镁合金机械加工技术

2018-02-17蔡成德

现代制造技术与装备 2018年8期

蔡成德

（四川九洲电器集团有限责任公司，绵阳 621000）

引言

近年来镁合金在航空航天和军工领域得到了广泛的应用，镁合金具有密度小、比强度大等特点。在加工过程中有许多优点：切削性能良好，易获得高的表面质量。本文详细阐述了镁合金材料特性、加工参数等一系列过程，最终摸索出了镁合金材料加工时的最佳切削参数选择及防止变形等系列措施。

1 材料简介

1.1 材料特性分析

本文选用镁合金AZ31B-H112作为实验基材，此材料具有以下几点特性：

（1）密度小，约1.78g/cm3；

（2）耐蚀性差，与空气中的氧形成的氧化膜不致密，不能保护内部金属不再腐蚀；

（3）易燃，镁属于一级易燃品，加之切屑薄而小，因此切削时产生的高温极易引燃镁屑起火。

1.2 零件加工及防护难点分析

（1）镁合金性质活泼，在加工过程中易腐蚀及氧化；

（2）镁合金刚度较铝合金低，加工过程中易产生变形；

（3）镁合金材质较软，刀具铣削时易产生粘刀现象。

2 切削加工及相关参数优化

2.1 工艺流程设计

根据零件的特点，选择铣削的加工方法来进行腔体的加工。由于腔体内部结构复杂，尺寸精度要求较高，选用数控高速铣床（HSM700）来进行零件的加工。

2.2 工艺参数优化

2.2.1 切削液的优化选用

根据研制方案，研究组采购了新美科公司的CX-R810切削液和汉高公司的P3-multan73-30Mg切削液，对比发现两组样件的加工精度、表面粗糙度均相差不大。

2.2.2 防变形工艺参数优化

本文选用的腔体类零件结构复杂，壁厚较薄，材料刚度较低，在装夹、铣削方式等因素作用下，易发生加工变形，后续去应力热处理需采用专用热处理设备进行。经参研人员分析，实施的防变形控制措施为：

（1）选择大的平面作为定位面，使零件与垫板间有效接触面积增大，确保零件定位面与基准面自然、致密贴合，提高接触刚度；

（2）对刚性较差的薄壁零件采用超定位方式定位，在刚性簿弱处增加支撑或工艺筋，以提高零件的工艺刚度；

（3）在零件刚性好的方向施加夹紧力，并且作用于刚性好的表面上。

2.3 刀具参数优化

2.3.1 刀具材料的选择

对于镁合金而言，刀具材料的选用主要取决于切削量。通过普通碳素钢刀具、硬质合金钢刀具、金刚石三种刀具试验对比分析发现，普通碳素钢刀具加工后的窄槽边缘出现明显毛刺与卷边，刀具升温明显，且加工后零件表面粗糙度明显不如硬质合金铣刀，而金刚石刀具主要用于精密和超精密加工，且采购成本较高。综合考虑以上因素，确定选用硬质合金刀具。

2.3.2 刀具刃数的选择

所加工的零件均为腔体类零件，内腔壁薄，且功放腔体和接收激励腔体尺寸较大，材料去除率大，又能带走大量的切削热，因此选用2刃铣刀比较合理。

2.3.3 刀具几何参数的选择

镁合金切削力小，热容量低，加工时刀具的参数需根据其切削加工特性进行合理的选择和设计。刀具主要参数为螺旋角ω、前角γ、后角α，对材料性能和零件结构进行了分析，确定刀具几何参数为：螺旋角ω取值为45°，前角γ取值为25°，后角α取值为15°。

2.3.4 刀柄的选择

分析固夹紧式、热膨胀夹紧式、液压夹紧式和弹性夹紧四种刀柄对刀杆、刀具式的夹紧方式发现，液压夹紧式和弹性夹紧式均满足要求，但阻尼减震性能成本较高，因此选用弹性夹紧式刀柄进行加工。

2.3.5 主轴转速参数优化

该参数优化的主要目的是寻找主轴转速最佳值。以径向切深为定值，主轴转速和进给速度为变值，通过试制对比确定最优主轴转速值，当主轴转速在8000r/min时，加工处出现严重接刀痕，零件表面温度较高，且出现粘刀现象，零件表面质量较差；随着主轴转速的增加，刀具运行渐平稳，零件表面状况逐渐改善，转速提高至18000r/min时，加工处表面状况逐渐变好，零件表面粗糙度达Ra1.6；继续提高转速至20000r/min以上，加工精度降低，表面粗糙度实测值为Ra6.3～Ra12.5，确定精加工主轴转速为18000r/min左右。

2.3.6 进给速度参数优化

随着切削速度和铣刀转速的提高，进给速度相应提高，势必减小每刃进给量。经试制发现，当每刃进给量小于刀尖圆弧半径时，将会切削困难，出现表面质量降低、振动等现象，确定进给速度为3000mm/min。

2.3.7 径向切深参数优化

加工发现当径向切深大于1.5mm时，零件加工处出现明显振纹现象，振纹高度达0.2mm～0.3mm；径向切深趋近于1mm时，振纹现象有所改善，振纹高度控制在0.1mm以下；继续减小切深时，刀具出现打滑现象，表面质量明显下降，且切屑变为薄片状，同时高速切削下产生的热使刀具出现了粘刀现象，选用径向切深ae=1mm。