劉 胤，焦 剛，劉 軍，姜 偉

（航天科工慣性技術(shù)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(qiáng)度和比剛度高、阻尼減振降噪能力強(qiáng)、電磁屏蔽性能優(yōu)異、切削加工和熱成形性好的特點(diǎn)，并且其對煤油、汽油和礦物油具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和易于回收利用等優(yōu)點(diǎn)，近年來在航空航天、交通運(yùn)輸、電子、化工和冶金等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)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(jìn)給速度進(jìn)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(guān)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(shù)的選擇原則，沒有通過試驗(yàn)分析參數(shù)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(xù)加工而制成所需工件，其特點(diǎn)是強(qiáng)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(zhì)量，作者基于某基礎(chǔ)科研成果，以廣泛應(yīng)用的鎂合金AZ91D為例，對比分析了精車過程中切削參數(shù)對切屑斷屑性能、切屑形態(tài)及工件表面質(zhì)量的影響，期望為鎂合金的加工提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用AZ91D鎂合金為鑄造毛坯料，熱處理狀態(tài)T6，其名義化學(xué)成分和物理、力學(xué)特性如表1和表2所示。

表1 AZ91D鎂合金的名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Nominal chemical composition of AZ91Dmagnesium alloy（mass）%

表2 試驗(yàn)用AZ91D鎂合金的物理、力學(xué)性能Tab.2 Physical and mechanical properties of tested AZ91Dmagnesium alloy

切削試驗(yàn)在C620A型車床上進(jìn)行，采用鑲嵌硬質(zhì)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(jìn)行精密車削。切削完成后，對于每種切削工藝下的工件，隨機(jī)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(shù)Tab.3 Cutting parameters under different cutting processes

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

由表4和圖1可知，隨著切削參數(shù)的不同，鎂合金切屑的形態(tài)和工件表面質(zhì)量有很大區(qū)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(jìn)給量較大，切屑變形嚴(yán)重，呈C形擠裂狀，切屑短且厚，切屑外表面呈鋸齒狀，內(nèi)表面有裂紋，該類切屑的加工硬化程度嚴(yán)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(jìn)給量適當(dāng)降低，切屑呈螺卷狀且較厚，切屑內(nèi)表面光滑，外表面呈毛茸狀，切屑折斷長度具有規(guī)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(zhì)量，Ra最大。由此可知，鎂合金作為塑性材料，在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，隨著切削速度的提高、進(jìn)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(yàn)證了常規(guī)切削中切削速度對切屑變形的影響規(guī)律，以及對切屑類型、變化規(guī)律和切屑卷曲、折斷的規(guī)律［5］。

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

此外還可發(fā)現(xiàn)，在切削速度較低（66.819m·min－1）及進(jìn)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(jìn)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(shù)下，切削區(qū)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(nèi)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(xù)進(jìn)行，切屑在加工區(qū)域內(nèi)堆積，熱量無法散發(fā)，極易引起燃燒。在工藝e的切削參數(shù)下，切削區(qū)域的排屑能力較強(qiáng)，切屑通過車刀卷屑槽直接排出切削區(qū)域，加速了切削區(qū)域的熱量散失，工件表面質(zhì)量高。

圖1 不同切削工藝下切屑的形態(tài)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(yàn)條件下，精車階段的最佳工藝參數(shù)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(xiàn)象發(fā)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(diǎn)蝕現(xiàn)象?？梢姡V合金加工工序間的防護(hù)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(nèi)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(zhì)對鎂合金的腐蝕［4］，或采用工序間化學(xué)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(yàn)分析及切削加工工藝要求，對某新型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件進(jìn)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(nèi)，采用加工參數(shù)vc＝107.388m·min－1，f＝0.09mm·r－1，ap＝0.5mm進(jìn)行切削，去除粗加工的高應(yīng)力表層［7］，在保持切削速度和進(jìn)給量不變的情況下，將背吃刀量控制在0.1mm，進(jìn)行一至兩次精細(xì)車削，車削過程中切屑斷屑性能良好，表面粗糙度穩(wěn)定控制在Ra≤0.8μm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

（1）在常規(guī)切削速度范圍內(nèi)，在背吃刀量恒定的前提下，隨著切削速度的增大、進(jìn)給量的降低，切屑變形減小，切屑形態(tài)由C形擠裂切屑逐漸變成帶狀切屑，斷屑性能逐漸變差，工件表面質(zhì)量變差；在背吃刀量為0.06mm時，形成粉末狀切屑，堆積在卷屑槽內(nèi)，極易引起鎂合金燃燒。

（2）采用試驗(yàn)切削條件下的最佳切削參數(shù)（vc＝107.388m·min－1，f＝0.09mm·r－1，ap＝0.1mm）精車加工出的工件表面粗糙度穩(wěn)定控制在Ra≤0.8μm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］劉靜安，徐河.鎂合金材料的應(yīng)用及其加工技術(shù)的發(fā)展［J］.輕合金加工技術(shù)，2007，35（8）：1－5，54.

［2］鐘皓，劉培英，周鐵濤.鎂及鎂合金在航空航天中的應(yīng)用及前景［J］.航空工程與維修，2002（4）：41－42.

［3］SCHUL H Z，KAUFELD M.High－speed milling of thinwalled components of aluminum and magnesium alloys［M］.Germany：Carl Hanser Verlag，1988：41－48.

［4］全躍.鎂質(zhì)材料生產(chǎn)與應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008：734－736.

［5］陳日曜.金屬切削原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：45－51，145－146.

［6］QJ／Z 134—1985 鎂合金化學(xué)氧化膜層生產(chǎn)說明書［S］.

［7］徐河，劉靜安，謝水生.鎂合金制備與加工技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007：310.