鎂合金（AZ31B）銑削加工工藝參數(shù)的試驗(yàn)研究

常星星，馬浩騫，袁讓兵，李林朕

（安徽天航機(jī)電有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

隨著科技與國防實(shí)力的不斷發(fā)展，航空航天事業(yè)正如火如荼地大力創(chuàng)新，一系列新型材料被廣泛應(yīng)用于高科技領(lǐng)域。其中應(yīng)用較多的如鈦合金、高溫合金、鎳基合金和鎂合金等等，它們特有的物理屬性和使用性能成為人們熱衷的研究課題，作為綠色輕量化的材料代表鎂合金被廣泛研究，范磊等[1-3]對ZK61M鎂合金車削加工的工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)切削的深度對切削力的影響最為顯著，同時(shí)采用低溫切削比常溫切削可以得到更好的表面質(zhì)量。錢景行等[4-6]針對AZ31B鎂合金低溫切削進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究，探究切削速度、切削厚度、刀刃半徑的增加與表面粗糙度之間的關(guān)系，為提高工件加工的表面質(zhì)量提供指導(dǎo)方向。馮鑫等[7-9]通過鎂合金加工進(jìn)行二維、三維的建模，分析切削量對加工后的切屑及溫度的影響規(guī)律，并用線性回歸對實(shí)驗(yàn)的參數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)仿真及實(shí)驗(yàn)的影響結(jié)果。

為進(jìn)一步揭示不同的銑削加工參數(shù)對彎矩、轉(zhuǎn)矩及工件表面粗糙度的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)綠色、輕量化加工，即加工無需切削液排屑及冷卻，采用干式的銑削方式，在零部件加工中刀具保護(hù)和生產(chǎn)安全、效率提升方面實(shí)現(xiàn)雙贏，為后續(xù)鎂合金在制造領(lǐng)域上粗加工、半精加工及精加工提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.1 加工機(jī)床

關(guān)于鎂合金銑削的試驗(yàn)機(jī)床采用五軸加工中心UCP 800 Duro，優(yōu)越的刀庫裝置可以滿足零部件的車、銑、鉆等加工方式。其機(jī)體與操作界面如圖1所示。

圖1 五軸加工中心UCP 800 Duro

1.2 切削力測量儀器

為保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)加工中軸向力測量的穩(wěn)定性，選擇Spike無線測力刀柄，其整體的工作狀態(tài)如圖2所示，當(dāng)電腦、刀柄、機(jī)床形成連接后，使用測量軟件“Tool Measurement”進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和保存，為準(zhǔn)確地分析采集曲線中所隱含的數(shù)據(jù)信息，使用與之匹配的分析軟件“Spike_Tool Analyser”，將測量的數(shù)據(jù)圖樣導(dǎo)入分析軟件中，對分析的原始圖進(jìn)行分離處理，并對所有的采集點(diǎn)進(jìn)行均值提取。

圖2 Spike無線測力刀柄

1.3 加工工件

為更好地探究鎂合金銑削加工的工藝參數(shù)，選擇航空航天常用的鎂合金牌號（AZ31B），規(guī)格為100 mm×100 mm×50 mm的方形塊，其機(jī)械加工如圖3所示，通過平口鉗將加工件在機(jī)床工作臺固定，選擇立式銑刀進(jìn)行每組參數(shù)的銑削加工。

圖3 鎂合金機(jī)加圖

1.3.1 化學(xué)成分

鎂合金（AZ31B）的化學(xué)成分如表1所示。

表1 鎂合金（AZ31B）的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.3.2 力學(xué)性能

鎂合金（AZ31B）其優(yōu)越的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表2 鎂合金（AZ31B）的力學(xué)性能參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)方案

保持其他加工參數(shù)的一致性，對銑削加工中的主要參數(shù)進(jìn)行單因素探究，以不同的刀具前角、線速度、最大切削厚度及切削深度為影響因子，為保證所有加工參數(shù)的合理性和可操作性，根據(jù)生產(chǎn)加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)篩選，如表3所示。

