铝合金钻孔方法新解

姚瑞

（西安航空职业技术学院 实习实训中心，陕西 西安 710089）

铝及其合金，由于密度小并具有一定的机械性能和良好的导电性、导热性及耐蚀性，因此在各种工业部门中都得到广泛的应用，特别是航空领域。但在钻孔加工中，铝合金却存在着很多的加工难题。

铝合金按制造方法不同，分为铸造的和形变（可压延）的两大类。形变铝合金多用来制造拉伸的零件、铆钉、板材、型材等，这一类零件在加工过程中，孔的加工并不多见，我们暂且不考虑。而铸造铝合金，相对而言种类很多，最基本的是铝硅合金ZL102，俗称硅铝明。常用的牌号有ZL102、ZLl01 和ZL202，铸造性能都较好。

1 铝合金钻削加工的特点

1.1 优点

铝合金强度与硬度均低，切削负荷小，可以加大切削用量；导热性能好，比铜合金还高出一倍，对降低切削温度有利。除纯铝外，一般铝合金的塑性都小，伸长率低，因此断屑较顺利。铝合金强度和硬度相对较低，塑性较小，对刀具磨损小，且热导率较高，使切削温度较低，所以铝合金的切削加工性较好，属于易加工材料，切削速度较高，适于高速切削。

1.2 缺点

铝合金工件散热比较快，但在刃口上仍存在局部的高温、高压区，而铝和铝合金的熔点低（铝的熔点为659 ℃），因此切屑上铝合金的分子很容易粘滞在钻头的前面上，形成积屑瘤。

锌合金的熔点更低，约400 ℃左右，因此这个问题更加严重，常常使切屑完全熔粘在螺旋槽上，挤死刃沟。

铝合金熔点较低，温度升高后塑性增大，在高温高压作用下，切削界面摩擦力很大。容易粘刀，特别是退火状态的铝合金，不易获得低的表面粗糙度。

由于铝合金比较软，所以容易产生积屑瘤，并且铸造铝合金常有针眼、气孔等缺陷，使孔的光洁度降低。

由于积屑瘤的残痕粘附在钻头前刀面（螺旋槽）上，使切屑流出受到阻碍，导致切屑变形大，收缩系数也大，切屑断面变得很厚，占去钻头刃沟容屑空间较大的比例，因此使排屑情况变坏。

铝合金的弹性系数，仅为碳钢的1/3，而其线膨胀系数，却为碳钢的2 倍，因此钻孔中要防止孔径的收缩，并应加大后角。

加工铝合金若用水剂切削液，由于铝容易和氢起化合作用，使孔壁产生很细的针孔。粗加工时，可用较浓的乳化液；而精加工，则最好用润滑性较好的非水剂切削液，以防止产生针孔，同时有利于减小切屑的变形以及切屑与钻头前面之间的摩擦，避免产生严重的积屑瘤。我们推荐用煤油或煤油与机油的混合液。

2 铝合金钻孔的方法

与钢材和黄铜相比，铝合金的特点一是材质软，刚性差，二是弹性模量低。这两个因素，显著影响了铝合金的切削加工性。因此，在加工铝合金工件时，必须充分地夹紧和支撑工件，并保持刀具锋利。否则，工件往往会有离开切削刀具的倾向。

有时工件的表面出现不规则的槽痕和光亮的挤压斑，一种可能是由于刀具对工件的压力不正常引发的，还有一种可能是由于夹持不牢固而引起振颤时，刀具在工件的表面作间隙式的磨蹭，发生挤压现象和粉状切削，然后当间隙或弹性消失时，刀具就咬入工件的表面，啃出槽痕。所以，在钻孔过程中，我们也要注意铝合金的切削要点，合理地选取铝合金的切削方法。

2.1 选择铝合金群钻

在钻削过程中，标准群钻由于外刃锋角（2Φ）、内刃锋角（2Φ'）相对较大，后角（α）较小，后刀面与被切削面摩擦严重，产生了大量的切削热，切削温度升高快；主切削刃对材料的切入角小，切削厚度变薄，容易碎断，不易排出；内刃前角为负值，工作中完全处于挤压切削状态，局部温度高，材料融敷现象严重。

