镁合金AZ31B低温冷却（液态CO2）切削加工技术

时立民

（天水师范学院 机电与汽车工程学院，甘肃 天水 741001）

镁合金AZ31B低温冷却（液态CO2）切削加工技术

时立民

（天水师范学院 机电与汽车工程学院，甘肃 天水 741001）

镁合金化学活性大、膨胀系数大以及耐腐蚀性能差，导致镁合金零件已加工表面质量低，切削加工过程易发生起火，甚至爆炸。在借鉴低温切削技术最新研究成果的基础上，提出了镁合金AZ31B低温冷却（液态CO2）切削加工技术。综合分析了镁合金AZ31B低温冷却（液态CO2）切削加工技术的国内外研究及应用状况，并对这一技术中几个关键技术进行了阐述。

低温冷却；镁合金AZ31B；液态CO2；切削加工

1　镁合金的应用前景

镁合金是最轻的金属结构材料，其密度为1.75～1.85g/cm2，其高比性能（高轻度、重量轻），有利于飞行器降低自重；优良的导热、导电性，有利于飞行器将受到各种辐射和磨擦而产生的热量传导出去；很好的尺寸稳定性在对要求零部件形状和精度严格的飞行器上更是大有用武之地；电磁屏蔽性好，可在卫星等航天器上用作精密通讯设备的防护外壳，可满足航空航天等高科技领域对材料的诸多要求，大大改善了飞行器的气体动力学性能并明显减轻结构重量。[1-2]

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。目前，镁合金在强击机、直升机、导弹、卫星等产品上逐步得到推广和应用。例如：ZM6铸造镁合金已经用于制造直升机尾减速机匣、歼击机翼肋等重要零件；MB25稀土高强镁合金已代替部分中强铝合金，在强击机上获得应用。我国航空航天领域对减重的迫切需求为镁合金新材料的开发与切削加工技术提供了机遇与挑战。

2　镁合金在切削加工中的技术难题

镁合金化学活性大，给镁合金零部件的切削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：

2.1在镁合金干式切削过程中，由于镁合金的线性膨胀系数较大，干式切削过程产生的切削力、切削热甚至刀具磨损容易引起镁合金工件的变形，导致加工精度降低；同时由于镁合金的燃点低，切削过程产生的切削热容易导致切屑燃烧，引起火灾（见图1），引发重大安全问题。

图1　燃烧后的干式切削镁合金机床

图2　腐蚀的镁合金零件

2.2由于镁合金的化学性质活泼，使用常规切削液容易导致镁合金零件已加工表面、加工机床受到腐蚀（见图2），同时镁合金与水发生反应释放大量的氢气和热量，极端情况下会引起爆炸；采用矿物油切削液加工镁合金，在一定程度上可避免发生燃烧事故和镁合金零件表面/加工机床被腐蚀，然而矿物油存在冷却/清洗效果差、成本高、本身容易燃烧等问题，同时，镁合金工件的加工表面在一定程度仍然受到腐蚀，进而降低了工件表面质量。[3]

飞机在飞行中，尤其在起飞和着陆的时候，都要承受强烈的冲击载荷，在这种周期性的极端条件下，工件的加工表面质量缺陷对飞机零部件的使用性能影响很大，比如飞机零部件的耐磨性和疲劳强度大幅度下降,从而显著地缩短了零件的使用寿命，其安全性受到很大影响。因此，如何优化镁合金材料切削工艺，提高切削加工效率、切削加工安全性、工件已加工表面完整性，实现镁合金的高效、安全、绿色切削加工，成为生产中面临的重要问题。

