鎂合金機械加工工藝研究

劉洋志 廖旭 李立 陳波

【摘 要】鎂合金的比重為鋼的1/4、鋁的2/3，在電子設(shè)備輕量化的趨勢下，鎂合金的應(yīng)用越來越受到重視。本文針對比較常用的鎂合金材料MB15進行機械加工工藝研究，通過刀具、切削液、切削工藝參數(shù)等試驗，得到適合鎂合金機械加工的工藝方法。同時對鎂合金機械加工工序間防護提出了解決措施。

【關(guān)鍵詞】鎂合金;機械加工工藝;MB15

一、引言

鎂合金作為一種輕質(zhì)工程材料，具有比重輕、高比強度、高比剛度、良好的電磁屏蔽能力以及優(yōu)越的阻尼吸震特性等優(yōu)點，是一種極具利用價值的資源。隨著電子設(shè)備輕量化的趨勢，鎂合金的應(yīng)用也越來越受到重視。因此，研究鎂合金的加工制造工藝，掌握鎂合金加工方法，是十分有必要的。

在鎂合金的制造技術(shù)當(dāng)中，機械加工是多數(shù)鎂合金產(chǎn)品實現(xiàn)所必須的工藝過程。本文通過對鎂合金材料特性的分析，結(jié)合機械加工試驗，選擇合理的技術(shù)措施，以實現(xiàn)鎂合金的機械加工，并對鎂合金機械加工工序間防腐以及加工安全防護提出了解決措施。

二、鎂合金材料及其加工性能

本次研究選擇國內(nèi)常用的鎂-鋅-鋯系鎂合金MB15作為加工對象。MB15具有較高的強度（室溫抗拉強度能達(dá)到315MPa）、良好的塑性及耐腐蝕性并可熱處理強化，其切削加工性能良好，但焊接性能較差?？捎糜谥圃焓芰^大，工作溫度在125°C以下的結(jié)構(gòu)零件，如機翼長桁、翼肋、機載電子設(shè)備的特殊結(jié)構(gòu)件等[1]。MB15合金在一般腐蝕介質(zhì)中具有較好的耐腐蝕性能，無應(yīng)力腐蝕破裂傾向。

一般來說，鎂合金具有較好的切削性能，其可切削性能約為鋁合金的1.5倍[2]，即使一次進刀量也可以獲得很好的表面質(zhì)量。但由于鎂合金化學(xué)活性大，燃點低，給鎂合金零部件的機械加工帶來了一系列問題，主要體現(xiàn)在：

（1）鎂合金燃點低，在機械加工過程中產(chǎn)生的切削容易發(fā)生燃燒，造成安全事故。

（2）鎂合金導(dǎo)熱性能好，線膨脹系數(shù)大于鑄鐵和鋼，在加工過程中容易受切削熱、溫差等影響，造成鎂合金零件的變形，影響零件精度。

（3）鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑，極易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，這對鎂合金加工過程中的周轉(zhuǎn)防護提出了更加嚴(yán)格的要求。

在以上問題當(dāng)中，保證鎂合金的生產(chǎn)安全和防護是實現(xiàn)鎂合金加工所必須的前提和準(zhǔn)則。

三、鎂合金機械加工安全控制

1 加工方式選擇

鎂合金的機械加工主要包括車削加工和銑削加工。而按照是否使用冷卻液又可將加工方式分為干式加工（不使用冷卻液）和濕式加工（使用冷卻液）。由于鎂合金切削性能良好，即使不使用切削液也能得到光滑的加工表面。許多參考文獻(xiàn)：均推薦采用干式高速切削，空氣自然冷卻，以降低成本、減少切削液的收集和處理[3]。然而，使用干式加工必須配置相應(yīng)的排屑設(shè)備，否則加工過程中飛濺的細(xì)小碎屑極易產(chǎn)生閃燃，引起火災(zāi)，普通銑床和車床則不具備相應(yīng)的防護條件。且對于一些復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)，由于缺少冷卻液的沖刷，切屑不易排出，極可能會在腔內(nèi)發(fā)生堵塞，并隨刀具一起攪拌，引起著火。

