(jī)床最大功率，單位 W；CF、xF、yF、uF、WF、qF為切削力系數(shù)；G為機(jī)床有效系數(shù)。

3 鋁合金材料切削實(shí)驗(yàn)

3.1 測(cè)試條件

鏜床為某國(guó)產(chǎn)品牌，參數(shù)如表3。

表3 機(jī)床參數(shù)表

刀具使用了四種規(guī)格進(jìn)行測(cè)試，基本參數(shù)如表4。

表4 刀具規(guī)格

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某品牌電扶梯AlSi12鋁合金梯級(jí)，切削部位為裙邊側(cè)面。

參考《切削用量簡(jiǎn)明手冊(cè)》，刀具切削力系數(shù)和機(jī)床有效系數(shù)如表5。

表5 加工過(guò)程系數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)數(shù)學(xué)模型理論計(jì)算并優(yōu)化的數(shù)據(jù)，本文針對(duì)不同刀具選取了三組加工節(jié)拍進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表6。加工節(jié)拍為刀具開(kāi)始進(jìn)給到完成切削退回的過(guò)程時(shí)間。通過(guò)記錄不同材質(zhì)不同刀刃數(shù)量的刀具在不同加工節(jié)拍下對(duì)應(yīng)的噪音分貝和電流載荷，間接判斷切削力的變化趨勢(shì)。由于本文使用的鏜床的最大電流載荷為3.0A，三刀刃的硬質(zhì)合金在16s和12s的加工節(jié)拍下均發(fā)生過(guò)載保護(hù)，所以?xún)H記錄了19s加工節(jié)拍的數(shù)據(jù)。

表6 正交實(shí)驗(yàn)的節(jié)拍、噪音和電流載荷

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

相同刀刃數(shù)量，隨著刀具加工進(jìn)給速度的不斷增加，刀具受到的切削力隨之增大，從而產(chǎn)生的噪音也相應(yīng)變高。刀刃數(shù)量增加，緩解了機(jī)床的電流載荷，但由于相同切削量的切削頻率變高，故切削噪音也會(huì)有所增高，變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 刀刃數(shù)量和節(jié)拍對(duì)噪音和電流載荷的影響

硬質(zhì)合金YG8和鎢鋼GU20的主要區(qū)別在于冶煉工藝和材料硬度不同。隨著切削速度的增加，硬質(zhì)合金YG8刀具傳遞給機(jī)床的切削載荷相應(yīng)增加，且噪音也隨之增大，而鎢鋼GU20刀具對(duì)切削速度的變化敏感度較低，切削載荷和噪音表現(xiàn)幾乎不受影響，如圖3所示。

圖3 刀具材質(zhì)對(duì)噪音和電流載荷的影響

3 結(jié)語(yǔ)

（1）AlSi12材料在壓鑄工藝過(guò)程中呈現(xiàn)出很好的鑄造性能，且成形后的零件具有較好的材料性能，但加工過(guò)程切削熱較為集中，對(duì)刀具的磨損較為劇烈，應(yīng)當(dāng)選用鎢鋼等硬度較高的材質(zhì)。

（2）AlSi12強(qiáng)度較高，應(yīng)盡量減小切削力，從而降低切削功率，使得切削溫度降低，緩解刀具磨損延長(zhǎng)壽命，故在相同轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的情況下選用較多刀刃的刀具。

（3）刀具刃口數(shù)量增多可有效緩解機(jī)床切削載荷，故對(duì)加工效率的改善有明顯幫助，但加工噪音會(huì)相應(yīng)增高。從噪音的變化范圍判斷，刀具與噪音不是強(qiáng)相關(guān)項(xiàng)，通過(guò)改進(jìn)裝夾置具的方式可以更有效地降低噪音。

（4）在不斷增加切削效率的過(guò)程中，鎢鋼GU20刀具表現(xiàn)更加穩(wěn)定，噪音和切削載荷的反饋不明顯。