高精度鑄造鎂合金殼體加工方法

王永軍，張青才，馬利民

山西平陽(yáng)重工機(jī)械有限責(zé)任公司 山西臨汾 043000

1 序言

自20世紀(jì)90年代初開始，國(guó)際上主要金屬材料的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生了變化，鋼鐵、銅和鋅等傳統(tǒng)材料的應(yīng)用增長(zhǎng)緩慢，而以鎂合金為代表的輕金屬材料異軍突起，其應(yīng)用以每年20%的速度持續(xù)增長(zhǎng)。鎂合金的密度約為1.7×103kg/m3，較鋁合金還輕1/3，其具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、吸振性、抗沖擊性和耐磨性，還具有100%完全回收的特性，更符合當(dāng)代對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的要求。但是由于鎂合金具有化學(xué)活性大、熔點(diǎn)低（650℃）、線膨脹系數(shù)大（25.2×10-6/K）等特點(diǎn)，給其零件的加工帶來(lái)了很多難題[1]：①極易產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。②加工過程中易燃燒。③在切削力和夾緊力作用下，容易產(chǎn)生較大的彈性變形，使工件不易獲得較高的加工精度。因此，有必要對(duì)鎂合金高精度、復(fù)雜殼體類零件的加工工藝進(jìn)行探索和研究。

2 零件結(jié)構(gòu)分析

紅外支架（見圖1）是我公司承接某研究所航天產(chǎn)品中重要的零件之一，材料是鑄造鎂合金ZM5[2]，其外形特殊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度較高，最薄的壁厚為3mm，外形尺寸為280mm×280mm×290mm，內(nèi)孔φ206+0.02+0mm，圓柱度0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.4μm；φ76+0.015+0mm內(nèi)孔的圓柱度0.006mm；兩側(cè)裝配面A面平面度要求0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.4μm。

圖1 紅外支架

3 工藝方案

通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，制定如下適合于鎂合金殼體加工的工藝方案，經(jīng)過實(shí)踐加工，滿足產(chǎn)品高精度加工要求。

1）為避免零件腐蝕和出于安全的考慮，加工過程中不能使用切削液，而是采用空氣冷卻的方法進(jìn)行冷卻。

2）制定合理的工藝方案，將加工分為粗加工、半精加工和精加工3個(gè)階段。粗加工階段去除大部分余量，半精加工階段將去重槽、外形中大部分的部位加工成形，精加工階段加工關(guān)鍵部位，每個(gè)階段都留有適當(dāng)?shù)那邢饔嗔浚詼p小切削力及加工中的應(yīng)力產(chǎn)生的變形[3]。

3）在半精加工之后、精加工之前安排“高低溫時(shí)效處理”，來(lái)穩(wěn)定零件的尺寸，以保證高精度尺寸及幾何精度的要求。

4）在裝夾零件的過程中，采用“打表壓緊法”對(duì)工件進(jìn)行壓緊，避免了壓緊使工件產(chǎn)生的變形，以保證裝卸前后加工尺寸一致。

4 具體實(shí)施方式

工藝方案的具體實(shí)施方式如下。

1）加工鎂合金零件的場(chǎng)地應(yīng)通風(fēng)、明亮和整潔，設(shè)備旁邊配置滅火用的干沙。采用空氣冷卻，壓力控制在0.45～0.50MPa，這樣可保證切屑及時(shí)脫離工件，帶走大量的切削熱量，從而避免引起零件的腐蝕和燃燒。

2）粗加工留量1.5mm，半精加工留量0.5mm。粗加工時(shí)需要去除大部分余量，將內(nèi)部圓弧、方槽加工成形；半精加工時(shí)將外形筋、凸臺(tái)及各槽加工成形，內(nèi)孔及A面各留量0.5mm。過薄的切屑容易使局部溫度急劇升高而造成切屑燃燒。注意最小進(jìn)給量不要小于0.05mm，精加工時(shí)分為3次走刀，余量分配為0.30mm、0.12mm和0.08mm。