2 安全措施

鎂合金的安全生產(chǎn)需要控制三個環(huán)節(jié)，原材料存儲環(huán)節(jié)，機械加工環(huán)節(jié)及廢屑處理環(huán)節(jié)。

1）鎂合金原材料的倉儲應(yīng)小型化、分隔化、分散化，氧化劑、還原劑及易燃物質(zhì)不能與鎂合金材料混放。嚴(yán)禁火源、火種及水帶入倉庫，防止鎂原料被雨淋、水浸、受潮，并保持通風(fēng)散熱。

2）鎂合金加工過程中應(yīng)避免刀具與零件在不切削的情況下發(fā)生摩擦;機床附近的切屑必須及時清理干凈;加工中，需隨時注意刀具的磨損情況，以防止刀具磨損后產(chǎn)生較大的切屑熱，引燃零件;盡量采用大進給量的切削以形成較厚的切屑。

3）鎂合金的廢屑必須單獨放置，不能與其他金屬廢屑混合存放;濕廢屑放置處必須有足夠的通風(fēng)量，以便使氫氣逸出;存放處應(yīng)有足夠的滅火器材。

3 其它意事項

鎂合金滅火有其特殊性，必須采用D級滅火器或消防干砂來排除氧氣來悶熄失火。水、其它液體、二氧化碳、泡沫等都會與燃燒著的鎂起反應(yīng)，并且是加強火勢而不是抑制火勢。

四、鎂合金機械加工試驗

考慮鎂合金加工的安全性，鎂合金的機械加工試驗主要包括數(shù)控銑床加工試驗和數(shù)控車床加工試驗。通過對典型機箱蓋板試驗樣件和天線喇叭軸類試樣件的加工，以驗證和掌握鎂合金加工過程中的切削液選擇、刀具選擇和切削參數(shù)。

1 試驗樣件

鎂合金機械加工試驗樣件選擇我所常用的機箱及天線零件。這兩類零件基本包含數(shù)銑和數(shù)車通常的加工特征，粗糙度Ra3.2，公差等級為IT9級。樣件如圖1所示。

2切削液的選擇

鎂合金在酸及潮濕大氣中均不穩(wěn)定，因此用于鎂合金加工的切削液pH值最好為弱堿性，本次研究選用市面上已有的鎂合金專用切削液。該切屑液不含氯、亞硝酸鹽和苯酚，pH值穩(wěn)定（5%時pH值為9.2），不易變質(zhì)酸化，使用時間長，有出色的防腐蝕功能，能有效抑制氫氣產(chǎn)生，降低火災(zāi)風(fēng)險。

3切削刀具的選擇

加工鋁合金的刀具通常也適合于鎂合金的加工。但是，由于鎂的切削力小，熱容量也相當(dāng)?shù)?，故其加工刀具?yīng)當(dāng)具有較大的外后角、較大的走屑空隙、較少的刀刃數(shù)和較小的前角。對于數(shù)控車刀而言要選擇較大主偏角，較小的刀尖圓角。另外，所選刀具還要保證刀具的各個表面平滑。

1）數(shù)控銑削刀具選擇

鎂合金數(shù)銑刀具的幾何參數(shù)應(yīng)適當(dāng)減少刀片數(shù)量，保證足夠大的后角。以增加容屑空間，減少刀具與工件已加工表面的摩擦，減小切削熱。當(dāng)加工批量大時，通常優(yōu)選硬質(zhì)合金刀具，其使用期限長，可以抵消較高的初始成本，滿足經(jīng)濟合理性的要求。本次研究選擇三刃硬質(zhì)合金立銑刀進行試驗。

2）數(shù)控車削刀具選擇

數(shù)控車削加工鎂合金時，刀具盡可能選擇大的刀桿橫截面尺寸，較短的長度尺寸提高刀具的強度和剛度，減小刀具振動;選擇較大主偏角（大于75°）;精加工時選用無涂層刀片及小的刀尖圓弧半徑;盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化刀具。本次研究選擇外圓車刀、內(nèi)孔車刀、切槽車刀、鉆頭進行試驗。

