AZ91D鎂合金的切削加工性能

2013-08-16 10:22:40劉胤，焦剛，劉軍，姜偉

機械工程材料 2013年7期

劉胤，焦剛，劉軍，姜偉

（航天科工慣性技術有限公司，北京100074）

0 引言

鎂合金作為已使用的密度最小的金屬，具有比強度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強、電磁屏蔽性能優異、切削加工和熱成形性好的特點，并且其對煤油、汽油和礦物油具有較強的化學穩定性和易于回收利用等優點，近年來在航空航天、交通運輸、電子、化工和冶金等行業得到了廣泛應用［1－2］。鎂合金的切削加工性能良好［3］，可以采用較高的切削速度、較大的切削深度和進給速度進行加工，但其切屑易燃燒，這是鎂合金切削加工過程中必須考慮的關鍵問題。目前的研究多從鎂合金切屑防燃方面定性分析切削參數的選擇原則，沒有通過試驗分析參數對切削過程的影響。鎂合金主要分為變形鎂合金（MB），鑄造鎂合金（ZM）和壓鑄鎂合金（YM）［4］。AZ91D屬于鑄造鎂合金，主要依靠壓力模具鑄造輔以后續加工而制成所需工件，其特點是強度高、耐腐蝕性好。為了提高鎂合金切削加工的安全性及工件表面質量，作者基于某基礎科研成果，以廣泛應用的鎂合金AZ91D為例，對比分析了精車過程中切削參數對切屑斷屑性能、切屑形態及工件表面質量的影響，期望為鎂合金的加工提供參考和借鑒。

1 試驗方法

試驗用AZ91D鎂合金為鑄造毛坯料，熱處理狀態T6，其名義化學成分和物理、力學特性如表1和表2所示。

表1 AZ91D鎂合金的名義化學成分（質量分數）Tab.1 Nominal chemical composition of AZ91Dmagnesium alloy（mass）%

表2 試驗用AZ91D鎂合金的物理、力學性能Tab.2 Physical and mechanical properties of tested AZ91Dmagnesium alloy

切削試驗在C620A型車床上進行，采用鑲嵌硬質合金刀頭的車刀，前角15°，后角15°，卷屑槽形狀為全圓弧型，切削過程采用干切削方式，工件材料尺寸為φ76mm×100mm，在固定刀具角度的前提下，按照表3所示的5種切削工藝進行精密車削。切削完成后，對于每種切削工藝下的工件，隨機選取5處加工表面，采用TR200型袖珍表面粗糙度儀測其表面粗糙度Ra，并求平均值，測量精度0.01μm。

表3 不同切削工藝下的切削參數Tab.3 Cutting parameters under different cutting processes

2 試驗結果與討論

由表4和圖1可知，隨著切削參數的不同，鎂合金切屑的形態和工件表面質量有很大區別。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為66.819m·min－1的低速階段，進給量較大，切屑變形嚴重，呈C形擠裂狀，切屑短且厚，切屑外表面呈鋸齒狀，內表面有裂紋，該類切屑的加工硬化程度嚴重，斷屑性能良好，工件的表面粗糙度Ra較低；在切削速度為107.388m·min－1的中速階段，進給量適當降低，切屑呈螺卷狀且較厚，切屑內表面光滑，外表面呈毛茸狀，切屑折斷長度具有規律性，斷屑性能良好，工件的表面粗糙度也較低；在切削速度為169.434m·min－1的較高速階段，切屑變形小，塑性大，切屑呈長帶狀且較薄，表面較光滑，斷屑性能差，在加工過程中纏繞在車刀切削刃周圍，破壞已加工面的表面質量，Ra最大。由此可知，鎂合金作為塑性材料，在常規切削速度范圍內，隨著切削速度的提高、進給量的降低，切屑形狀由C形擠裂切屑逐漸變成帶狀切屑，由短厚屑逐漸變成長薄屑，切屑變形減小，斷屑性能逐漸變差，從而驗證了常規切削中切削速度對切屑變形的影響規律，以及對切屑類型、變化規律和切屑卷曲、折斷的規律［5］。

表4 切削工藝對切屑形態及工件表面質量的影響Tab.4 Effects of cutting parameters on chipmorphology and workpiece surface quality

此外還可發現，在切削速度較低（66.819m·min－1）及進給量一定的前提下，隨著背吃刀量的減小，切屑形狀由C形變成了粉末狀，同時切屑的長度減小；在切削速度較高（107.388m·min－1）、進給量一定時，隨著背吃刀量的增大，切屑形狀仍為螺卷狀，但切屑薄而窄。在工藝d的切削參數下，切削區域的排屑能力差，粉末狀切屑通過車刀主切削刃在卷屑槽內堆積，逐漸擠壓流向已加工的工件表面，并劃傷工件表面；而此時的切屑為粉末狀，隨著切削的繼續進行，切屑在加工區域內堆積，熱量無法散發，極易引起燃燒。在工藝e的切削參數下，切削區域的排屑能力較強，切屑通過車刀卷屑槽直接排出切削區域，加速了切削區域的熱量散失，工件表面質量高。

圖1 不同切削工藝下切屑的形態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，在本試驗條件下，精車階段的最佳工藝參數為vc＝107.388m·min－1，f ＝0.09mm·r－1，ap＝0.1mm。

由圖2可見，剛從鎂合金棒上切削下來的切屑表面光亮，無氧化腐蝕現象發生，大氣腐蝕后呈淡灰色，而水腐蝕后的切屑表面呈深灰色，表面有明顯的點蝕現象。可見，鎂合金加工工序間的防護工作極其重要。故而，鎂合金工件在工序間存放時，宜用乙醇或丙酮清理表面后，噴涂緩蝕劑或浸入煤油中或存放于干燥箱內保存，干燥溫度保持在80℃左右，以防止水分、氧氣等腐蝕性介質對鎂合金的腐蝕［4］，或采用工序間化學氧化處理［6］。

圖2 鎂合金新切屑及腐蝕后的形貌Fig.2 Morphology of new and corrosed magnesium alloy chips

基于上述試驗分析及切削加工工藝要求，對某新型產品結構件進行精車加工（表面粗糙度要求為Ra≤0.8μm）。在精加工余量范圍內，采用加工參數vc＝107.388m·min－1，f＝0.09mm·r－1，ap＝0.5mm進行切削，去除粗加工的高應力表層［7］，在保持切削速度和進給量不變的情況下，將背吃刀量控制在0.1mm，進行一至兩次精細車削，車削過程中切屑斷屑性能良好，表面粗糙度穩定控制在Ra≤0.8μm范圍內，滿足設計要求。