不同铣削参数对镁合金（AZ31B）表面质量的影响规律研究

马浩骞，常星星，陈卫林，吴杰

（安徽天航机电有限公司，安徽 芜湖 241000）

0 引言

镁合金AZ31B的加工在机械加工领域中较为广泛，其最佳加工参数的选择有利于达到最佳质量，并减少成本和时间。航空航天和汽车工业领域倾向于减轻机载的整体质量，通过结构上使用轻质材料来减轻质量，可以提高燃油效率，因此越来越多的人开始研究比铝更轻的元素，在这个方面，由于镁合金具有高刚度、高强度、低密度，其密度比铝轻30%～40%，比钢轻70%～80%，具有良好的可循环性和可加工性[1-3]，而且硬度相对较低，对加工刀具的磨损较小。目前复合材料占据航空航天制造的大部分领域，在轻量化镁合金中，铸造镁合金如AZ系列合金是目前市场上使用广泛的代表，其系列合金元素主要由镁、铝、锌组成，自身拥有优良的性能[4-6]。可加工性是在金属加工过程中，以较低成本加工出足够的精度，通过提高材料的表面质量可以改善材料的外观和耐腐蚀性[7-9]。

本文以镁合金切削中的主要因素（刀具前角、线速度、最大切削厚度、切削深度）为影响因子，以加工后的工件表面质量为研究目标，为减少单因素试验探究的繁琐过程，提高试验的效率，设计了四水平一因素的正交试验，采用干式铣削的加工方式，探究不同铣削参数对工件表面质量的影响规律，为镁合金切削参数的选择提供有益的借鉴。

1 实验准备

1.1 加工机床

由于镁合金AZ31B材料自身的特殊性，为防止其在加工中与切削液接触产生燃烧，整个过程采用干式铣削，同时根据工件外形特征选择合适的平口钳来固定工件，为避免刀具对工件的干涉，根据加工件四周不同面的铣削需要，本实验选择五轴加工中心UCP 800 Duro（如图1），其中图1（a）为机床机体，图1（b）为机床操作显示屏。

图1 五轴加工中心UCP 800 Duro

1.2 粗糙度测量仪

对加工后的镁合金采用气枪吹气方式去除表面的铣削微粒，并采用高精度的粗糙度测量仪Marsurf SD26进行零件加工面移动测量，通过对移动面的粗糙度进行均值求解，测量仪器及显示的界面如图2所示。

图2 Marsurf SD 26

1.3 加工工件

为更好地探究镁合金铣削加工的工艺参数，选择航空航天常用的镁合金牌号AZ31B，规格为100 mm×100 mm×50 mm的方形块，其机械加工如图3所示，通过平口钳将加工件在机床工作台上固定，选择立式铣刀进行每组参数的铣削加工。镁合金AZ31B的化学成分如表1所示。

表1 镁合金AZ31B的化学成分质量分数 %

图3 镁合金机械加工图

从表1中可以发现镁合金（AZ31B）主要由镁、铝、锌组成，自身拥有优质的性能，其力学性能参数所对应的数值如表2所示。

表2 镁合金（AZ31B）的力学性能参数

2 实验参数

保持其他加工参数的一致性，对铣削加工中的主要参数进行单因素探究，以不同的刀具前角、线速度、最大切削厚度及切削深度为影响因子，为保证所有加工参数的合理性和可操作性，根据生产加工经验进行参数筛选，试验参数数值如表2所示。

将试验参数的数值表中的刀具前角、线速度、最大切削厚度及切削深度依次进行正交试验排布，如表3所示。

表3 不同参数的正交试验

3 实验结果

通过表3不同参数的试验，依次对正方体镁合金进行不同面的平面铣削，对加工后的试验件采用平口钳将其固定装夹，实现悬空，避免探头移动干涉，同时保证测量的探针移动方向的水平，加工件及固定界面如图4所示。

图4 镁合金测量图

将16组试验的表面粗糙度依次记录，测量值如表4所示。

表4 表面粗糙度测量值

从图5（a）中可以看出：随着刀具前角的增加，表面粗糙度呈现先增加、后降低的趋势，当刀具前角为20°时，此时加工的工件表面质量相对较高，可达到Ra0.5 μm的表面粗糙度，实现精加工状态。由图5（b）可以发现，随着切削深度的增加，表面粗糙度呈现上升的规律，铣削加工时，用较硬的刀具去除硬度相对较低的材料，其蚀除材料为机械挤压去除的方式，当切削深度增加时，单位时间内材料的去除量增加，表面的轮廓面粗糙度增加，当切削深度为12 mm，表面粗糙度最大值达Ra1.1 μm左右，在半精加工中可以优先选择此参数。由图5（c）可 以 发现：随着线速度的增加，加工件轮廓表面粗糙度也随之增加，当线速度为1800～2400 mm/s时，整体的变化率较大，在线速度小于1800 mm/s时，工件的表面粗糙度可达到Ra1.0 μm以下，可实现镁合金精加工。由图5（d）可以明显看出：镁合金铣削加工时，随着最大切削厚度的增加，表面粗糙度呈现增加的趋势，即单位时间内材料去除量增大，将导致刀具铣削的工件表面质量降低，当最大铣削厚度达0.07 mm以上时，所对应的表面粗糙度在Ra1.0～1.2 μm区间内，可实现镁合金的半精加工。

图5 不同铣削参数对表面粗糙度影响

4 结论

1）刀具前角对镁合金加工至关重要，随着刀具前角的增加，表面粗糙度呈现先增加、后降低的规律，当刀具前角为8°～16°时，表面粗糙度逐渐增加，当刀具前角为20°时，工件的表面质量相对较高，表面粗糙度为Ra0.5 μm左右，同时结合整体试验的加工情况，特殊情况下刀具前角可以优先选择负角度加工。

2）镁合金铣削加工中，随着切削深度、线速度、最大切削厚度的增加，工件的表面粗糙度也随之增加，其中切削深小于6 mm、线速度小于1800 mm/s、最大切削厚度小于0.07 mm时，表面粗糙度值均为Ra1.0 μm以下，可实现镁合金的高精度加工。