基于正交試驗的壓鑄鎂合金AM60B切削試驗研究*

賀生明，李 寧

（榆林職業(yè)技術學院，陜西榆林719100）

鎂合金由于比重僅為鋁合金的2/3、鋼或鑄鐵的1/4 ，具有比強度和比剛度高，阻尼減振降噪性能好等優(yōu)異的綜合性能，被廣泛應用于汽車、航空、電子、化工和冶金等領域[1-5]。2018年全球鎂產量約為97.5萬噸，中國占全球鎂產量的85%，消費量約為42.5萬噸，隨著鎂合金的廣泛應用，鎂合金的切削加工得到了高度的重視和研究，鎂及鎂合金的切削加工性能良好[6]，可以采用較高的切削速度、較大的切削深度和進給速度進行加工[7]，但鎂合金切削時切屑容易燃燒，目前的研究多從鎂合金的切屑防止燃燒以及切削液的選用進行切削速度、進給量、背吃刀量的選擇，很少有研究者進行試驗分析切削參數(shù)對切削鎂合金過程的影響。本文基于正交試驗的方法，以壓鑄鎂合金AM60B為例，分析了切削參數(shù)對切削斷屑性能、切屑形態(tài)、工件表面質量的影響，為該材料的機械切削加工提供了相應的加工工藝方案，為機械切削鎂合金產品提供了參考和借鑒。

1 試驗條件

1.1 試驗所用鎂合金材料

本試驗材料為鎂合金AM60B，其化學成分和物理、力學性能見表1和表2。

表1 AM60B鎂合金的化學成分(質量分數(shù):%)Table 1 Nominal chemical composition of AM60B magnesium alloy

表2 試驗用AM60B鎂合金的物理、力學性能Table 2 Physical and mechanical properties of tested AM60B magnesium alloy

切削試驗采用CY-K6150型數(shù)控車床，車床加工精度可達IT6級，試驗所用鑲嵌硬質合金的刀具YG8,前角15°，后角10°，采用干切削方式，工件尺寸為φ150*150mm,如圖1所示，在固定刀具材料、角度的前提下，按照表3、表4數(shù)據(jù)進行正交試驗，切削完成后，對每種切削工藝參數(shù)下的工件表面隨機選擇3處，采用SRT-6210蘭泰便攜式表面粗糙度儀測量其表面粗糙度Ra，同時觀察了各參數(shù)條件下的切屑形態(tài)。

表3 切削因素水平表Table 3 Cutting factor level table

圖1 試驗工況圖Fig. 1 Test working condition diagram

2 試驗結果與討論

利用正交試驗能減少試驗次數(shù)，而且比較全面的反應各因素、各水平對指標的影響，本次正交試驗結果分析中，Ki表示任一列上水平號為i時，所對應的試驗結果之和；ki表示任一列上各水平因素結果的平均值；R為極差值，R值越大說明這個水平因素對結果指標影響越大。試驗結果見表4、表5、圖2、圖3所示。

表4 切削工藝對工件表面質量的影響Table 4 Effect of cutting parameters on workpiece surface quality

表5 切削工藝對切屑形態(tài)及工件表面質量的影響Table 5 The influence of cutting process on chip shape and workpiece surface quality

圖2 各因素對表面粗糙度的影響Fig. 2 Influence of various factors on surface roughness

圖3 不同切削工藝下切屑形態(tài)Fig.3 Shape of chips at different cutting parameters

正交試驗結果如表4與圖2所示。分析可知，各水平因素極差分析中最大極差是水平因素B，其次是水平因素C、A；表明當切削參數(shù)進給量變化時，表面粗糙度Ra波動較大，其次為背吃刀量，切削速度(主軸轉速）對表面粗糙度指標影響不大。各因素在列的差異實際上只反映該因素因水平變化的影響，由單因素的最優(yōu)水平可得出B1C2A2組合為最佳生產條件，即材料最佳切削參數(shù)為：Vc=200.363m·min-1，f=0.1mm·r-1，ap=0.8mm。

由表4、表5與圖3具體分析可見，該材料切削時斷屑性能良好；在刀具角度不變情況下，隨著切削參數(shù)的不同，切屑形態(tài)和工件表面質量也有較大變化。

切削速度在低速階段（1號）時，采用較低進給量和背吃刀量時，表面粗糙度Ra相對較小，但是容易產生粉末狀的切屑，對鎂合金防燃方面極為不利，應避免采用此種參數(shù)進行切削加工；進給量和背吃刀量較大時（3號）加工的切屑內表面裂紋嚴重，外表面呈鋸齒狀，呈擠裂切屑，加工表面質量較差。且低速階段，切屑形狀主要為擠裂或粉末狀，該類型切屑是不規(guī)則的，外表面呈鋸齒形，內表面有時有裂紋，產生的原因是它的第一變形區(qū)較寬，剪切滑移過程中滑移量較大，導致所產生的加工硬化使剪切力增加，材料局部產生破裂[8]。

切削速度在中速階段、低進給量、較大背吃刀量（4號和5號）時，該類切屑形狀為C型屑，內表面光滑，但相對較大的進給量和背吃刀量（5號），表面粗糙度Ra有所增加，表面質量下降。再繼續(xù)增加進給量（6號）時，表面質量更差，且形成了擠裂狀切屑，對加工不利。總的來說，切削速度在中速階段、低進給量、合適的背吃刀量（4號）時，切屑形狀良好，表面粗糙度Ra較低，表面質量好。

切削速度在高速階段、低進給量（7號）時，切屑形態(tài)仍表現(xiàn)出C型屑，但在中高進給量（8號、9號）時，出現(xiàn)與低速階段相同的切屑形狀，為擠裂類型，且表面粗糙度Ra也增大，表面質量變差。

綜上分析，該材料進給量對切屑形狀及表面質量影響較大。本試驗方案中在切削速度適中200.363m·min-1，保持進給量較低0.1mm·r-1，背吃刀量相對較大0.8mm時，切削條件最佳，生產效率較高。

此外還可發(fā)現(xiàn)，鎂合金的熱導率高、切削力小，無積屑瘤產生，刀具壽命長、粘力小[9]。加工鎂合金工件時，因為該材料燃點較低，干切削時須做好防火沙子等，切削產生的切屑單獨存放，做防燃處理。

3 結論

（1）通過正交試驗分析得出，在該材料切削過程中影響表面質量的主要因素是進給量，背吃刀量與切削速度影響較小。

（2）鎂合金材料切削斷屑性能良好；在精加工時，采用低的進給量、適中背吃刀量以及切削速度可獲得C形屑，切工件表面粗糙度Ra低，表面質量好。同時指出，削過程中注意避免粉末狀與擠裂切屑的產生，注意防火處理。

（3）本實驗獲得AM60B鎂合金材料最佳的試驗切削參數(shù)為：Vc=200.363m·min-1，f=0.1mm·r-1，ap=0.8mm。