汽車支架用鎂合金的切削試驗及分析*

李 耕，劉 迪，劉 潤，朱先勇，

(1.吉林大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 長春 130022；2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

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汽車支架用鎂合金的切削試驗及分析*

李 耕1，劉 迪2，劉 潤1，朱先勇1，2

(1.吉林大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 長春 130022；2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

汽車支架是汽車必不可少的零配件，鎂合金作為一種新型材料，在汽車支架上得到了廣泛推廣和應(yīng)用。通過試驗數(shù)據(jù)研究鎂合金在加工過程中的工藝性能，分析各種參數(shù)對切削性能的影響，尋求最佳切削參數(shù)，制定合理的刀具幾何參數(shù)，對推廣使用鎂合金用汽車支架具有重要影響。

切削參數(shù)；切屑形態(tài)；切削機(jī)理；切削變形

鎂合金作為一種發(fā)展?jié)摿薮蟮妮p型合金材料，被許多行業(yè)廣泛應(yīng)用，其享有“21世紀(jì)綠色結(jié)構(gòu)材料”的美譽。我國的鎂合金研究發(fā)展迅速，現(xiàn)已生產(chǎn)25種零部件應(yīng)用于摩托車零件、8種用于火車制動、50多種用于汽車配件、10余種用于3C產(chǎn)品。我國還成立了專門的鎂合金研究機(jī)構(gòu)，致力于研究和開發(fā)鎂合金前景價值[1]。美國福特公司在新型福特汽車上使用了整體壓鑄AM50鎂合金梁，質(zhì)量減輕了22磅(1磅=0.453 592 4 kg)，與原系統(tǒng)相比，每100 km節(jié)省燃料0.6 L。通用汽車公司研制出的鎂合金大大提升了蠕變性能。與此同時，德國也將鎂合金部件應(yīng)用于新開發(fā)的變速系統(tǒng)中。

本文通過試驗，分析研究影響鎂合金切削過程的因素，并分析切屑的宏觀形態(tài)，尋找切削最優(yōu)參數(shù)。

1 試驗材料

1.1 試驗所用鎂合金材料

本試驗材料為鎂合金AZ91D，其化學(xué)成分見表1[2]。

表1 鎂合金AZ91D的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

1.2 試驗設(shè)備及刀具

本試驗使用CA6140機(jī)床進(jìn)行車削操作，使用XK5025數(shù)控立式升降臺銑床進(jìn)行銑削操作。車床使用SKH2車刀，銑床使用YT15銑刀。

1.3 試驗用鎂合金樣品的制備

試驗場地設(shè)在吉林大學(xué)工程訓(xùn)練中心，試驗是將板形坯料加工成圓形棒料。板料和棒料如圖1所示。

圖1 板料和棒料

板料厚度為12 mm，把工件裝夾入XK5025數(shù)控立式銑床，兩側(cè)切削量設(shè)定為0.6 mm，啟動電動機(jī)，將板料銑成方條狀；然后取下工件，在端部畫1個圓，用60°三角尺在圓外畫出外接三角形，實際就是2條線，再按這2條線切去2個角(見圖2)[3]；最后利用CA6140機(jī)床三爪自定心卡盤夾住黑色點處，進(jìn)行車削。劃線圖樣如圖2所示。

圖2 劃線圖樣

2 試驗驗證車削參數(shù)對車削力的影響

把棒料安裝在CA6140車床三爪自定心卡盤上，采取控制變量法，每次只改變1個參數(shù)進(jìn)行車削試驗，同時選擇電阻應(yīng)變片式測量儀測定進(jìn)給力Fx、背向力Fy和主切削力Fz，分組得出數(shù)據(jù)。

2.1 背吃刀量ap對切削力的影響

改變背吃刀量數(shù)值進(jìn)行多次測量試驗，得出數(shù)據(jù)見表2，柱狀圖如圖3所示。

表2 切削力與背吃刀量的關(guān)系

圖3 切削力與背吃刀量的關(guān)系

由圖3可知，切削力隨背吃刀量的增加而增大，這是因為背吃刀量增大，導(dǎo)致切削寬度變大，使得切削面積和與刀具接觸面積增大，剪切力和摩擦力也相應(yīng)變大。所以切削寬度的變化與摩擦因數(shù)和變形系數(shù)無關(guān)，切削力與背吃刀量成正比例關(guān)系[4]。從圖3中還可以看出，背吃刀量對主切削力Fz的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其對背向力Fy的影響。

