镁合金及其切削加工要点

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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
: ]$ b. T  p$ n# G2 T. k& W    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
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. H4 }6 H2 G8 U6 }* a: C    2．镁合金的性能特点及应用现状

& @: @& B9 o( b    镁合金具有以下几方面的特点：
# u" }6 h, R8 b( e7 I    (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。
8 ^  g: M; c( x5 s; O    (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。
' X) N" J. t! h4 }    (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。
- @8 O- v0 g! R: X' ?/ L, Y/ t% J& Y    (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
5 E9 \7 b0 K4 `    应用产业——应用产品
* \8 Z7 C6 P9 X% w    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
- I! A6 Y6 T! G* ^- W. S    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
" N+ W% y, b3 \. ]    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。

) s0 z8 A1 Z2 Z" @5 @1 \* x* ?    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%。
8 Z. M8 t$ n/ _; L4 @' h4 f    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%。

0 O, u9 x  |) ?  o    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
% i- h- q) P% V$ H+ E2 Q% @6 T5 ?6 }! M    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
- y) e$ @* Y+ n* f: b: _% N( D    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
7 ?% B% h. @3 |4 n* ?    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
1 x  [$ D1 N/ }; l    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
% G  m1 u1 x0 @  y    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
" n) K6 j" e" W& S) M7 J# n/ t    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
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# t! g' d- O6 d7 C8 a" g8 V; z' b    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：
9 m6 `2 l3 s) C0 |    (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。
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6 A3 U  W* t% A8 `: s) Z3 K    4．切削加工技术要点
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$ h2 {2 f3 h6 S/ X    4.1 加工过程中防锈措施
2 [1 ]) m5 ~3 S7 u3 D    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。
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, F6 B: V3 T- e0 ?/ T5 P2 ?    4.2 零件表面后续防锈处理
. t( `- i2 y/ r4 h; n0 x    (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。
* Y5 r/ Y7 u8 P( R# O    (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。
# V2 k; s: B0 X$ L+ V    (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。
& U1 T3 d7 }7 T    (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。

, q7 z3 \) h# @* @; _% H5 N    4.3 镁合金加工过程中防止燃烧的措施
" c. v5 O0 g8 V9 K    (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
9 b. H: D9 |: F6 \& Y) r    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
6 D1 l) V0 j8 y# ]9 I- H    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：
  S; i" y1 O% L# v% s    (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。
4 \$ C0 @* y6 R& Y3 K1 z8 w    (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°。
) ^/ h$ z, a$ t8 M: c! a' c    (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

* ?# U8 l+ ?! y2 S    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。