3　低温切削技术在难加工材料中的应用及研究状况

随着航天航空业的迅速发展，新型难加工材料和新的切削加工技术不断被推出，在此背景下，低温切削技术愈来愈受到国内外学者和航空航天制造企业的重视。[5-6]Hong等采用液氮冷却方式进行不锈钢、铝合金、钛合金切削试验，试验结果表明低温冷却可有效降低切削温度、切削力，改善刀具-切屑间的摩擦状况，延长刀具寿命，提高工件已加工表面质量。[7-8]Sun和Bermingham等[9-10]通过低温切削钛合金Ti6Al4V试验，发现切削温度降低，切屑厚度减小但锯齿形化明显且有规律。苏宇等进行了低温MQL（Minimal Quantity Lubrication）高速切削研究，认为低温MQL对切削区域良好的降温效果减少了润滑油因高温效果而蒸发，提高了润滑作用，进而延长了刀具寿命。[11-12]Kumar等在铣削淬硬钢时采用液氮进行冷却润滑，发现与干式切削相比，切削温度降低高达60%，刀具磨损降低34%.[13-14]袁松梅、章振翔、孟春、S.Zhang等也进行了高强度钢、不锈钢、钛合金和高温合金的低温切削实验研究，得到了类似的结论。[15-20]上述研究从试验角度对刀-屑间的摩擦、切屑形态进行了分析，然而对于低温切削时大温度梯度下切屑-刀具间的摩擦特性尚缺乏深入的基础研究。目前，国内对于镁合金在液态CO2低温冷却条件下的切削加工研究尚未见报道。

Hong等进行低温切削钛合金Ti6Al4V试验，发现虽然液氮低温作用不能促进钛合金切屑的折断，但是其低温作用降低了切削温度，延长了刀具寿命。[21]Paul等认为在切削钛合金Ti6Al4V过程中液氮低温作用有效抑制了刀具前刀面的月牙洼磨损和后刀面磨损，在切削速度为70m/min，刀具寿命提高3倍多，但是在切削速度较高条件下刀具寿命变化不大。[22-23]Khan等针对刀杆冷却系统进行改进并进行不锈钢切削试验，发现与常规切削相比，采用液氮冷却时刀具寿命提高了近4倍，同时发现在低温条件下切削速度和进给量可大幅提高，进而提高了切削效率。[24]Kumar等研究表明在切削钛合金Ti6Al4V时液氮低温冷却作用降低了切削温度61%～ 66%，切削力降低35%～42%，刀具磨损降低39%，从而有效提高了刀具寿命；[25]在切削1045钢时，分别采用液态CO2和液氮作为冷却液进行了对比试验，发现切削温度和切削力均降低，但是在液态CO2冷却润滑条件下刀具磨损情况改善明显。[26]德国的Machai等采用二氧化碳低温冷却方式进行钛合金Ti-1023切削试验，认为二氧化碳低温可降低刀具磨损，但不能抑制切削过程中的化学反应。[27]Bermingham等进行钛合金Ti6Al4V的液氮低温冷却和高压冷却的切削试验研究，指出液氮低温冷却和高压冷却效果一样，可有效降低刀具磨损，延长刀具寿命。[28]F.Pusave进行轴承钢AISI52100的液氮低温切削试验，指出刀具寿命可提高370%，同时工件已加工表面的残余拉应力降低。[29]然而，上述工作未对低温切削时刀具的摩擦特性、磨损机理进行深入研究，仅通过低温切削试验对刀具磨损形式、磨损状态和刀具寿命进行定量分析，具有一定的局限性。

Venugopal等进行钛合金Ti-5Al-5Mo-2Sn-V低温切削试验，指出低温切削可降低刀尖磨损，改善工件已加工表面质量。[30]Dhar等发现在切削AISI-4037钢时液氮冷却可有效降低表面粗糙度、提高加工精度（相对于干式和湿式切削）。[31]Machai等在切削钛合金Ti-1023时发现，低温切削降低了工件表面的毛边尺寸，抑制了已加工表面硬化层的生成，但是不能抑制切削过程中化学反应的发生。[32]Jawahir等对低温切削镁合金AZ31B、钛合金Ti6Al4V和镍基合金Inconel718时的表面完整性进行了研究，研究结果表明低温切削降低工件表面粗糙度，提高工件表面微观硬度，同时指出在刀具刃口半径增大可降低工件已加工表层的晶粒尺寸，进而获得残余压应力，从而提高零件的使用性能。[33-38]由此可见，上述研究仅从试验角度研究了低温切削时工件表面残余应力、表面硬度和表层微观组织变化规律，而对于上述变化的根本原因未进行进一步研究；对于已加工表面完整性与表面质量缺陷关系方面的研究尚未见报道。