剛開始進(jìn)行切削時，由于摩擦力變大，切削溫度升高，在某種程度上使合金硬度下降，塑性提高，從而背向力變化很小，各項指標(biāo)變化緩慢。當(dāng)進(jìn)一步進(jìn)行切削時，一方面切削溫度的變化受鎂合金導(dǎo)熱性能的控制，摩擦力變大并沒有使溫度發(fā)生急劇變化，結(jié)果使切削力大幅增加；另一方面，刀具加工過程中產(chǎn)生了輕微磨損，刀具與工件接觸方式從線接觸變成了面接觸，也是使背向力變大的原因之一。

2.2 進(jìn)給量f對切削力的影響

改變進(jìn)給量f數(shù)值進(jìn)行多次測量試驗，得出數(shù)據(jù)見表3，柱狀圖如圖4所示。

表3 進(jìn)給量與切削力的關(guān)系

圖4 進(jìn)給量與切削力的關(guān)系

由圖4可知，切削力隨進(jìn)給量的變大而變大，切削力增長速度在各個分量上都不同。在進(jìn)給量不大的情況下，倒棱切削刃承擔(dān)了主要的切削力，在后刀面和刀具刃口與工件的接觸熨壓作用強于剪切作用[5]。此時，在進(jìn)給量逐漸變大時，切削厚度ac也會增大(ac=fsinκr，κr是車刀主偏角)，切削厚度ac減小使變形系數(shù)ξ增大，摩擦因數(shù)增大，這樣又會使切削力增大。由上述兩方面綜合分析，切削力和進(jìn)給量成正比例關(guān)系。

2.3 切削速度vc對切削力的影響

改變切削速度vc數(shù)值進(jìn)行多次測量試驗，得出數(shù)據(jù)見表4，柱狀圖如圖5所示。

表4 切削速度與切削力的關(guān)系

圖5 切削速度與切削力的關(guān)系

由圖5可知，切削速度和主切削力、背向力是反比例關(guān)系。由于切削速度和切削溫度的提高，材料的塑性發(fā)生變化，切削第一變形區(qū)的剪切力減小，導(dǎo)致了這一現(xiàn)象的發(fā)生。此時，由于溫度增加，使得第二變形區(qū)接觸處摩擦因數(shù)減小，導(dǎo)致摩擦力變小，從而導(dǎo)致背向力和主切削力同時減小[6-7]。切削溫度和速度的升高會導(dǎo)致材料硬度、強度降低，切削力變小。進(jìn)給力隨切削速度的變大而變大，這是因為切削速度的升高引起切削溫度和壓力的變大，刀具前刀面被切屑滯留層嵌入，為積屑瘤的形成創(chuàng)造了條件，從而使切削阻力變大。在切削速度vc小于一定數(shù)值時，隨著速度的增加，積屑瘤由小變大，切削力合力則隨之由小變大。

3 切削研究與切屑的形成機(jī)理

切屑的基本類型可分為：崩碎切屑、粒狀切屑、節(jié)狀切屑和帶狀切屑等4種[8]，它們對切削過程的影響是不同的。以帶狀切屑為例，它的優(yōu)點是已加工表面光滑，切削力平穩(wěn)，切削波動小；但與此同時過長的切屑會影響工件質(zhì)量，降低刀具壽命，甚至危害操作者安全，造成機(jī)床癱瘓，影響生產(chǎn)效率。

