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镁合金切削加工要点
    1．引言
    自20世纪90年代初开始，国际上主要金属材料的应用发展趋势发生了显著变化，钢铁、铜、铅、锌等传统材料的应用增长缓慢，而以镁合金为代表的轻金属材料异军突起，以每年20%的速度持续增长。镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。镁合金按合金成分不同主要分为Mg-AI-Zn-Mn系、Mg-AI-Mn系和Mg-AI-Si-Mn系、Mg-AI-RE系、Mg-Zn-Zr系和Mg-Zn-RE系。
    表1 镁的物理性能
    密度（20℃）：1.738g/cm3；熔点：650℃；沸点：1107℃；熔化热：8.71kJ/mol；汽化热：134kJ/mol；比热熔(20℃)：102.5J/kg.K；线胀系数：25.2×10－6/K；热导率：155.5W/m.K；电阻率：44.5nΩ.m；电导率：38.6%IACS
    2．镁合金的性能特点及应用现状
    镁合金具有以下几方面的特点：
    (1)重量轻：镁合金的比重约1.7，为锌的1/4，钢的1/5，甚至比铝合金(比重约2.7)的比重也轻1/3。
    (2)镁合金具有的“高强度、重量轻”特性使其可在钢、铸铁、锌合金甚至铝合金的传统应用中取代上述材料。
    (3)优良的导热性、相对于工程塑料极佳的吸震性，较佳的机械强度、抗冲击性及耐磨性。
    (4)抗EMI电磁波：镁合金为非磁性金属，电磁遮蔽性能优良。
    (5)尺寸稳定性高：不易因环境温度变化及时间而改变。
    (6)可回收：镁合金具有100%完全回收的特性，更符合当今环保要求。
    (7)机械加工特性：如果设镁切削所需动力为1，则铝是1.8，黄铜是2.3，铸铁是3.5；且比重轻，切削惯性小，可高速切削。
    镁合金的主要用途在于轻量化。目前镁合金压铸品的应用产业以汽车零组件为主，约占80%以上，其次为3C产业，其它如自行车、器材工具、运动用品及航天国防也都在其应用范围之内(见表2)。
    表2 镁合金的主要用途
    应用产业——应用产品
    汽车零件——车座支架、仪表板及托架、电动窗电机壳体、升降器及轮轴电枢、油门踏板、音响壳体、后视镜架
    自行车零件——避震器零件、车架、曲柄、花壳、三/五通零件、轮圈、刹车手把
    电子通讯——笔记本计算机外壳、MD外壳、移动电话外壳、投影机外壳
    航天国防——航空用通信器和雷达机壳、飞机起落架轮壳
    运动用品——网球拍、滑雪板固定器、球棒、射弓中段与把手
    器材工具——手提电动锯机壳、鱼钓自动收线匣、控制阀、相机机壳、摄像机壳
    日本镁合金产品分布统计见表3。
    表3 日本镁合金产品应用统计表
    信息、通讯产品77％：其中：笔记本计算机39%，数字摄影机19%，移动电话14%，数码相机5%，投影仪6%，其它电子产品17%。
    汽、机车零件18%：其中：汽车零件88%，机车零件12%。
    农林机械5％：其中：农林业机械41%，电动工具27%，运动用品8%，其它24%。
    美国政府与三大汽车公司(Ford)、通用(GM)、克莱斯勒(Chrysler)于1993年提出PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicles)计划，希望在2004年开发6人座省油车，以每100公里耗油3公升为目标，主要在于车体结构与动力系统的轻量化设计开发。未来可能镁合金化的汽车零件如表4所示。
    表4 可以镁合金化的汽车零件
    悬吊系统总成——零件名称：车轮，备用轮胎，控制臂(2个，后方)，控制臂(2个，前方)，引擎架，后方支架
    内装总成——零件名称：仪表板、横梁，仪表板支架，椅背椅座，气囊零件
    方向盘总成——方向盘零件
    车身总成——零件名称：保险杆补强横梁，铸造车门内衬，铸造A/B柱，挡风片开关补强材，行李架，侧镜
    刹车系统总成——零件名称：ABS零件，离合器/刹车踏板托架，踏板零件
    电气机械零件——交流电箱，音响/EEC零件，雨刷电机，交流电/AC托架
    动力系统总成——传动(阀体、箱、侧盖、启动器)，传动箱(总重量12kg的15%)，发动机组，支撑托架，罩套(油/水泵，机车马达)，汽缸盖，吸气歧管，引擎支架，油盖，前盖
    3．镁合金加工的问题
    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。由于镁金属化学活性大，给镁合金零部件的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：
    (1)极易产生电化腐蚀。在冶炼、制造上需特别注意，在防蚀处理上也较其它金属困难。因此，为了使镁合金的应用更加广泛，对于镁合金的腐蚀机制、防蚀机制、表面处理技术及工件防蚀设计，需要有更多的处理程序。
    (2)燃点低。在切削过程中必须考虑温度的影响，以防止切屑燃烧，并在加工中要采取相应的措施和条件才能真正杜绝事故的发生。
    (3)工件变形的问题。镁合金的线膨胀系数比钢和铸铁大，切削热、温差等因素都会直接影响镁合金零件的精度，需要在选择加工余量、刀具几何参数、切削用量以及工装夹具的设计、检测方法的选择等方面有很好的措施。
    4．切削加工技术要点
    4.1 加工过程中防锈措施
    零件应整齐排放在指定的库位，不允许接触地面；存放零件的地方应采取防潮措施；用布蘸汽油擦拭涂有防锈油的零件表面，吹干后才能进行加工；全部化学处理工序，即启封、氧化和涂漆工序应记录在过程卡上；零件启封后到投人加工不得超过15昼夜；零件经过划线后，氧化膜会被破坏，因此划线应在最后氧化前进行；采用干式切削加工，不得用润滑油和冷却液冷却，加工螺纹时允许用机油润滑冷却；全部机械加工工序应在最后氧化之前进行，特殊情况下，允许最后氧化后进行个别机械加工。零件的全部锐角应倒圆，以获得最好的保护；从机械加工去氧化膜开始，每隔10昼夜进行氧化处理。
    4.2 零件表面后续防锈处理
    (1)表面预清洗(前处理)：镁合金产品经由压铸或锻造等程序，其表面易混人氧化物、润滑剂、油脂等污染物，因此前处理的目的在于清洁镁合金表面以利后续处理。主要用两种方法清洗:①机械清洗，以不同研磨、粗抛光、干式及湿式磨蚀喷射等方式达到要求的表面粗糙度；②化学清洗，以溶剂清洗、碱洗、酸洗，造成其不同的表面状态。
    (2)钝化处理：钝化处理是利用金属表面与溶液间的非电解化学反应产生不溶解、无机盐表面薄膜，其目的除了可提高耐蚀能力外，其钝化膜亦可作为涂装之基底，以增加涂装的附着力。
    (3)阳极化处理：阳极处理可产生阳极氧化膜，大幅提升耐蚀能力；产生金属光泽质感，具备美观装饰作用，其氧化膜也作为后续涂装基底，增加涂装的附着力。如果能在后续封孔处理得好，生成的致密氧化层可提高表面硬度及抗蚀性。
    (4)电镀处理：利用电镀技术可改变镁合金材料表面颜色、外观，以达到所需之功能性及装饰性目的。一般在考虑提高电镀层附着力时，会在电镀处理前进行数次打底的前置处理，如锌置换、铜置换、无电镀镍等。
    (5)金属覆层：金属覆层可进一步防蚀及增加表面机械性质、硬度，从而达到在特殊环境条件下最终选择轻量化镁合金的目的。
    4.3 镁合金加工过程中防止燃烧的措施
    (1)日常管理过程中的措施
    在规定的场地加工镁合金零件，工作现场需整洁、明亮、通风。要及时清理工作现场的镁屑，不准在机床旁边堆放切屑，而应在厂房外指定专用容器放置切屑。每台加工机床旁应配置干粉灭火器或灭火用的干沙。
    (2)技术规范措施
    选择合适的切削用量和刀具几何参数，尽量避免小于0.05mm的吃刀深度，保持刀具的锋利和断续切削状态，避免产生薄的带状切屑。
    (3)设备环境措施
    尽可能采用干式高速切削，不使用冷却液，空气自然冷却，配置冲水排屑装备。由于遇水的镁合金粉末容易产生氢气，所以生产加工时尽可能使用矿物油(严禁使用酸性切削剂)，对于油类切削液的机床需具有防漏设计。另外，在清除镁屑时，尽可能不要接触水。
    4.4 减少零件加工过程变形的措施
    镁合金切削力小，切削能耗低，切削过程中发热少，切屑易断，刀具磨损小，寿命显著延长，因此，加工镁合金可进行高速、大切削量切削，这在一定程度上抵消了镁合金价格较高的弱点。原则上任何刀具材料，包括普通碳素钢都可以用于加工镁合金，大批量切削加工时，一般选用硬质合金刀具，金刚石刀具主要用在表面质量要求较严的情况，车削镁合金一般也选用金刚石刀具。但镁合金燃点低(650℃)，在加工中必须用矿物油进行强力冷却，并把镁的切屑迅速从加工区运走。另外，高速切削时，镁合金有粘结刀具表面形成积屑瘤的情况。降低变形的措施主要有以下几方面：
    (1)技术规范：将粗加工与精加工分开，在粗加工阶段去除大部分余量，对框架类镁合金零件，特别是薄壁类零件，可以采取粘贴阻尼材料的方法降低加工时的切削振动变形。考虑加工过程减震处理，减小切削余量和温差。粗加工与精加工工序间安排人工或者自然时效及相应的回火热处理，以尽可能释放零件内部应力，减小加工后变形。
    (2)合理的刀具几何参数：采用大前角，一般γ=20°～30°，粗加工取较小值，精加工时α=10°～15°,λs=60°～75°。大的刃倾角可增加切削力。同时，要考虑后刀面的磨损对切削力的影响，因此，控制后刀面的磨损保持刀具的锋利程度也是降低切削力的有效办法。主偏角对切削力有直接的影响，减小主偏角、增大切削深度与走刀量的比值对切削区内的散热有很好的作用。一般主偏角Hγ=30°～45°。
    (3)选择适合的切削用量：采用高速铣削技术进行加工，切削热基本都由切屑带走，也可以适当选择大走刀量、大切削深度。
    5．结语
    镁合金正在从一般结构铸造件向着高性能轻合金结构框架、精密复杂应用条件的方向发展，正在由军工向着民用不断推广，同时加工技术向数控化、高速化、自动化技术方向发展，向材料制备与构件成形同时制造的方向发展；制造技术向信息化、数字化及设计一制造一体化方向发展。我国镁合金制造技术正处在一个新的变革时代，它将为新一代工业与民用设备的研制提供更先进的材料与制造技术。

