AZ91D镁合金的切削加工性能

2013-08-16刘胤，焦刚，刘军，姜伟

机械工程材料 2013年7期

刘胤，焦刚，刘军，姜伟

（航天科工惯性技术有限公司，北京100074）

0 引言

镁合金作为已使用的密度最小的金属，具有比强度和比刚度高、阻尼减振降噪能力强、电磁屏蔽性能优异、切削加工和热成形性好的特点，并且其对煤油、汽油和矿物油具有较强的化学稳定性和易于回收利用等优点，近年来在航空航天、交通运输、电子、化工和冶金等行业得到了广泛应用［1－2］。镁合金的切削加工性能良好［3］，可以采用较高的切削速度、较大的切削深度和进给速度进行加工，但其切屑易燃烧，这是镁合金切削加工过程中必须考虑的关键问题。目前的研究多从镁合金切屑防燃方面定性分析切削参数的选择原则，没有通过试验分析参数对切削过程的影响。镁合金主要分为变形镁合金（MB），铸造镁合金（ZM）和压铸镁合金（YM）［4］。AZ91D属于铸造镁合金，主要依靠压力模具铸造辅以后续加工而制成所需工件，其特点是强度高、耐腐蚀性好。为了提高镁合金切削加工的安全性及工件表面质量，作者基于某基础科研成果，以广泛应用的镁合金AZ91D为例，对比分析了精车过程中切削参数对切屑断屑性能、切屑形态及工件表面质量的影响，期望为镁合金的加工提供参考和借鉴。

1 试验方法

试验用AZ91D镁合金为铸造毛坯料，热处理状态T6，其名义化学成分和物理、力学特性如表1和表2所示。

表1 AZ91D镁合金的名义化学成分（质量分数）Tab.1 Nominal chemical composition of AZ91Dmagnesium alloy（mass）%

表2 试验用AZ91D镁合金的物理、力学性能Tab.2 Physical and mechanical properties of tested AZ91Dmagnesium alloy

切削试验在C620A型车床上进行，采用镶嵌硬质合金刀头的车刀，前角15°，后角15°，卷屑槽形状为全圆弧型，切削过程采用干切削方式，工件材料尺寸为φ76mm×100mm，在固定刀具角度的前提下，按照表3所示的5种切削工艺进行精密车削。切削完成后，对于每种切削工艺下的工件，随机选取5处加工表面，采用TR200型袖珍表面粗糙度仪测其表面粗糙度Ra，并求平均值，测量精度0.01μm。

表3 不同切削工艺下的切削参数Tab.3 Cutting parameters under different cutting processes

2 试验结果与讨论

由表4和图1可知，随着切削参数的不同，镁合金切屑的形态和工件表面质量有很大区别。在刀具角度及背吃刀量一致（ap＝0.5mm）的前提下，在切削速度vc为66.819m·min－1的低速阶段，进给量较大，切屑变形严重，呈C形挤裂状，切屑短且厚，切屑外表面呈锯齿状，内表面有裂纹，该类切屑的加工硬化程度严重，断屑性能良好，工件的表面粗糙度Ra较低；在切削速度为107.388m·min－1的中速阶段，进给量适当降低，切屑呈螺卷状且较厚，切屑内表面光滑，外表面呈毛茸状，切屑折断长度具有规律性，断屑性能良好，工件的表面粗糙度也较低；在切削速度为169.434m·min－1的较高速阶段，切屑变形小，塑性大，切屑呈长带状且较薄，表面较光滑，断屑性能差，在加工过程中缠绕在车刀切削刃周围，破坏已加工面的表面质量，Ra最大。由此可知，镁合金作为塑性材料，在常规切削速度范围内，随着切削速度的提高、进给量的降低，切屑形状由C形挤裂切屑逐渐变成带状切屑，由短厚屑逐渐变成长薄屑，切屑变形减小，断屑性能逐渐变差，从而验证了常规切削中切削速度对切屑变形的影响规律，以及对切屑类型、变化规律和切屑卷曲、折断的规律［5］。

表4 切削工艺对切屑形态及工件表面质量的影响Tab.4 Effects of cutting parameters on chipmorphology and workpiece surface quality

此外还可发现，在切削速度较低（66.819m·min－1）及进给量一定的前提下，随着背吃刀量的减小，切屑形状由C形变成了粉末状，同时切屑的长度减小；在切削速度较高（107.388m·min－1）、进给量一定时，随着背吃刀量的增大，切屑形状仍为螺卷状，但切屑薄而窄。在工艺d的切削参数下，切削区域的排屑能力差，粉末状切屑通过车刀主切削刃在卷屑槽内堆积，逐渐挤压流向已加工的工件表面，并划伤工件表面；而此时的切屑为粉末状，随着切削的继续进行，切屑在加工区域内堆积，热量无法散发，极易引起燃烧。在工艺e的切削参数下，切削区域的排屑能力较强，切屑通过车刀卷屑槽直接排出切削区域，加速了切削区域的热量散失，工件表面质量高。

图1 不同切削工艺下切屑的形态Fig.1 Shape of chips at different cutting parameters：（a）process a；（b）process b；（c）process c；（d）process d and（e）process e

因此，在本试验条件下，精车阶段的最佳工艺参数为vc＝107.388m·min－1，f ＝0.09mm·r－1，ap＝0.1mm。

由图2可见，刚从镁合金棒上切削下来的切屑表面光亮，无氧化腐蚀现象发生，大气腐蚀后呈淡灰色，而水腐蚀后的切屑表面呈深灰色，表面有明显的点蚀现象。可见，镁合金加工工序间的防护工作极其重要。故而，镁合金工件在工序间存放时，宜用乙醇或丙酮清理表面后，喷涂缓蚀剂或浸入煤油中或存放于干燥箱内保存，干燥温度保持在80℃左右，以防止水分、氧气等腐蚀性介质对镁合金的腐蚀［4］，或采用工序间化学氧化处理［6］。

图2 镁合金新切屑及腐蚀后的形貌Fig.2 Morphology of new and corrosed magnesium alloy chips

基于上述试验分析及切削加工工艺要求，对某新型产品结构件进行精车加工（表面粗糙度要求为Ra≤0.8μm）。在精加工余量范围内，采用加工参数vc＝107.388m·min－1，f＝0.09mm·r－1，ap＝0.5mm进行切削，去除粗加工的高应力表层［7］，在保持切削速度和进给量不变的情况下，将背吃刀量控制在0.1mm，进行一至两次精细车削，车削过程中切屑断屑性能良好，表面粗糙度稳定控制在Ra≤0.8μm范围内，满足设计要求。