汽車鎂合金件加工中全合成切削液的應用

■清華大學天津高端裝備研究院 （天津 300300） 劉騰飛 馬 璞 王亞丹 周 玥

■清華大學摩擦學國家重點實驗室 （北京 100084） 戴媛靜

中級工程師 劉騰飛

從汽車輕量化發展看，大量采用輕質材料是目前汽車輕量化發展的主要方向。鎂合金具有比鋁合金更小的密度和更高的強度，此外，其降噪、減振性好、易散熱且電導率高，預計鎂合金壓鑄件將逐漸替代鋁合金成為未來汽車輕量化的主要趨勢。2006年戴姆勒-克萊斯勒公司發布了鎂密集輕量化概念車身和概念車，該項目通過在車身和底盤中大量使用鎂合金，使整車質量減輕了20%，從技術與經濟的角度驗證了鎂合金在汽車減重中的可行性。然而，由于鎂合金化學性質活潑、熔點低，切削加工時易粘刀并產生腐蝕變色，甚至發生燃燒，制造加工的困難也會制約它的廣泛使用、提升它的使用成本。通過合理的選擇和使用切削液可以有效的改善鎂合金的加工難題。

1. 鎂合金加工中切削液的種類選擇

切削液一般分為油基型和水基型兩類。油基型切削液又稱切削油，潤滑、防銹性能良好，但冷卻、清洗性能較差，用于鎂合金切削時易導致切屑粘刀，甚至發生燃爆，現已很少使用。水基切削液根據基礎油含量的不同，可分為乳化液、半合成型及全合成型三種，其主要成分見表1。

由表1可知，乳化液、半合成型切削液均含基礎油，需添加乳化劑建立油-水體系平衡，屬于熱力學不穩定體系；全合成型切削液不含基礎油，選用水溶性添加劑，屬于熱力學穩定體系。三種切削液成分的差異，使其具有不同的使用性能，分別適用于不同的加工工藝。

（1）乳化液、半合成型切削液 乳化液和半合成液由于潤滑性較好、價格較低，已基本替代切削油，在金屬加工中廣泛使用。但用于鎂合金的加工中存在以下問題。

乳化液和半合成液切削區冷卻性能較差，不能有效降低加工區域溫度，容易導致粘刀現象，加速刀具磨損，縮短刀具壽命，甚至發生燃燒。

表1 水基切削液主要成分

乳化液和半合成液清洗性能相對較差，不利于排屑，易使切屑劃傷已加工工件表面，導致粗糙度變大；同時，易在工件和機床表面粘附。

在切削加工中，鎂合金與水反應生成大量鎂離子，容易使陰離子型乳化劑、極性添加劑等組分產生失效，導致切削液失穩、加工性能下降等不良影響；且析出物易粘附于工件表面，產生沾污。

（2）全合成型切削液 全合成型切削液不含基礎油，不含乳化劑，屬于熱力學穩定體系，相比于乳化液和半合成液，筆者認為全合成型切削液更適用于鎂合金切削加工，其使用特點如下。

冷卻性能良好，可迅速降低切削區溫度，降低刀具磨損，延長刀具使用壽命。

表面活性成分含量高，清洗性能良好，排屑能力強，不會在機床及工件表面大量粘附。

穩定性能良好，即便在高硬水環境中仍能保持體系穩定，不易產生析出物。

平衡配方，形成低泡、高滲透性性體系，更易進入加工區域，提供有效的潤滑與清洗。

由于鎂合金的切削加工過程會產生大量的鎂離子，鎂離子屬于硬水離子，會顯著影響切削液的黑色金屬防銹性和有色金屬緩蝕性。因此筆者開發了一款全合成型鎂合金切削液，進一步加強了對鎂合金的緩蝕性和抗硬水能力，配方組成示意見表2。

表2 全合成型鎂合金切削液配方組成

經測試，自研的全合成型鎂合金切削液對鎂合金緩蝕效果優異，100°DH硬水中仍能維持鎂合金A Z91D的無銹和光澤如新；而鑄鐵切屑的防銹實驗表明：60°D H以內均能保持優異的黑色金屬防銹性；水基體系的穩定性測試表明：體系能在至少100°DH人工硬水中保持穩定，無析油/析皂，具體數據見表3。

表3 全合成型鎂合金切削液的抗硬水各項性能

采用實驗室銑床（見圖1）對AZ91D鎂合金工件進行高速銑削試驗，參數如下：線速度150m/min；齒進給量0.075mm/tooch；切削深度0.2mm；銑刀φ12mm，4齒；平面銑。測試結果表明：加工后鎂合金試件表面光潔，表面質量良好，放置15天后無目視可見腐蝕變色，說明該自研全合成鎂合金切削液具有優異的潤滑性能和防銹性能（見圖2）。

圖1 HAAS數控銑床及加工區域

圖2 銑削后工件表面和銑削后放置15天工件表面

2. 全合成切削液在鎂合金汽車零部件加工中的應用

下面以鎂合金發動機缸體、鎂合金發動機缸蓋和鎂合金輪轂為例，說明全合成切削液在鎂合金汽車零部件加工中的應用。

（1）鎂合金發動機缸體 作為動力來源，發動機被稱為汽車的心臟，缸體質量高低直接決定了發動機性能的優劣。汽車缸體結構復雜，對氣缸結合面粗糙度及尺寸公差等要求極其嚴格，往往經過十幾道工序才能完成，加工精度是決定缸體質量的關鍵。相比于使用鋁合金，鎂合金缸體可減重14%。在鎂合金缸體加工中，由于材料的特殊性，存在著刀具易粘結磨損、加工表面質量差的問題，主要原因是切削區域溫度過高。一般，刀具磨損過程可分為三個階段，如圖3所示。