　高速切削加工技术对镁合金应用具有及其重要的意义。综述影响镁合金高速切削加工的4个关键要素：切削刀具、切削液、切削参数和走刀路线。对4个关键要素进行讨论，总结出刀具、切削液的选用原则，合适的切削参数组合。最后指出镁合金高速切削加工的发展方向及有待解决的问题。
　　关键词
　　高速切削;镁合金;切削参数
　　镁合金被称为“21世纪绿色结构材料”.具有低密度、高比强、高比刚度、减振性和磁屏蔽性，良好的机械加工性能，加工后可以获得高的表面质量.对环境无污染.可回收性能好。符合环保要求，在汽车、电子通信、国防军事、航空航天等工业领域具有广泛的应用。镁合金的高速切削加工研究不多，由于其加工的特殊性。对加工安全防护等方面提出了许多新的要求。
　　1931年德国物理学家萨洛蒙(Carl·J·Salomon)提出了高速加工的理论：切削速度超过某一临界值时切削温度开始下降，切削力也随之降低。随后高速加工技术在工业发达国家得到迅速发展。20世纪80年代。商品化的超高速切削机床在美国、德国、日本投人使用，开创了高速加工时代。当今，高速切削加工技术(High Speed Cutting，简称HSC)作为机加工最重要的先进制造手段正受到越来越多制造部门的青睐。高速切削与常规切削相比具有明显的优点.具体体现在以下几个方面：1)加工时间减少60%～80%，加工成本降低20%-40%;2)进给速度提高5-10倍，材料去除率提高3-6倍;3)刀具耐用度提高70%;4)表面粗糙度R。可达8-10 μm;5)加工余热被切屑带走，工件表面温度降低95%以上;6)热变形、热膨胀减小，积屑瘤、鳞刺、表面残余应力和加工硬化受到抑制;7)切削力减少约30%，适宜加工细长、复杂薄壁零件。

