基于正交試驗(yàn)的壓鑄鎂合金AM60B切削試驗(yàn)研究*

賀生明，李 寧

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)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(qiáng)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(yīng)用于汽車、航空、電子、化工和冶金等領(lǐng)域[1-5]。2018年全球鎂產(chǎn)量約為97.5萬噸，中國占全球鎂產(chǎn)量的85%，消費(fèi)量約為42.5萬噸，隨著鎂合金的廣泛應(yīng)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(jìn)給速度進(jìn)行加工[7]，但鎂合金切削時(shí)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(jìn)行切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量的選擇，很少有研究者進(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)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(zhì)量的影響，為該材料的機(jī)械切削加工提供了相應(yīng)的加工工藝方案，為機(jī)械切削鎂合金產(chǎn)品提供了參考和借鑒。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)所用鎂合金材料

本試驗(yàn)材料為鎂合金AM60B，其化學(xué)成分和物理、力學(xué)性能見表1和表2。

表1 AM60B鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù):%)Table 1 Nominal chemical composition of AM60B magnesium alloy

表2 試驗(yàn)用AM60B鎂合金的物理、力學(xué)性能Table 2 Physical and mechanical properties of tested AM60B magnesium alloy

切削試驗(yàn)采用CY-K6150型數(shù)控車床，車床加工精度可達(dá)IT6級，試驗(yàn)所用鑲嵌硬質(zhì)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(jìn)行正交試驗(yàn)，切削完成后，對每種切削工藝參數(shù)下的工件表面隨機(jī)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(shí)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(yàn)工況圖Fig. 1 Test working condition diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

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

表4 切削工藝對工件表面質(zhì)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(zhì)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(yàn)結(jié)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(dāng)切削參數(shù)進(jìn)給量變化時(shí)，表面粗糙度Ra波動較大，其次為背吃刀量，切削速度(主軸轉(zhuǎn)速）對表面粗糙度指標(biāo)影響不大。各因素在列的差異實(shí)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(chǎn)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(shí)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(zhì)量也有較大變化。

切削速度在低速階段（1號）時(shí)，采用較低進(jìn)給量和背吃刀量時(shí)，表面粗糙度Ra相對較小，但是容易產(chǎn)生粉末狀的切屑，對鎂合金防燃方面極為不利，應(yīng)避免采用此種參數(shù)進(jìn)行切削加工；進(jìn)給量和背吃刀量較大時(shí)（3號）加工的切屑內(nèi)表面裂紋嚴(yán)重，外表面呈鋸齒狀，呈擠裂切屑，加工表面質(zhì)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(nèi)表面有時(shí)有裂紋，產(chǎn)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(dǎo)致所產(chǎn)生的加工硬化使剪切力增加，材料局部產(chǎn)生破裂[8]。

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

切削速度在高速階段、低進(jìn)給量（7號）時(shí)，切屑形態(tài)仍表現(xiàn)出C型屑，但在中高進(jìn)給量（8號、9號）時(shí)，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(zhì)量變差。

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

此外還可發(fā)現(xiàn)，鎂合金的熱導(dǎo)率高、切削力小，無積屑瘤產(chǎn)生，刀具壽命長、粘力小[9]。加工鎂合金工件時(shí)，因?yàn)樵摬牧先键c(diǎn)較低，干切削時(shí)須做好防火沙子等，切削產(chǎn)生的切屑單獨(dú)存放，做防燃處理。

3 結(jié)論

（1）通過正交試驗(yàn)分析得出，在該材料切削過程中影響表面質(zhì)量的主要因素是進(jìn)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(shí)，采用低的進(jìn)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(zhì)量好。同時(shí)指出，削過程中注意避免粉末狀與擠裂切屑的產(chǎn)生，注意防火處理。

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