镁合金切削加工要点

镁合金切削加工要点

1．引言

自20世纪90年代初开始，国际上主要金属材料的应用发展趋势发生了显著变化，钢铁、铜、铅、锌等传统材料的应用增长缓慢，而以镁合金为代表的轻金属材料异军突起，以每年20%的速度持续增长。镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。镁合金按合金成分不同主要分为Mg-AI-Zn-Mn系、Mg-AI-Mn系和Mg-AI-Si-Mn系、Mg-AI-RE系、Mg-Zn-Zr系和Mg-Zn-RE系。

表1 镁的物理性能

密度（20℃）：1.738g/cm3；熔点：650℃；沸点：1107℃；熔化热：8.71kJ/mol；汽化热：134kJ/mol；比热熔(20℃)：102.5J/kg.K；线胀系数：25.2×10－6/K；热导率：155.5W/m.K；电阻率：44.5nΩ.m；电导率：38.6%IACS

2．镁合金的性能特点及应用现状

镁合金具有以下几方面的特点：

(1)重量轻：镁合金的比重约1.7，为锌的1/4，钢的1/5，甚至比铝合金(比重约2.7)的比重也轻1/3。

(2)镁合金具有的“高强度、重量轻”特性使其可在钢、铸铁、锌合金甚至铝合金的传统应用中取代上述材料。

(3)优良的导热性、相对于工程塑料极佳的吸震性，较佳的机械强度、抗冲击性及耐磨性。

(4)抗EMI电磁波：镁合金为非磁性金属，电磁遮蔽性能优良。

(5)尺寸稳定性高：不易因环境温度变化及时间而改变。

(6)可回收：镁合金具有100%完全回收的特性，更符合当今环保要求。

(7)机械加工特性：如果设镁切削所需动力为1，则铝是1.8，黄铜是2.3，铸铁是3.5；且比重轻，切削惯性小，可高速切削。

镁合金的主要用途在于轻量化。目前镁合金压铸品的应用产业以汽车零组件为主，约占80%以上，其次为3C产业，其它如自行车、器材工具、运动用品及航天国防也都在其应用范围之内(见表2)。

表2 镁合金的主要用途

应用产业——应用产品

汽车零件——车座支架、仪表板及托架、电动窗电机壳体、升降器及轮轴电枢、油门踏板、音响壳体、后视镜架

自行车零件——避震器零件、车架、曲柄、花壳、三/五通零件、轮圈、刹车手把

电子通讯——笔记本计算机外壳、MD外壳、移动电话外壳、投影机外壳

航天国防——航空用通信器和雷达机壳、飞机起落架轮壳

运动用品——网球拍、滑雪板固定器、球棒、射弓中段与把手

器材工具——手提电动锯机壳、鱼钓自动收线匣、控制阀、相机机壳、摄像机壳

日本镁合金产品分布统计见表3。

表3 日本镁合金产品应用统计表

信息、通讯产品77％：其中：笔记本计算机39%，数字摄影机19%，移动电话14%，数码相机5%，投影仪6%，其它电子产品17%。

汽、机车零件18%：其中：汽车零件88%，机车零件12%。

农林机械5％：其中：农林业机械41%，电动工具27%，运动用品8%，其它24%。

美国政府与三大汽车公司(Ford)、通用(GM)、克莱斯勒(Chrysler)于1993年提出

PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicles)计划，希望在2004年开发6人座省油车，以每100公里耗油3公升为目标，主要在于车体结构与动力系统的轻量化设计开发。未来可能镁合金化的汽车零件如表4所示。

表4 可以镁合金化的汽车零件

悬吊系统总成——零件名称：车轮，备用轮胎，控制臂(2个，后方)，控制臂(2个，前方)，引擎架，后方支架

内装总成——零件名称：仪表板、横梁，仪表板支架，椅背椅座，气囊零件

方向盘总成——方向盘零件

车身总成——零件名称：保险杆补强横梁，铸造车门内衬，铸造A/B柱，挡风片开关补强材，行李架，侧镜

刹车系统总成——零件名称：ABS零件，离合器/刹车踏板托架，踏板零件

电气机械零件——交流电箱，音响/EEC零件，雨刷电机，交流电/AC托架

动力系统总成——传动(阀体、箱、侧盖、启动器)，传动箱(总重量12kg的15%)，发动机组，支撑托架，罩套(油/水泵，机车马达)，汽缸盖，吸气歧管，引擎支架，油盖，前盖

3．镁合金加工的问题

基于以上优异的特性，使镁合金在未来发展中具有很强的优势，更符合当代对环境保护、可持续发展的要求，是取代钢铝材的最佳选择。由于镁金属化学活性大，给镁合金零部件的加工带来一系列的问题，妨碍了镁合金的推广使用，主要体现在：

(1)极易产生电化腐蚀。在冶炼、制造上需特别注意，在防蚀处理上也较其它金属困难。因此，为了使镁合金的应用更加广泛，对于镁合金的腐蚀机制、防蚀机制、表面处理技术及工件防蚀设计，需要有更多的处理程序。

