鎂合金機械加工技術

蔡成德

（四川九洲電器集團有限責任公司，綿陽 621000）

引言

近年來鎂合金在航空航天和軍工領域得到了廣泛的應用，鎂合金具有密度小、比強度大等特點。在加工過程中有許多優(yōu)點：切削性能良好，易獲得高的表面質量。本文詳細闡述了鎂合金材料特性、加工參數(shù)等一系列過程，最終摸索出了鎂合金材料加工時的最佳切削參數(shù)選擇及防止變形等系列措施。

1 材料簡介

1.1 材料特性分析

本文選用鎂合金AZ31B-H112作為實驗基材，此材料具有以下幾點特性：

（1）密度小，約1.78g/cm3；

（2）耐蝕性差，與空氣中的氧形成的氧化膜不致密，不能保護內部金屬不再腐蝕；

（3）易燃，鎂屬于一級易燃品，加之切屑薄而小，因此切削時產(chǎn)生的高溫極易引燃鎂屑起火。

1.2 零件加工及防護難點分析

（1）鎂合金性質活潑，在加工過程中易腐蝕及氧化；

（2）鎂合金剛度較鋁合金低，加工過程中易產(chǎn)生變形；

（3）鎂合金材質較軟，刀具銑削時易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象。

2 切削加工及相關參數(shù)優(yōu)化

2.1 工藝流程設計

根據(jù)零件的特點，選擇銑削的加工方法來進行腔體的加工。由于腔體內部結構復雜，尺寸精度要求較高，選用數(shù)控高速銑床（HSM700）來進行零件的加工。

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

2.2.1 切削液的優(yōu)化選用

根據(jù)研制方案，研究組采購了新美科公司的CX-R810切削液和漢高公司的P3-multan73-30Mg切削液，對比發(fā)現(xiàn)兩組樣件的加工精度、表面粗糙度均相差不大。

2.2.2 防變形工藝參數(shù)優(yōu)化

本文選用的腔體類零件結構復雜，壁厚較薄，材料剛度較低，在裝夾、銑削方式等因素作用下，易發(fā)生加工變形，后續(xù)去應力熱處理需采用專用熱處理設備進行。經(jīng)參研人員分析，實施的防變形控制措施為：

（1）選擇大的平面作為定位面，使零件與墊板間有效接觸面積增大，確保零件定位面與基準面自然、致密貼合，提高接觸剛度；

（2）對剛性較差的薄壁零件采用超定位方式定位，在剛性簿弱處增加支撐或工藝筋，以提高零件的工藝剛度；

（3）在零件剛性好的方向施加夾緊力，并且作用于剛性好的表面上。

2.3 刀具參數(shù)優(yōu)化

2.3.1 刀具材料的選擇

對于鎂合金而言，刀具材料的選用主要取決于切削量。通過普通碳素鋼刀具、硬質合金鋼刀具、金剛石三種刀具試驗對比分析發(fā)現(xiàn)，普通碳素鋼刀具加工后的窄槽邊緣出現(xiàn)明顯毛刺與卷邊，刀具升溫明顯，且加工后零件表面粗糙度明顯不如硬質合金銑刀，而金剛石刀具主要用于精密和超精密加工，且采購成本較高。綜合考慮以上因素，確定選用硬質合金刀具。

2.3.2 刀具刃數(shù)的選擇

所加工的零件均為腔體類零件，內腔壁薄，且功放腔體和接收激勵腔體尺寸較大，材料去除率大，又能帶走大量的切削熱，因此選用2刃銑刀比較合理。

2.3.3 刀具幾何參數(shù)的選擇

鎂合金切削力小，熱容量低，加工時刀具的參數(shù)需根據(jù)其切削加工特性進行合理的選擇和設計。刀具主要參數(shù)為螺旋角ω、前角γ、后角α，對材料性能和零件結構進行了分析，確定刀具幾何參數(shù)為：螺旋角ω取值為45°，前角γ取值為25°，后角α取值為15°。