3）在半精加工之后、精加工之前進(jìn)行“高低溫時(shí)效處理”，具體方法：先將零件放置在－50℃的冷凍箱中保持1h，然后將其取出，放置在100℃的烘箱中保持1h，這樣循環(huán)3次，每次交換過程不能超過1min，經(jīng)過處理后，保證了最終加工的零件尺寸穩(wěn)定不變化，滿足了圖樣設(shè)計(jì)要求。

4）由于鎂合金的彈性模量大，在切削力和夾緊力作用下，容易產(chǎn)生較大的彈性變形，所以在定位裝夾方面需要采取措施。首先選擇較好的定位基準(zhǔn)面，壓緊力需要落在定位面上，不能產(chǎn)生空點(diǎn)。然后選擇較平整的B面為定位面，將B面精加工，要求平面度0.003mm，在加工B面的同時(shí)將A面見光，與B面保持垂直。這樣加工內(nèi)孔與A面時(shí)，先將B面放在墊鐵上，B面的平整保證了定位的可靠性；隨后用小壓板從槽內(nèi)側(cè)面進(jìn)行壓緊，在擰緊螺母的過程中打表找正A面，表針應(yīng)無(wú)變化，這種狀態(tài)下，壓緊前后工件不會(huì)產(chǎn)生變形，保證了加工后的尺寸要求。紅外支架定位壓緊位置如圖2所示。

圖2 紅外支架定位壓緊位置

5）加工高精度A面時(shí)，為使切削力達(dá)到最小以減小變形，需要選擇合理的切削刀具和參數(shù)。粗加工刀具選擇φ16mm合金銑刀，前角4°，后角11°，螺旋升角30°，轉(zhuǎn)速5000r/min，進(jìn)給速度vf＝1500mm/min，這樣不僅可以提高加工效率，而且轉(zhuǎn)速大時(shí)切屑易排出，可帶走大部分熱量，使工件減小變形；精加工時(shí)，也選擇φ16mm合金銑刀，但是刀具的幾何角度發(fā)生了變化，前角7°，后角17°，螺旋升角35°，轉(zhuǎn)速8000r/min，進(jìn)給速度vf＝1000mm/min，刀具相對(duì)較鋒利，摩擦小，切削熱也小，達(dá)到了減小變形和提高加工質(zhì)量的目的。

6）加工高精度孔特別是φ206+0.02+0mm孔時(shí)，由于大孔非常易變形，所以其加工方法、刀具及切削參數(shù)的選擇對(duì)加工精度都有影響。因銑削孔效率高，鏜削孔精度高，所以綜合考慮后，確定為銑-鏜加工方案。銑孔時(shí)，選擇φ18mm合金銑刀，轉(zhuǎn)速8000r/min，進(jìn)給速度vf＝800mm/min，為后續(xù)鏜孔單邊留余量0.08mm，高轉(zhuǎn)速時(shí)不僅易排屑，而且加工效率高，使工件不會(huì)產(chǎn)生很大的變形；鏜孔時(shí)，選擇φ206mm大徑鏜刀，轉(zhuǎn)速300r/min，進(jìn)給速度vf＝15mm/min，刀尖圓角r＜0.2mm，保持刀具的鋒利，較小的徑向力使孔不產(chǎn)生變形，保證了其加工精度。

紅外支架按照以上方法加工后，各高精度面、孔表面的表面粗糙度值Ra＜0.4μm，A面的平面度達(dá)0.008mm，φ76+0.015+0mm孔圓柱度達(dá)到0.005mm，φ206+0.02+0mm孔圓柱度0.009mm，尺寸及幾何精度全部滿足圖樣要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合具體加工實(shí)例，從工藝方案、刀具選用、切削參數(shù)及加工中的注意事項(xiàng)等方面，介紹了一種高精度鑄造鎂合金材料殼體零件的加工方法[4]。通過制定加工方案和具體實(shí)施，解決了鎂合金殼體易燃易腐、變形量大的材料弊端和鑄造殼體零件壁薄厚不均、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的加工難題，完美保證了高精度加工要求，具有很強(qiáng)的操作性和指導(dǎo)性，為同類零件加工提供了解決方案和加工經(jīng)驗(yàn)。