4　镁合金AZ31　B低温冷却（液态CO2）切削加工技术

镁合金AZ31B低温冷却（液态CO2）切削加工技术是指针对镁合金AZ31B，利用液态CO2低温冷却，达到改善切削条件的一种低温冷却切削技术。通过液态CO2（-37°C）低温切削技术可改善刀-屑间的摩擦、延长刀具寿命，提高加工表面质量和加工效率，而且对环境无任何污染（液态CO2应用后直接挥发成气体后返回到大气中），是具有广泛应用前景的绿色切削工艺。但是，切削区域由于切削热和液态CO2冷却作用导致表面存在较大的温度差，而如此陡的温度差会加剧加工表面缺陷的形成，降低已加工表面质量，进而降低零部件的使用寿命。在《中国制造2025》中，将“大型轻量化整体及高强金属结构制造技术”作为“航空航天”重点领域的技术路线之一。因此，研究镁合金低温冷却（液态CO2）切削加工工艺，对实现镁合金高效、安全、绿色切削具有重要的科学意义和使用价值。

5　镁合金AZ31　B低温冷却（液态CO2）切削加工技术中的几个关键问题

5.1液态CO2低温冷却对镁合金AZ31B收缩性、耐腐性表征

液态CO2低温作用导致镁合金AZ31B产生收缩现象，改变了镁合金的力学性能，增加了工件材料硬度和密度，进而改变了镁合金AZ31B的耐腐蚀能力，如何建立低温条件下的镁合金AZ31B的收缩模型、进而确定耐腐蚀性能的表征模型是关键问题之一。

5.2低温冷却状态下切削镁合金AZ31B时切屑-刀具间的摩擦特性

在镁合金AZ31B切削过程中，一方面由于液态CO2的低温冷却作用，另一方面切削时又会产生一定的切削热，在这种极端的热-力耦合条件下的切屑-刀具间（第二变形区）的摩擦特性很难准确地利用数学公式表达。因此，如何能够准确而真实地反应大温度梯度效应下切屑-刀具间的摩擦特性，又适宜用数值求解的摩擦模型是关键问题之二。

5.3揭示镁合金AZ31B液态CO2低温切削条件-表面完整性-表面缺陷映射规律

在切削过程中，液态CO2喷射到切削区域，由于液-气相变作用，导致切削区域温度急剧降低；切削过程中的剧烈塑性变形及摩擦又产生了切削热，在这急冷急热的条件下切削区域的镁合金发生了淬火效应，不仅改变了已加工表面完整性，甚至引起表面缺陷。如何确定低温条件与表面完整性、表面缺陷之间的映射关系，进而建立镁合金低温切削条件-表面完整性-表面缺陷关系描述模型这是关键问题之三。

[1]钟皓,刘培英,周铁涛.镁及镁合金在航空航天中的应用及前景[J].航空工程与维修,2002,(4):41-42.

[2]赵鸿,孟庆鑫,肖波,等.镁合金应用的发展趋势及切削加工要点[J].工具技术,2005,39(6):30-33.

[3]徐关庆,林建彬.镁合金在切削加工过程中容易出现的问题与对策[J].材料应用,2011,(3):32-36.

[4]魏树国,马光锋.低温加工及其应用[J].现代制造工程,2003, (12):116-119.

[5]YAKUP YILDIZ,MUAMMER NALBANT.A review of cryo genic cooling in machining processes[J].International Jour⁃nal of Machine Tools&Manufacture,2008,48(9):947-964.

[6]江雪,李淑娟.浅谈难加工材料的低温切削[J].机械工程与自动化,2011,(1):216-216.

