鎂合金端面加工后的表面粗糙度

1.序言

金屬鎂為地球上第6大元素，儲藏豐富。 當今世界大力倡導環境保護與節約能源，為此大到日益普及的電動汽車，小到時刻不離身邊的智能手機，各種機械與電子零部件都在日益追求輕量化，其素材的需求也日益顯著。鎂合金作為實用金屬中最為輕量的材料，同時擁有良好的切削性能，尺寸安定性等多方面的特性。

然而，該系合金相對脆性高、化學性能活躍，在切削加工中，表面呈現鋸齒狀斷裂的切屑激烈飛散，同時在精加工以及進給停止的切削完成時每單位體積的表面積顯著增加，氧化反應熱造成自加熱速度大于放熱速度，由此引發燃燒等問題。為此也稱為難切削加工材料。

本研究采用兩種鎂合金材料作為被切削材料，設定多種切削條件組合對其表面進行端面加工，測定被切削后的表面粗糙度，并與通用鋁合金的切削結果進行比較，探討切削條件對表面粗糙度的影響。

2.要點

使用的切削材料為鎂合金AZ31、AZ91以及鋁合金5052。切削設備為日本ENSHU數控銑鉆攻削復合加工中心E130，工具使用三菱material產端面通用銑刀SUPERDIAMILL-SE445，鎂合金的切削油劑使用Mighty化學株式會社產的鎂合金用水溶性切削油Mightymagnecool L12，使用純凈自來水稀釋30倍。切削條件為切削速度（314～1570m/min，5檔），切削量（0.05～0.9mm，6檔），進給量（0.2～1.0mm/rev，5檔），刀具刀片（超硬合金·金剛石涂層），切削方式（干式·濕式切削兩種）。通過適宜變化切削條件組合進行端面切削加工。對各條件下的切削后材料表面，使用TaylorHobson制FORM TALYSURF SERIES S4C 表面粗糙度形狀測定儀進行測定。

3.結果以及考察

3.1切削條件和表面粗糙度的關系

3.1.1 切削速度和表面粗糙度的關系

理論上講切削速度與表面粗糙度沒有多大關系，但是實際切削中一般認為切削速度越高表面粗糙度越好。考慮到這一點再加上為了提高生產效率，現今的切削加工都追求高速化。 對于鎂合金來說，也基本上看不出切削速度的變化對表面粗糙度的影響。由Fig.1可以明顯看出低速度領域到高速度領域的表面粗糙度都顯示了良好的安定值。對于鋁合金而言，隨著往高速度領域移動，可以看到表面粗糙度向良好數值推移的趨勢。這是因為鋁合金等一般金屬材質，低速度領域切削溫度低，產生切削瘤，致使表面粗糙度高。隨著向高速度領域移行，切削瘤的減小對表面粗糙度降低做出貢獻，由此表面粗糙度顯示了良好的數值。相對鋁合金，可以認為鎂合金在低速度領域的切削也不會發生切削瘤，所以表面粗糙度低，顯示了良好的數值。此結果可以認為鎂合金低速度領域到高速度領域都可以維持安定的表面粗糙度，不受切削速度的影響。在相同的切削條件下比較兩種材質的表面精度，可以看到鎂合金的粗糙度一直保持在0.1μm上下，鋁合金則在0.2μm到0.3μm之間有比較大的波動差值，鎂合金獲得了很好的表面切削效果。

3.1.2 刀具進給量和表面粗糙度的關系

刀具的單位回轉進給量和表面粗糙度有如下關系： 伴隨著進給量的增大，表面粗糙度也會增大。理論上也是進給量增大表面粗糙度增大的關系。對于端面銑刀等多刃切削刀具，一個切削刀具上裝著數枚切削刃，各刃之間至少也會有數μm，多的情況下數10μm的裝著偏差產生。通常情況下多刃刀具的切削，其被加工表面的粗糙度由復數的切削刃形成。即便每個切削刃的刀尖角半徑或者副切削刃形狀較大，但作為多刃刀具如果切削刃之間的裝著偏差無法克服的話，將得不到良好的表面粗糙度。特別是在提高進給量，進行高效切削時，多刃刀具切削刃之間的裝著偏差會更為顯著。由此可以認為伴隨著進給量的增加表面粗糙度變大。切削加工結果中AZ31的濕式切削更為明顯。鋁合金的結果也是同樣。比較表面粗糙度的數值可以看出鎂合金在0.15μm以下，而鋁合金在0.2μm以上。由此可知鎂合金比鋁合金更易獲得良好的切削表面精度。