2.3.4 刀柄的選擇

分析固夾緊式、熱膨脹夾緊式、液壓夾緊式和彈性夾緊四種刀柄對刀桿、刀具式的夾緊方式發(fā)現(xiàn)，液壓夾緊式和彈性夾緊式均滿足要求，但阻尼減震性能成本較高，因此選用彈性夾緊式刀柄進行加工。

2.3.5 主軸轉速參數(shù)優(yōu)化

該參數(shù)優(yōu)化的主要目的是尋找主軸轉速最佳值。以徑向切深為定值，主軸轉速和進給速度為變值，通過試制對比確定最優(yōu)主軸轉速值，當主軸轉速在8000r/min時，加工處出現(xiàn)嚴重接刀痕，零件表面溫度較高，且出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，零件表面質量較差；隨著主軸轉速的增加，刀具運行漸平穩(wěn)，零件表面狀況逐漸改善，轉速提高至18000r/min時，加工處表面狀況逐漸變好，零件表面粗糙度達Ra1.6；繼續(xù)提高轉速至20000r/min以上，加工精度降低，表面粗糙度實測值為Ra6.3～Ra12.5，確定精加工主軸轉速為18000r/min左右。

2.3.6 進給速度參數(shù)優(yōu)化

隨著切削速度和銑刀轉速的提高，進給速度相應提高，勢必減小每刃進給量。經(jīng)試制發(fā)現(xiàn)，當每刃進給量小于刀尖圓弧半徑時，將會切削困難，出現(xiàn)表面質量降低、振動等現(xiàn)象，確定進給速度為3000mm/min。

2.3.7 徑向切深參數(shù)優(yōu)化

加工發(fā)現(xiàn)當徑向切深大于1.5mm時，零件加工處出現(xiàn)明顯振紋現(xiàn)象，振紋高度達0.2mm～0.3mm；徑向切深趨近于1mm時，振紋現(xiàn)象有所改善，振紋高度控制在0.1mm以下；繼續(xù)減小切深時，刀具出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，表面質量明顯下降，且切屑變?yōu)楸∑瑺?，同時高速切削下產(chǎn)生的熱使刀具出現(xiàn)了粘刀現(xiàn)象，選用徑向切深ae=1mm。

3 結構設計建議

（1）由于鎂合金強度低，如果螺紋部位受力要求高，不建議零件基體上直接設計螺紋，而是在基體上鑲嵌強度較高和電化學相容性較好過渡金屬，具體材料和結構形式為不銹鋼鋼絲螺套、鋁合金過渡螺套。

（2）在加工小深孔時，會出現(xiàn)扇形和塊狀切屑，切屑很難排出，極易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，從而導致刀具折斷問題，且盲孔底部的壁厚較薄時易產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象，因此，建議在孔的結構設計時遵循大而淺的原則。

（3）要盡量減少不同種金屬與鎂合金的接觸面積。對于組件，在鎂合金表面與異種金屬貼合面處要采取必要的防護膜措施，以避免發(fā)生電偶腐蝕。

（4）鎂合金由于強度較鋁合金低，建議設計根據(jù)產(chǎn)品的具體要求，采取必要的的結構強度增加措施。

（5）結構件的連接緊固件選擇建議：當強度滿足要求時，建議選用鋁合金緊固件可有效減少電化學腐蝕；強度不足時，優(yōu)選鈦合金緊固件。采用非金屬絕緣墊圈可完全避免電化學腐蝕。

（6）鎂合金屬性活潑，在潮濕環(huán)境中極易腐蝕，必須采取氧化并噴漆等防護工藝措施，建議不要采用大面積接地的結構設計方案。

4 結束語

通過對鎂合金加工技術的研究，掌握了鎂合金的機械加工和工序間防銹等技術，形成了一套鎂合金材料加工技術體系，為越來越苛刻的產(chǎn)品重量要求提供了有力的技術支持。