（1）铝合金专用群钻几何参数和形状的改进。经过长期实践，我们对标准群钻进行了几何参数和形状上的改进，刃磨成铝合金专用钻头，如图1 所示。

图1 铝合金群钻

将原有140°的外刃锋角减小至105°～110°，这样就减少了轴向力，加大了刀尖角，改善了散热条件，加剧了切屑变形，形成了条状切屑。

加大后角，将后角α 由原来的13°～14°加大至22°～23°，这样就减少了切削热的产生，使熔敷现象减轻，同时较大的后角，也使得主切削刃更加锋利，容易切入材料，形成厚切屑，方便排出。

将原内刃前角–10°左右改为正值或接近正值，可以很好地降低切削阻力，改善内刃切削状体。

将原有双边圆弧槽改为单边圆弧槽，在铝合金硬度低的条件下，可以很好地减小切削抗力，增加切屑厚度，而不会引起震动。

将横刃沿背侧的棱多磨去一些，以加大容屑空间，具体钻头参数如表1 所示。

表1 铝合金钻头钻孔时的典型参数

（2）铝合金群钻的刃磨方法。准备使用A46～60K、L 型号砂轮，砂轮修磨平整，砂轮的远郊不得大于钻头的圆弧半径。

刃磨直刃时，钻头刃口与砂轮平面靠齐，钻头轴线向左切屑出峰角的角度，由刃口向后刀面磨削，上下摆动钻头柄部，整个过程手要有支点，钻头尾部摆动不可高于水平面，如图2 所示。

图2 刃磨直刃

在刃磨月牙槽时，钻头主切削刃接触砂轮边角，刃口不可上翘，钻头柄部向下压刃磨后刀面，砂轮与钻轴夹角55°角，钻头平进，不可上下摆动，如图3 所示。

图3 刃磨月牙槽

在刃磨横刃时，钻头轴线左倾15°，钻头尾部下压55°，外刃和砂轮侧面形成夹角，注意及时冷却钻头，避免钻心退火。

最后刃磨加深钻头的内槽，用片状砂轮或小砂轮，此时要注意后角的角度，避免后刀面空间位置高于圆弧切削刃。

2.2 切削刃的鐾光

为了减轻产生积屑瘤的情况，特别是避免积屑瘤在消失时的残痕粘附在前面上，应将钻头切削刃的前刀面（螺旋槽）和后刀面用油石鐾光到0.8 μm以上；最好选用刃沟经过抛光的钻头。

2.3 选择合适的切削用量

极限转速，大进给，是铝合金钻孔时的切削宗旨。高转速可以提供较大离心力，使得切屑在螺旋槽中更容易呈现喷射状排出，同时也可缩短切屑在切削刃上的单位停留时间，降低粘结的可能性。而较大的进给量，可以降低单位切削量内产生的切削热量，具体数值参照表2 所列。

表2 铝合金钻孔切削用量

2.4 充分夹紧和支撑工件

在加工铝合金工件时，必须充分地夹紧和支撑工件，并保持刀具锋利。否则，工件往往会有离开切削刀具的倾向。

有时工件的表面出现不规则的槽痕和光亮的挤压斑，一种可能是由于刀具对工件的压力不正常引发的，还有一种可能是由于夹持不牢固而引起振颤时，刀具在工件的表面作间隙式的磨蹭，发生挤压现象和粉状切削，然后，当间隙或弹性消失时，刀具就咬入工件表面，啃出槽痕。

2.5 选取合理的加工过程

为了获得光洁的工件表面，尽可能采用先钻孔后扩孔的组合，因为各种合格的铝合金工件毛坯，总会有一些氧化层，加剧钻头的磨损。

2.6 选择配套的切削液

铝合金切削液的选择非常重要，必须保证良好的润滑性、冷却性、过滤性和防锈性，因此，可用于铝合金加工的切削液与普通的切削液有所不同。

在钻孔时，由于是高速加工，可产生大量的热量，如果产生的热量不能及时地被切削液带走，将会发生粘刀现象，严重的会出现积屑瘤，将严重的影响到工件的加工精糙度和刀具的使用寿命，同时热量也可使工件发生变形，严重影响到工件的精度。

因此切削液的选择，既要考虑到其本身的润滑性，也要考虑其冷却性能。对于精加工，宜选择乳化型减摩切削液或低粘度的切削油；对于半精加工和粗加工，可选择低浓度的乳化型减摩切削液，或半合成减摩切削液等具有良好冷却性能的切削液。

3 结束语

通过铝合金钻孔存在问题的分析和制定相应的解决方法，我们可以在实际操作中顺利完成铝合金钻孔的加工工作。

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