表3 試驗(yàn)參數(shù)數(shù)值表

對表3的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)的排布，如表4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為探究銑削加工中刀具前角、線速度、最大切削厚度、切削深度對鎂合金加工所產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩、彎矩的影響規(guī)律，借助Spike無線測力刀柄對每組試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，“Tool Measurement”原始采集圖如圖4所示，原始圖為轉(zhuǎn)矩、彎矩?cái)?shù)據(jù)的混合顯示，方便觀察轉(zhuǎn)矩、彎矩各自變化的趨勢和規(guī)律，為進(jìn)一步揭示轉(zhuǎn)矩與彎矩各自的數(shù)值規(guī)律，通過后臺軟件操作將原始圖進(jìn)行拆分顯示。

圖4 Tool Measurement數(shù)據(jù)采集圖

通過上述采集的轉(zhuǎn)矩、彎矩圖可以發(fā)現(xiàn)，在銑削加工時(shí)，刀具從進(jìn)入工件到加工完成后刀具離開，每組采集的數(shù)據(jù)有明顯的變化趨勢，為了使試驗(yàn)數(shù)值結(jié)果更加精確，對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，根據(jù)試驗(yàn)的組號對每組彎矩和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

表5 轉(zhuǎn)矩、彎矩均值表

圖5（a）為刀具前角對彎矩、轉(zhuǎn)矩的影響圖，由圖可知：隨著刀具前角的增大，轉(zhuǎn)矩變化較為明顯，在刀具前角為12°時(shí)，轉(zhuǎn)矩值最大；彎矩呈現(xiàn)先降低、后增大的趨勢，同時(shí)在刀具前角為16°時(shí)，所對應(yīng)的彎矩、轉(zhuǎn)矩最小，當(dāng)?shù)毒咔敖窃?6°～20°區(qū)間內(nèi)，兩者的變化趨勢較為緩慢。圖5（b）為線速度對彎矩、轉(zhuǎn)矩的影響圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：隨著銑削加工中線速度的增大，轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)先急劇降低、后增大的變化趨勢，在線速度為2400 mm/s時(shí)，轉(zhuǎn)矩值最小，同時(shí)彎矩出現(xiàn)拐點(diǎn)，其值可達(dá)到18.5 N·m。通過對加工后鎂合金表面質(zhì)量及整體加工現(xiàn)狀分析可知，此加工狀態(tài)下，加工效率高，排屑效果好。圖5（c）為最大切削厚度的影響對銑削加工彎矩、轉(zhuǎn)矩的影響圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：隨著最大切削厚度的增加，彎矩值整體呈現(xiàn)上升的趨勢，當(dāng)最大切削厚度在0.06～0.07 mm區(qū)間內(nèi)，變化較為緩慢，同時(shí)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)先增大、后降低、再增大的趨勢，對加工后的工件進(jìn)行測量及整體加工狀態(tài)的分析，在滿足精加工的粗糙度要求下，最大切削厚度0.08 mm為其極限值。圖5（d）為切削深度對彎矩、轉(zhuǎn)矩的影響圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：隨著切削深度的增加，銑削加工彎矩、轉(zhuǎn)矩均出現(xiàn)增大的趨勢，且變化的程度相似。

圖5 不同參數(shù)對試驗(yàn)的影響圖

4 結(jié)論

由于鎂合金的化學(xué)性能活潑，為防止在加工過程中氧化燃燒，鎂合金零件不得使用潤滑油和冷卻液，同時(shí)為保證鎂合金零部件加工性能良好，可以采用較大的進(jìn)刀量和高速切削，當(dāng)線速度為2400 mm/s時(shí)，轉(zhuǎn)矩值最小，同時(shí)彎矩出現(xiàn)拐點(diǎn)，其值的大小可達(dá)到18.5 N·m。在滿足精加工的粗糙度要求下，最大切削厚度0.08 mm為其極限值，在加工過程中使用的刀具必須銳利，在合適的范圍內(nèi)可以優(yōu)先選用較大的前角，并且隨著刀具前角的增大，轉(zhuǎn)矩變化較為明顯，在刀具前角為12°時(shí)，轉(zhuǎn)矩值最大并且彎矩呈現(xiàn)先降低、后增大的趨勢，同時(shí)在刀具前角為16°時(shí)，所對應(yīng)的彎矩、轉(zhuǎn)矩最小，結(jié)合整體試驗(yàn)的加工情況，特殊情況下刀具前角可以選擇負(fù)角度加工。