加工工件產(chǎn)生滑移變形后，切削層金屬繼續(xù)順著前刀面滑移形成切屑。切削層金屬在這個過程中會產(chǎn)生許多變形，將其分成3個變形區(qū)域(見圖6)。在切削開始時，在刀刃和被加工工件接觸處前面一點產(chǎn)生應(yīng)力和高溫，隨著切削的進(jìn)行，溫度足夠高，這時就造成被加工工件的塑性變形，這一區(qū)域稱為第一變形區(qū)，這一區(qū)域內(nèi)主要發(fā)生剪切滑移；切屑進(jìn)一步沿前刀面流出，在第二變形區(qū)受到前刀面的擠壓和變形；在第三變形區(qū)內(nèi)，材料被切下，此時在后刀刃上發(fā)生彈性變形，變形被切下。

圖6 3個變形區(qū)

在切削過程中，各項參數(shù)變大(分別為1項參數(shù)變大，其余2項參數(shù)不變)時的切屑微觀形態(tài)如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)切削速度和進(jìn)給量都小時，切屑表現(xiàn)為是大螺距的螺旋形狀；當(dāng)切削速度和進(jìn)給量增加時，逐漸產(chǎn)生了崩碎屑，而且螺距明顯變小。形成這一現(xiàn)象的原因是切屑變形系數(shù)和切削速度、進(jìn)給量成反比例關(guān)系。與此同時還可得出結(jié)論，切屑形態(tài)受背吃刀量的影響不大，進(jìn)給量對切屑變形系數(shù)影響很大，而切削速度對切屑變形系數(shù)的影響微乎其微。

圖7 切削參數(shù)對切屑形態(tài)的影響

由于鎂合金常溫下塑性并不好，從切削過程來看，微觀切屑呈現(xiàn)斷續(xù)形態(tài)，螺旋形和崩碎屑是基本形態(tài)。當(dāng)切屑破裂之前，變形很小，這一點不同于塑性材料的切屑形成原因，是由于工件所受應(yīng)力大于它的最大抗拉極限，導(dǎo)致了斷裂。

鎂合金在切削過程中的缺點也是顯而易見的，如切削過程不平穩(wěn)，加速了刀具的損壞，同時縮短了機(jī)床壽命，使加工精度降低，這些弊端應(yīng)該盡力避免。把切削厚度變薄，將切屑形成片狀或針狀是較好的解決辦法。與此同時，為了提高工件塑性，應(yīng)加快切削速度。

4 結(jié)語

本文利用硬質(zhì)合金刀具對鎂合金進(jìn)行切削試驗，對切削力、切削形態(tài)和切削參數(shù)進(jìn)行了研究分析，試驗結(jié)果表明如下結(jié)論。

1)在切削參數(shù)三要素中，背吃刀量ap對切削力影響最大，進(jìn)給量f次之，切削速度vc影響最小。

2)由于切削速度和切削效率的提高，刀具與工件的接觸時間減小，高溫高壓條件下前刀面插入變軟的滯留層，形成全面接觸表面，阻力增大，導(dǎo)致進(jìn)給力和切削速度呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

3)由于刀具刃口圓弧部分受到加工面所產(chǎn)生的擠壓作用，因此當(dāng)采用背吃刀量小、進(jìn)給量小的切削條件時，進(jìn)給力增長速度大于主切削力。

4)切削參數(shù)與工件硬度直接影響切屑基本形態(tài)。進(jìn)給量對切屑形態(tài)影響最大，切削速度次之，背吃刀量最小。進(jìn)給量大到一定程度時，易產(chǎn)成崩碎屑。通過減小切削厚度，適當(dāng)提高切削速度，可以有效減少崩碎屑。

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* 長春市科技計劃項目(12ZX29)

責(zé)任編輯 鄭練

Cutting Experiment and Analysis of Magnesium Alloy for Automobile Support

LI Geng1, LIU Di2, LIU Run1, ZHU Xianyong1,2

(1.Engineering Training Center, Jilin University, Changchun 130022, China; 2.School of Machinery Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China)

Magnesium alloy as a new material has been widely used, and the car frame structure is an example. Study the processing property of magnesium alloy in the course of working through the experiments data. Analyze the influence of different parameters to the chip property. Ensure the best chip parameters. Find the optimized cutting parameters. The results can improve the processing efficiency and has an important guiding significance.

cutting parameters, chip shape, cutting mechanism, cutting deformation

TG 506

A

李耕(1964-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事機(jī)電一體化領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作。

朱先勇

2016-05-23