(2)燃点低。在切削过程中必须考虑温度的影响，以防止切屑燃烧，并在加工中要采取相应的措施和条件才能真正杜绝事故的发生。

(3)工件变形的问题。镁合金的线膨胀系数比钢和铸铁大，切削热、温差等因素都会直接影响镁合金零件的精度，需要在选择加工余量、刀具几何参数、切削用量以及工装夹具的设计、检测方法的选择等方面有很好的措施。

4．切削加工技术要点

4.1 加工过程中防锈措施

零件应整齐排放在指定的库位，不允许接触地面；存放零件的地方应采取防潮措施；用布蘸汽油擦拭涂有防锈油的零件表面，吹干后才能进行加工；全部化学处理工序，即启封、氧化和涂漆工序应记录在过程卡上；零件启封后到投人加工不得超过15昼夜；零件经过划线后，氧化膜会被破坏，因此划线应在最后氧化前进行；采用干式切削加工，不得用润滑油和冷却液冷却，加工螺纹时允许用机油润滑冷却；全部机械加工工序应在最后氧化之前进行，特殊情况下，允许最后氧化后进行个别机械加工。零件的全部锐角应倒圆，以获得最好的保护；从机械加工去氧化膜开始，每隔10昼夜进行氧化处理。

4.2 零件表面后续防锈处理

(1)表面预清洗(前处理)：镁合金产品经由压铸或锻造等程序，其表面易混人氧化物、润滑剂、油脂等污染物，因此前处理的目的在于清洁镁合金表面以利后续处理。主要用两种方法

清洗:①机械清洗，以不同研磨、粗抛光、干式及湿式磨蚀喷射等方式达到要求的表面粗糙度；②化学清洗，以溶剂清洗、碱洗、酸洗，造成其不同的表面状态。

(2)钝化处理：钝化处理是利用金属表面与溶液间的非电解化学反应产生不溶解、无机盐表面薄膜，其目的除了可提高耐蚀能力外，其钝化膜亦可作为涂装之基底，以增加涂装的附着力。

(3)阳极化处理：阳极处理可产生阳极氧化膜，大幅提升耐蚀能力；产生金属光泽质感，具备美观装饰作用，其氧化膜也作为后续涂装基底，增加涂装的附着力。如果能在后续封孔处理得好，生成的致密氧化层可提高表面硬度及抗蚀性。

(4)电镀处理：利用电镀技术可改变镁合金材料表面颜色、外观，以达到所需之功能性及装饰性目的。一般在考虑提高电镀层附着力时，会在电镀处理前进行数次打底的前置处理，如锌置换、铜置换、无电镀镍等。

(5)金属覆层：金属覆层可进一步防蚀及增加表面机械性质、硬度，从而达到在特殊环境条件下最终选择轻量化镁合金的目的。

4.3 镁合金加工过程中防止燃烧的措施

(1)日常管理过程中的措施

在规定的场地加工镁合金零件，工作现场需整洁、明亮、通风。要及时清理工作现场的镁屑，不准在机床旁边堆放切屑，而应在厂房外指定专用容器放置切屑。每台加工机床旁应配置干粉灭火器或灭火用的干沙。

(2)技术规范措施

选择合适的切削用量和刀具几何参数，尽量避免小于0.05mm的吃刀深度，保持刀具的锋利和断续切削状态，避免产生薄的带状切屑。

(3)设备环境措施

尽可能采用干式高速切削，不使用冷却液，空气自然冷却，配置冲水排屑装备。由于遇水的镁合金粉末容易产生氢气，所以生产加工时尽可能使用矿物油(严禁使用酸性切削剂)，对于油类切削液的机床需具有防漏设计。另外，在清除镁屑时，尽可能不要接触水。

4.4 减少零件加工过程变形的措施

镁合金切削力小，切削能耗低，切削过程中发热少，切屑易断，刀具磨损小，寿命显著延长，因此，加工镁合金可进行高速、大切削量切削，这在一定程度上抵消了镁合金价格较高

的弱点。原则上任何刀具材料，包括普通碳素钢都可以用于加工镁合金，大批量切削加工时，一般选用硬质合金刀具，金刚石刀具主要用在表面质量要求较严的情况，车削镁合金一般也选用金刚石刀具。但镁合金燃点低(650℃)，在加工中必须用矿物油进行强力冷却，并把镁的切屑迅速从加工区运走。另外，高速切削时，镁合金有粘结刀具表面形成积屑瘤的情况。降低变形的措施主要有以下几方面：

(1)技术规范：将粗加工与精加工分开，在粗加工阶段去除大部分余量，对框架类镁合金零件，特别是薄壁类零件，可以采取粘贴阻尼材料的方法降低加工时的切削振动变形。考虑加工过程减震处理，减小切削余量和温差。粗加工与精加工工序间安排人工或者自然时效及相应的回火热处理，以尽可能释放零件内部应力，减小加工后变形。