刀具对机械加工的影响　
①刀具材料的影响。镁加工刀具材料的选择取决于所需完成的机加工量。小批量加工时，一般使用寿命特别长的普通碳钢刀具；大批量加工时，通常优先选用镶嵌硬质合金的刀具；当加工批量大和公差要求很严时，可以使用成本较高的镶金刚石刀头来省去繁琐的复位补偿调整工作。

②刀具设计的影响。加工钢和铝的刀具通常也适合于镁合金的加工。但是，由于镁的切削力低，热容量也相当低，故其加工刀具应当具有较大的外后角、较大的走屑空隙、较少的刀刃数和较小的前角。另外，保证刀具的各个表面很平滑也是十分重要的。

③刀具刃磨的影响。对镁进行机械加工的一条重要原则是，应当使刀具保持尽可能高的锋利和光滑程度，必须没有划伤、毛剌和卷刃。如果刀具切削过其它金属，即使切削角没有改变，也应进行重新刃磨和珩磨。

刀具初磨可采用中等粒度的砂轮，然后用精细粒度的砂轮进行刃磨，并在必要时再用细油石或超细油石进行手工珩磨。对于高速钢刀具，采用100目的氧化铝砂轮进行精磨即可获得满意的效果；对于刃磨镶嵌硬质合金的刀具，一般采用320目的碳化硅砂轮或200-300目的金刚石砂轮。
2.切削液对机械加工的影响
切削液有两大功能即冷却和润滑。由于镁的散热速度很快，可使被加工表面保持在较低的温度水平上，此外，镁的易切削性使其不易与钢发生胶合，切削加工时一般不需要润滑，因此在加工镁合金时往往并不需要切削液。通常小批量生产或简单加工都将选用干式加工，这样成本会更低而且比较干净。

只有在镗深孔时可能需要用切削液进行润滑，在进给速度和切削速度很高时或大批量生产时也最好用切削液来进行冷却。

加工镁合金时，无论用高速或低速，用或不用切削液，都可以获得平滑的加工表面，而使用切削液主要是为了冷却工件，尽可能减少发生扭曲变形以及减少切屑着火的可能性。因此在镁的机械加工中，切削液一般被称作冷却液。在生产批量很大时，冷却液是延长刀具寿命的因素之一。