汽車鎂合金件加工中全合成切削液的應(yīng)用

■清華大學(xué)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(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （北京 100084） 戴媛靜

中級(jí)工程師 劉騰飛

從汽車輕量化發(fā)展看，大量采用輕質(zhì)材料是目前汽車輕量化發(fā)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(qiáng)度，此外，其降噪、減振性好、易散熱且電導(dǎo)率高，預(yù)計(jì)鎂合金壓鑄件將逐漸替代鋁合金成為未來(lái)汽車輕量化的主要趨勢(shì)。2006年戴姆勒-克萊斯勒公司發(fā)布了鎂密集輕量化概念車身和概念車，該項(xiàng)目通過(guò)在車身和底盤中大量使用鎂合金，使整車質(zhì)量減輕了20%，從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的角度驗(yàn)證了鎂合金在汽車減重中的可行性。然而，由于鎂合金化學(xué)性質(zhì)活潑、熔點(diǎn)低，切削加工時(shí)易粘刀并產(chǎn)生腐蝕變色，甚至發(fā)生燃燒，制造加工的困難也會(huì)制約它的廣泛使用、提升它的使用成本。通過(guò)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(rùn)滑、防銹性能良好，但冷卻、清洗性能較差，用于鎂合金切削時(shí)易導(dǎo)致切屑粘刀，甚至發(fā)生燃爆，現(xiàn)已很少使用。水基切削液根據(jù)基礎(chǔ)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(chǔ)油，需添加乳化劑建立油-水體系平衡，屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系；全合成型切削液不含基礎(chǔ)油，選用水溶性添加劑，屬于熱力學(xué)穩(wěn)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(rùn)滑性較好、價(jià)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(wèn)題。

乳化液和半合成液切削區(qū)冷卻性能較差，不能有效降低加工區(qū)域溫度，容易導(dǎo)致粘刀現(xiàn)象，加速刀具磨損，縮短刀具壽命，甚至發(fā)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(duì)較差，不利于排屑，易使切屑劃傷已加工工件表面，導(dǎo)致粗糙度變大；同時(shí)，易在工件和機(jī)床表面粘附。

在切削加工中，鎂合金與水反應(yīng)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(chǎn)生失效，導(dǎo)致切削液失穩(wěn)、加工性能下降等不良影響；且析出物易粘附于工件表面，產(chǎn)生沾污。

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

冷卻性能良好，可迅速降低切削區(qū)溫度，降低刀具磨損，延長(zhǎng)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(qiáng)，不會(huì)在機(jī)床及工件表面大量粘附。

穩(wěn)定性能良好，即便在高硬水環(huán)境中仍能保持體系穩(wěn)定，不易產(chǎn)生析出物。

平衡配方，形成低泡、高滲透性性體系，更易進(jìn)入加工區(qū)域，提供有效的潤(rùn)滑與清洗。

由于鎂合金的切削加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的鎂離子，鎂離子屬于硬水離子，會(huì)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(fā)了一款全合成型鎂合金切削液，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)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(jīng)測(cè)試，自研的全合成型鎂合金切削液對(duì)鎂合金緩蝕效果優(yōu)異，100°DH硬水中仍能維持鎂合金A Z91D的無(wú)銹和光澤如新；而鑄鐵切屑的防銹實(shí)驗(yàn)表明：60°D H以內(nèi)均能保持優(yōu)異的黑色金屬防銹性；水基體系的穩(wěn)定性測(cè)試表明：體系能在至少100°DH人工硬水中保持穩(wěn)定，無(wú)析油/析皂，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 全合成型鎂合金切削液的抗硬水各項(xiàng)性能

采用實(shí)驗(yàn)室銑床（見圖1）對(duì)AZ91D鎂合金工件進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)，參數(shù)如下：線速度150m/min；齒進(jìn)給量0.075mm/tooch；切削深度0.2mm；銑刀φ12mm，4齒；平面銑。測(cè)試結(jié)果表明：加工后鎂合金試件表面光潔，表面質(zhì)量良好，放置15天后無(wú)目視可見腐蝕變色，說(shuō)明該自研全合成鎂合金切削液具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能和防銹性能（見圖2）。

圖1 HAAS數(shù)控銑床及加工區(qū)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(yīng)用

下面以鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和鎂合金輪轂為例，說(shuō)明全合成切削液在鎂合金汽車零部件加工中的應(yīng)用。