4切削參數(shù)的選擇

合理選擇切削參數(shù)，直接關(guān)系切削過程中能否發(fā)揮刀具材料和刀具參數(shù)的應(yīng)有作用。鎂合金易于加工，可以采用高速大進給量進行切削，以提高生產(chǎn)效率。對鎂合金切削影響最大的為轉(zhuǎn)速和進給量，切深對切削溫度影響較小[3]。由于鎂合金較鋁合金更易加工，在選擇切削參數(shù)時，優(yōu)先參考成熟的鋁合金加工切削參數(shù)。在鋁合金切削加工的基礎(chǔ)上，通過改變切削參數(shù)，尋求更優(yōu)的鎂合金加工切削參數(shù)。

1）數(shù)控銑削參數(shù)

硬質(zhì)合金立銑刀在加工不同材料時，轉(zhuǎn)速和進給量將發(fā)生變化，但切深和切寬變化較小，根據(jù)刀具廠家推薦：粗加工時，推薦切寬為0.5～1D（D為刀具直徑），推薦切深為0.3～0.5D;精加工時，推薦切寬為0.5～1D，切深0.1～0.5mm。因此，在此次鎂合金切削參數(shù)試驗中，將切寬、切深兩個參數(shù)固化，主要研究轉(zhuǎn)速和進給量的影響。銑床型號為：LGMazak VTC-16A。試驗選擇φ12、φ10、φ8、φ6、φ3、φ2七種常見硬質(zhì)合金立銑刀進行研究。

2）數(shù)控車削參數(shù)

常用車刀有外圓車刀、內(nèi)孔車刀、切槽車刀等。本研究以鋁合金粗、精加工切削參數(shù)為基礎(chǔ)，增大轉(zhuǎn)速和進給，并作為變量。試驗車床為：CK1463。

五、試驗結(jié)論及分析

在不同切削參數(shù)下，分析切削噪音、尺寸精度、零件表面質(zhì)量等參數(shù)，篩選出合理的鎂合金銑削參數(shù)（如表1所示），鎂合金車削參數(shù)（如表2所示），能夠有效指導(dǎo)鎂合金數(shù)控銑削和數(shù)控車削加工生產(chǎn)。

六、工序間腐蝕防護

鎂合金零件的加工過程涉及多道工序，當(dāng)零件數(shù)量較多時，工序與工序之間的間隔時間就會很長。試驗證明，鎂合金長期暴露于空氣中會發(fā)生腐蝕，并隨時間的增加腐蝕深度與腐蝕面積都會成倍增加。因此鎂合金加工工序間，需要采取合理保護措施，避免造成零件腐蝕。目前常用的防護方法有：防銹油浸泡、油紙包裝、干燥袋包裝、抽真空包裝等。

將加工后的腐蝕防護樣件完全吹干后，分別進行自然放置、油紙包裝、浸防銹油、干燥袋包裝、抽真空包裝處理，觀察樣件腐蝕情況效果如表3。

鎂合金零件工序間、周轉(zhuǎn)腐蝕防護方法的選擇，可以根據(jù)存放時間進行選取。若存放時間為一天以內(nèi)，可完全吹干后直接放置于泡沫箱內(nèi)，勿沾水;若存放日期超過一天，可吹干后放置在干燥的塑料袋內(nèi)或用紗紙包好，減少與空氣接觸。長期存放則必須浸泡防銹油或抽真空包裝。

七、結(jié)論

通過對鎂合金材料（MB15）機械加工工藝的研究和探索，從刀具、切削液的選用、切削參數(shù)等方

面確定了適合鎂合金的機械加工工藝方法，并對鎂合金生產(chǎn)安全及工序間周轉(zhuǎn)防護提出了解決措施。試驗加工的鎂合金樣件尺寸精度能夠穩(wěn)定達(dá)到IT9級，滿足通常機箱類產(chǎn)品的設(shè)計需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《中國航空材料手冊第2版》第3卷.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.P483

[2] H Schulz，M Kaufeld.High speed milling of thin walled components of aluminium and magnesium alloys.European Production Engineering，1988：41-48

[3]章宗城.鎂與鎂合金的切削加工，工具技術(shù)，2005（39）：82-87

（作者單位：中國電子科技集團公司第二十九研究所）