[7]Z.ZHAO,S.Y.HONG.Cooling strategies for cryogenic ma chining from a materials viewpoint[J].Journal of materials engi⁃neering and performance,1992,1(5):669-678.

[8]SHANE Y.HONG,DING Y,WOO-CHEOL JEONG.Friction and cutting forces in cryogenic machining of Ti-6Al-4V[J]. International Journal of Machine Tools&Manufacture,2001, 41(15):2271-2285.

[9]S.SUN,M.BRANDT,M.S.DARGUSCH.Machining Ti-6Al-4V alloy with cryogenic compressed air cooling[J].Journal of Ma⁃chine Tools&Manufacture,2010,50(11):933-942.

[10]M.J.BERMINGHAM,J.KIRSCH,S.SUN,S.PALANISAMY,M. S.DARGUSCH.New observations on tool life,cutting forces and chip morphology in cryogenic machining Ti-6Al-4V[J]. Journal of Machine Tools&Manufacture,2011,51(6):500-511.

[11]Y.SU,N.HE,L.LI,et al.an experimental investigation of effects of cooling/lubrication conditions on tool wear in highspeed end milling of Ti-6Al-4V[J].Wear,2006,261(7-8): 760-766.

[12]Y.SU,N.HE,L.LI,et al.refrigerated cooling air cutting of difficult-to-cut materials[J].International journal of machine tools&manufacture.2007,47(6):927-933.

[13]S.RAVI,M.PRADEEP KUMAR.Experimental investiga tions on cryogenic cooling by liquid nitrogen in the end mill⁃ing of hardened steel[J].Cryogenics,2011,51(9):509-515.

[14]G MANIMARAN,MP KUMAR,R VENKATASAMY.Influ ence of cryogenic cooling on surface grinding of stainless steel 316[J].Cryogenics,2014,59(1):76-83.

[15]袁松梅,刘晓旭,严鲁涛,刘强.高强钢铣削中微量润滑技术效果的试验分析[J].北京航空航天大学学报,2009,2 (35):179-182.

[16]严鲁涛,袁松梅,刘强.绿色切削高强度钢的刀具磨损及切屑形态[J].机械工程学报,2010,46(9):187-192.

[17]王秋成,章振翔,林琼.液氮喷雾切削加工0Cr18Ni9不锈钢的实验研究[J].低温工程,2012,(1):46-50.

[18]孟春,李淑娟.液氮低温切削钛合金实验研究[J].机械工程师,2012,(3):30-32.

[19]牛阿慧,李淑娟,刘刊,于俊达.液氮低温切削加工对高强度钢加工表面的效果[J].机械设计与制造,2013,(7):147-149.

[20]S.ZHANG,J.F.LI,Y.W.WANG.Tool life and cutting forces in end milling Inconel 718 under dry and minimum quantity cooling lubrication cutting conditions[J].Journal of cleaner production,2012,(32):81-87.

[21]SHANE Y.HONG,IREL MARKUS,WOO-CHEOL JEONG. New cooling approach and tool life improvement in cryogen⁃ic machining of titanium alloy Ti-6Al-4V[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2001,41(15):2245-2260.

[22]K.A.VENUGOPAL,S.PAUL,A.B.CHATTOPADHYAY.Tool wear in cryogenic turning of Ti-6Al-4V alloy[J].Cryogenics, 2007,47(1):12-18.

[23]K.A.VENUGOPAL,S.PAUL,A.B.CHATTOPADHYAY.Growth of tool wear in turning of Ti-6Al-4V alloy under cryo⁃genic cooling[J].Wear,2007,(262):1071-1078.

[24]AHSAN ALI KHAN,MIRGHANI I.AHMED.Improving tool life using cryogenic cooling[J].Journal of Materials Process⁃ing Technology,2008,196(5):149-154.

[25]M.DHANACHEZIAN,M.PRADEEP KUMAR.Cryogenic turning of the Ti-6Al-4V alloy with modified cutting tool in⁃serts[J].Cryogenics,2011,51(1):34-40.