初期磨損階段，刀具微觀表面的凸起及毛刺等被磨平；隨后進入正常磨損期，此時刀具切削性能良好，磨損量小，加工表面質量高，為刀具的有效工作階段；在快速磨損期，切削力增大，切削溫度急劇升高，刀具磨損量迅速增大，甚至發生熔融，直至報廢。

在鎂合金缸體加工中，為保證加工精度，一般使用硬質合金刀具，其耐高溫性好，1 000℃下仍可保持高硬度，但鎂合金熔點較低，高溫時切屑易與刀具發生粘結，縮短刀具壽命，并影響工件表面質量，為避免該問題，應降低切削區域溫度，并及時排屑。相比于乳化液和半合成液，全合成液滲透冷卻性好，可迅速帶走大量切削熱，降低切削區溫度；同時，其良好的清洗性有利于及時排屑，減少切屑在加工區域的積累，這些都能有效降低粘刀現象的發生，減緩刀具磨損，同時避免切屑流向工件已加工表面，造成劃傷和粗糙度增大。

（2）鎂合金發動機缸蓋 缸蓋是汽車發動機主要部件之一，位于發動機頂端，作用是密封缸體并為潤滑油及冷卻水提供通道。缸蓋內部分布著水道、油道、進氣管、出氣管等，結構復雜，如圖4所示。

圖3 刀具磨損過程

圖4 發動機缸蓋結構

發動機缸蓋要求具有良好的密封性及清潔度，其中清潔度直接影響了發動機的排放、振動及輸出功率等重要性能。由于缸蓋內孔隙眾多，內部的清潔度難以保證，經機加后需要使用清洗機甚至定點清洗刀具進行清洗。若使用乳化液或半合成液作為冷卻潤滑介質，會存在以下問題。

冷卻、排屑性差，導致工件表面質量差、精度低，從而降低缸蓋密封性。

清洗性較差，油污或切屑粘附在工件表面及孔隙中，降低缸蓋清潔度。

體系穩定性差，乳化劑等陰離子型添加劑與加工過程中產生的Mg2+結合，體系平衡被破壞、形成析油/析皂，基礎油或皂類吸附在缸蓋表面及孔隙中，進一步降低清潔度且不易清洗。

全合成切削液具有高滲透性，冷卻、清洗性能優異，且體系穩定、更耐硬水，能更好的滿足鎂合金發動機缸蓋的高精度密封性和高清潔度的加工要求。

（3）鎂合金輪轂 鎂合金強度高且彈性模量大，具有良好的阻尼系數，用它來制作輪轂，減振量優于鋁合金和鑄鐵，可明顯提升汽車行駛過程中的安全性及平穩性。從輕量化方面考慮，鎂合金輪轂比鋁合金輪轂可減重22%，比合金鋼輪轂可減重50%，具有優異的質量減輕效果。

輪轂銑削加工包括粗加工和精加工，以某鍛造鎂合金輪轂C N C加工工藝為例，刀具直徑40mm，加工參數見表4。

粗加工時，主軸轉速低，但進給量較大，此時單位時間內去除量高，產生的切屑多，排屑慢；在第三次精加工時，主軸轉速高，進給量小，單位時間內去除量低，但此時切屑厚度薄，變形小，塑性大，不易斷裂，纏繞在刀具周圍，破壞已加工工件表面質量。無論粗加工還是精加工，都對切削液的冷卻性和排屑能力有較高要求。

表4 某鍛造鎂合金輪轂CNC加工工藝

在輪轂加工中，除銑削外，還涉及到孔加工、螺紋加工等工藝。孔加工及螺紋加工時，刀具被切削材料包裹，鎂合金彈性模量高，刀具與工件接觸部位縫隙小，排屑困難，不易散熱，且排屑方向與刀具進給方向相反，阻礙切削液進入加工區域。此時，對切削液的要求是易排屑、高滲透性。

此外，輪轂精加工后一般后續還需進行表面陽極化、噴涂等工藝處理，要求表面無粘附、無腐蝕，乳化液及半合成液易產生析出物吸附在工件表面，且粘附物中的酸性或堿性物質易造成鎂合金腐蝕發黑。

鑒于以上加工特點和難點，在鎂合金輪轂加工中，應使用排屑能力好、滲透性強、穩定且不易產生析出物的全合成鎂合金切削液。

3. 結語

全合成切削液具有良好的冷卻性、清洗性、滲透性和硬水穩定性，在平衡配方兼具潤滑性和腐蝕緩蝕性的基礎上，將其用于汽車鎂合金零部件的加工中，可帶來高效的冷卻、潤滑、清洗效果，延長刀具使用壽命的同時，提升加工工件的表面質量，且有利于改善工件的清潔度、減小后道清洗壓力。全合成切削液在鎂合金零部件加工中的應用，有助于新能源汽車輕量化制造，將來還會得到更廣泛的應用。