（1）鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體 作為動(dòng)力來(lái)源，發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為汽車的心臟，缸體質(zhì)量高低直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)劣。汽車缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)氣缸結(jié)合面粗糙度及尺寸公差等要求極其嚴(yán)格，往往經(jīng)過(guò)十幾道工序才能完成，加工精度是決定缸體質(zhì)量的關(guān)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(jié)磨損、加工表面質(zhì)量差的問(wèn)題，主要原因是切削區(qū)域溫度過(guò)高。一般，刀具磨損過(guò)程可分為三個(gè)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(jìn)入正常磨損期，此時(shí)刀具切削性能良好，磨損量小，加工表面質(zhì)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(fā)生熔融，直至報(bào)廢。

在鎂合金缸體加工中，為保證加工精度，一般使用硬質(zhì)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(diǎn)較低，高溫時(shí)切屑易與刀具發(fā)生粘結(jié)，縮短刀具壽命，并影響工件表面質(zhì)量，為避免該問(wèn)題，應(yīng)降低切削區(qū)域溫度，并及時(shí)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(qū)溫度；同時(shí)，其良好的清洗性有利于及時(shí)排屑，減少切屑在加工區(qū)域的積累，這些都能有效降低粘刀現(xiàn)象的發(fā)生，減緩刀具磨損，同時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋 缸蓋是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件之一，位于發(fā)動(dòng)機(jī)頂端，作用是密封缸體并為潤(rùn)滑油及冷卻水提供通道。缸蓋內(nèi)部分布著水道、油道、進(jìn)氣管、出氣管等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖4所示。

圖3 刀具磨損過(guò)程

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的排放、振動(dòng)及輸出功率等重要性能。由于缸蓋內(nèi)孔隙眾多，內(nèi)部的清潔度難以保證，經(jīng)機(jī)加后需要使用清洗機(jī)甚至定點(diǎn)清洗刀具進(jìn)行清洗。若使用乳化液或半合成液作為冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)，會(huì)存在以下問(wèn)題。

冷卻、排屑性差，導(dǎo)致工件表面質(zhì)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(wěn)定性差，乳化劑等陰離子型添加劑與加工過(guò)程中產(chǎn)生的Mg2+結(jié)合，體系平衡被破壞、形成析油/析皂，基礎(chǔ)油或皂類吸附在缸蓋表面及孔隙中，進(jìn)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(yōu)異，且體系穩(wěn)定、更耐硬水，能更好的滿足鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度高且彈性模量大，具有良好的阻尼系數(shù)，用它來(lái)制作輪轂，減振量?jī)?yōu)于鋁合金和鑄鐵，可明顯提升汽車行駛過(guò)程中的安全性及平穩(wěn)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(yōu)異的質(zhì)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(shù)見表4。

粗加工時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速低，但進(jìn)給量較大，此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)去除量高，產(chǎn)生的切屑多，排屑慢；在第三次精加工時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速高，進(jìn)給量小，單位時(shí)間內(nèi)去除量低，但此時(shí)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(zhì)量。無(wú)論粗加工還是精加工，都對(duì)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?？准庸ぜ奥菁y加工時(shí)，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(jìn)給方向相反，阻礙切削液進(jìn)入加工區(qū)域。此時(shí)，對(duì)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(xù)還需進(jìn)行表面陽(yáng)極化、噴涂等工藝處理，要求表面無(wú)粘附、無(wú)腐蝕，乳化液及半合成液易產(chǎn)生析出物吸附在工件表面，且粘附物中的酸性或堿性物質(zhì)易造成鎂合金腐蝕發(fā)黑。

鑒于以上加工特點(diǎn)和難點(diǎn)，在鎂合金輪轂加工中，應(yīng)使用排屑能力好、滲透性強(qiáng)、穩(wěn)定且不易產(chǎn)生析出物的全合成鎂合金切削液。

3. 結(jié)語(yǔ)

全合成切削液具有良好的冷卻性、清洗性、滲透性和硬水穩(wěn)定性，在平衡配方兼具潤(rùn)滑性和腐蝕緩蝕性的基礎(chǔ)上，將其用于汽車鎂合金零部件的加工中，可帶來(lái)高效的冷卻、潤(rùn)滑、清洗效果，延長(zhǎng)刀具使用壽命的同時(shí)，提升加工工件的表面質(zhì)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(yīng)用，有助于新能源汽車輕量化制造，將來(lái)還會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。