[26]B.DILIP JEROLD,M.PRADEEP KUMAR.Experimental comparison of carbon-dioxide and loquid nitrogen cryogenic coolants in turning of AISI 1045 steel[J].Cryogenics,2012,52 (1):569-574.

[27]CHRISTIAN MACHAI,DIRK BIERMANN.Machining of ti tanium-alloy Ti-10V-2Fe-3Al under cryogenic conditions: Cooling with carbon dioxide snow[J].Journal of Materials Processing Technology,2011,211(6):1175-1183.

[28]M.J.BERMINGHAM,S.PALANISAMY,D.KENT,M.S.DAR GUSCH.A comparison of cryogenic and high pressure emul⁃sion cooling technologies on tool life and chip morphology in Ti-6Al-4V cutting[J].Journal of Materials Processing tech⁃ nology,2012,(212):752-765.

[29]M.BICEK,F.DUMONT,C.COURBON,F.PUSAVEC,J.RECH, J.KOPAC.Cryogenic machining as an alternative turning pro⁃cess of normalized and hardened AISI 52100 bearing steel [J].Journal of materials processing technology,2012,(212): 2609-2618.

[30]K.A.VENUGOPAL,R.TAWADE,P.G.PRASHANTH,S.PAUL,A.B.CHATTOPADHYAY.Turning of titanium alloy with TiB2-coated carbides under cryogenic cooling[C].Proceed⁃ings of the Institution of Mechanical Engineers,Part B:Jour⁃nal of Engineering Manufacture,2003,217(12):1697-1707.

[31]N.R.DHAR,M.KAMRUZZAMAN.Cutting temperature,tool wear,surface and dimensional deviation in turning AISI-4037 steel under cryogenic condition[J].International Jour⁃nal of Machine Tools&Manufacture,2007,(47):754-759.

[32]C.MACHAI,H.ABRAHAMS,D.BIERMANN.Machining of β-Titanium under Cryogenic Conditions:Process Cooling by CO2-Snow[C].Proceedings of the First Conference of the GermanAcademicSocietyforProductionEngineering (WGP),2011:109-120.

[33]Z.PU,J.C.OUTEIRO,A.C.BATISTA,O.W.DILLON,D.A.PULEO,I.S.JAWAHIR.Surface Integrity in Dry and Cryogenic Machining of AZ31B Mg Alloy with Varying Cutting Edge Radius Tools[C].Procedia Engineering,2011,(19):282-287.

[34]F.PUSAVEC,H.HAMDI,J.KOPAC,I.S.JAWAHIR.Surfaceintegrity in cryogenic machining of nickel based alloy-Inconel 718[J].Journal of Materials Processing Technology,2011,211 (4):773-783.

[35]Z.PU,J.C.OUTEIRO,A.C.BATISTA,O.W.DILLON,D.A.PULEO,I.S.JAWAHIR.Enhanced surface integrity of AZ31B Mg alloy by cryogenic machining towards improved function⁃al performance of machined components[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2012,56:17-27.

[36]DOMENICO UMBRELLO,FABRIZIO MICARI,I.S.JAWA HIR.The effects of cryogenic cooling on surface integrity in hard machining:A comparison with dry machining[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2012,61(1):103～106.

[37]G.ROTELLA,O.W.DILLON,JR.D.UMBRELLO,L.SETTIN ERI,I.S.JAWAHIR.The effects of cooling conditions on sur⁃face integrity in machining of Ti6Al4V alloy[J].Int J Adv Manuf Technol,2014,71:47-55.

[38]F.PUAVEC,E.GOVEKAR,J.KOPAC,I.S.JAWAHIR.The in fluence of cryogenic cooling on process stability in turning operations[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2011, 60(1):101-104.

〔责任编辑张明霞〕

TH16

A

1671-1351（2016）05-0009-04

2016-06-11

时立民（1978-），男，甘肃清水人，天水师范学院机电与汽车工程学院副教授，硕士。

甘肃省教育厅研究生导师项目“复杂曲面高速磨削头的研制”（1209-4）阶段性成果