3.1.3 切削量和表面粗糙度的關系

對于切削量的變化，可以說表面粗糙度在0.1μm附近有比較安定的數值，基本沒有多大影響。不過在切削量0.3mm附近，鎂合金AZ91和AZ31的表面粗糙度都顯示出了良好數值。可以認為此范圍是獲得良好表面粗糙度的最合適切削量值區域。鋁合金與鎂合金相比，切削量的變化對表面粗糙度的影響看不出傾向，數值在0.25μm附近比較安定。對于切削量來講，鎂合金比鋁合金也獲得了相當好的表面粗糙度值。還有，對于端面銑刀來說，切削量設定過小會使得與切削無關的刀具振動凸現，得不到良好的切削精度。雖然沒有進行該方面的確認，但可以推測出過低的切削量設定也會對表面粗糙度造成微妙的影響。由此考慮到實際生產中降低成本、高效加工的目的，切削量盡可能設定大一些。

3.2 切削油劑的使用與表面粗糙度的關系

切削油劑切的基本作用是潤滑性、冷卻性、抗溶著性以及切削排除等。切削油劑的正確選擇和正確使用，是有效提高表面粗糙度的方法之一。然而端面銑刀進行的是切削刃旋轉的斷續切削，也就是說切削刃在切削時會被高溫加熱，空轉時又會急速冷卻。切削刃在受到如此反復的冷熱沖擊下，會有發生受熱龜烈損傷的可能，致使切削刃的信賴性顯著下降，刀具壽命不安定。特別是在切削溫度上升的高速切削領域，使用高冷卻效果的水溶性切削油劑使得此傾向更為明顯。通過比較可以得出干式切削更易獲得良好的切削表面精度。

3.3 被切削材的材料特性與表面粗糙度

通過比較AZ91和AZ31兩種鎂合金，可以看到AZ91顯示出更好的表面粗糙度值。這是由機械性能不同所造成的。AZ31在機械性能方面，延伸率值高，也就是說粘性強，這使得表面切削時切削刃切過的表面摩擦增大，切削表面拉花，表面粗糙度變大。特別是在使用切削油劑的高進給量時更易看到影響。

3.4切屑的狀態和處理

金屬鎂以及其合金的切屑極其輕且容易粉粹。粉末狀而非薄片的切屑即便是切削熱也會輕易引火。作為對策，可盡可能將進給量和切削量設定大些，使得排除的切屑易于馬上除去。

3.5 刀具狀況

刀具狀況通過光學顯微鏡拍攝的兩個圖片進行比較。Fig.6可看到正常磨損以外沒有明顯的刀具損傷，由此可認為沒有刀具損傷對表面粗糙度造成影響，所以也確認了鎂合金的良好切削性能。Fig.7與Fig.6相比可以看到刀刃上有小的磕痕，雖可視為正常磨損但對表面粗糙度會造成一定影響。

4.結束語

通過對切削條件的所有切削要素進行組合，研究了鎂合金端面切削對表面粗糙度的產生、影響和結果。

1. 鎂合金的端面銑削加工，在比較寬廣的切削速度領域中都可以得到良好的表面粗糙度，同時對刀具不會造成損傷，可實現高速長壽命切削加工。

2. 伴隨著進給量增加表面粗糙度也會增大，不過橫跨低進給量到高進給量的全部領域，還是可以獲得良好的表面粗糙度。

3. 切削量對表面粗糙度影響不大，但是盡可能不要設定過低的切削量而使得振刀因素影響表面切削精度。

4. 切削油劑的使用對提高表面粗糙度基本上沒有效果，但是從刀具損傷觀點，以及防止切屑引火的安全切削來講建議使用切削油劑。

5. 兩種鎂合金被切削材的機械性能不同，AZ91比AZ31更易獲得良好的切削表面粗糙度。對于有高光潔度表面要求，或者需要實現金屬平面密封性能的產品，建議使用AZ91材料。

6. 從同一條件下的切削結果來看，鎂合金的切削表面效果要比鋁合金好的多。