(2)合理的刀具几何参数：采用大前角，一般γ=20°～30°，粗加工取较小值，精加工时

α=10°～15°,λs=60°～75°。大的刃倾角可增加切削力。同时，要考虑后刀面的磨损对切削力的影响，因此，控制后刀面的磨损保持刀具的锋利程度也是降低切削力的有效办法。主偏角对切削力有直接的影响，减小主偏角、增大切削深度与走刀量的比值对切削区内的散热有很好的作用。一般主偏角Hγ=30°～45°。

(3)选择适合的切削用量：采用高速铣削技术进行加工，切削热基本都由切屑带走，也可以适当选择大走刀量、大切削深度。

5．结语

镁合金正在从一般结构铸造件向着高性能轻合金结构框架、精密复杂应用条件的方向发展，正在由军工向着民用不断推广，同时加工技术向数控化、高速化、自动化技术方向发展，向材料制备与构件成形同时制造的方向发展；制造技术向信息化、数字化及设计一制造一体化方向发展。我国镁合金制造技术正处在一个新的变革时代，它将为新一代工业与民用设备的研制提供更先进的材料与制造技术。

高速切削加工技术对镁合金应用具有及其重要的意义。综述影响镁合金高速切削加工的4个关键要素：切削刀具、切削液、切削参数和走刀路线。对4个关键要素进行讨论，总结出刀具、切削液的选用原则，合适的切削参数组合。最后指出镁合金高速切削加工的发展方向及有待解决的问题。

关键词

高速切削;镁合金;切削参数

镁合金被称为“21世纪绿色结构材料”.具有低密度、高比强、高比刚度、减振性和磁屏蔽性，良好的机械加工性能，加工后可以获得高的表面质量.对环境无污染.可回收性能好。符合环保要求，在汽车、电子通信、国防军事、航空航天等工业领域具有广泛的应用。镁合金的高速切削加工研究不多，由于其加工的特殊性。对加工安全防护等方面提出了许多新的要求。

1931年德国物理学家萨洛蒙(Carl·J·Salomon)提出了高速加工的理论：切削速度超过某一临界值时切削温度开始下降，切削力也随之降低。随后高速加工技术在工业发达国家得到迅速发展。20世纪80年代。商品化的超高速切削机床在美国、德国、日本投人使用，开创了高速加工时代。当今，高速切削加工技术(High Speed Cutting，简称HSC)作为机加工最重要的先进制造手段正受到越来越多制造部门的青睐。高速切削与常规切削相比具有明显的优点.具体体现在以下几个方面：1)加工时间减少60%～80%，加工成本降低20%-40%;2)进给速度提高5-10倍，材料去除率提高3-6倍;3)刀具耐用度提高70%;4)表面粗糙度R。可达8-10 μm;5)加工余热被切屑带走，工件表面温度降低95%以上;6)热变形、热膨胀减小，积屑瘤、鳞刺、表面残余应力和加工硬化受到抑制;7)切削力减少约30%，适宜加工细长、复杂薄壁零件。

刀具对机械加工的影响

①刀具材料的影响。镁加工刀具材料的选择取决于所需完成的机加工量。小批量加工时，一般使用寿命特别长的普通碳钢刀具；大批量加工时，通常优先选用镶嵌硬质合金的刀具；当加工批量大和公差要求很严时，可以使用成本较高的镶金刚石刀头来省去繁琐的复位补偿调整工作。

②刀具设计的影响。加工钢和铝的刀具通常也适合于镁合金的加工。但是，由于镁的切削力低，热容量也相当低，故其加工刀具应当具有较大的外后角、较大的走屑空隙、较少的刀刃数和较小的前角。另外，保

证刀具的各个表面很平滑也是十分重要的。

③刀具刃磨的影响。对镁进行机械加工的一条重要原则是，应当使刀具保持尽可能高的锋利和光滑程度，必须没有划伤、毛剌和卷刃。如果刀具切削过其它金属，即使切削角没有改变，也应进行重新刃磨和珩磨。

刀具初磨可采用中等粒度的砂轮，然后用精细粒度的砂轮进行刃磨，并在必要时再用细油石或超细油石进行手工珩磨。对于高速钢刀具，采用100目的氧化铝砂轮进行精磨即可获得满意的效果；对于刃磨镶嵌硬质合金的刀具，一般采用320目的碳化硅砂轮或200-300目的金刚石砂轮。

2.切削液对机械加工的影响

切削液有两大功能即冷却和润滑。由于镁的散热速度很快，可使被加工表面保持在较低的温度水平上，此外，镁的易切削性使其不易与钢发生胶合，切削加工时一般不需要润滑，因此在加工镁合金时往往并不需

要切削液。通常小批量生产或简单加工都将选用干式加工，这样成本会更低而且比较干净。

只有在镗深孔时可能需要用切削液进行润滑，在进给速度和切削速度很高时或大批量生产时也最好用切削

液来进行冷却。

加工镁合金时，无论用高速或低速，用或不用切削液，都可以获得平滑的加工表面，而使用切削液主要是为了冷却工件，尽可能减少发生扭曲变形以及减少切屑着火的可能性。因此在镁的机械加工中，切削液一般被称作冷却液。在生产批量很大时，冷却液是延长刀具寿命的因素之一。