不同銑削參數對鎂合金（AZ31B）表面質量的影響規律研究

馬浩騫，常星星，陳衛林，吳杰

（安徽天航機電有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

鎂合金AZ31B的加工在機械加工領域中較為廣泛，其最佳加工參數的選擇有利于達到最佳質量，并減少成本和時間。航空航天和汽車工業領域傾向于減輕機載的整體質量，通過結構上使用輕質材料來減輕質量，可以提高燃油效率，因此越來越多的人開始研究比鋁更輕的元素，在這個方面，由于鎂合金具有高剛度、高強度、低密度，其密度比鋁輕30%～40%，比鋼輕70%～80%，具有良好的可循環性和可加工性[1-3]，而且硬度相對較低，對加工刀具的磨損較小。目前復合材料占據航空航天制造的大部分領域，在輕量化鎂合金中，鑄造鎂合金如AZ系列合金是目前市場上使用廣泛的代表，其系列合金元素主要由鎂、鋁、鋅組成，自身擁有優良的性能[4-6]。可加工性是在金屬加工過程中，以較低成本加工出足夠的精度，通過提高材料的表面質量可以改善材料的外觀和耐腐蝕性[7-9]。

本文以鎂合金切削中的主要因素（刀具前角、線速度、最大切削厚度、切削深度）為影響因子，以加工后的工件表面質量為研究目標，為減少單因素試驗探究的繁瑣過程，提高試驗的效率，設計了四水平一因素的正交試驗，采用干式銑削的加工方式，探究不同銑削參數對工件表面質量的影響規律，為鎂合金切削參數的選擇提供有益的借鑒。

1 實驗準備

1.1 加工機床

由于鎂合金AZ31B材料自身的特殊性，為防止其在加工中與切削液接觸產生燃燒，整個過程采用干式銑削，同時根據工件外形特征選擇合適的平口鉗來固定工件，為避免刀具對工件的干涉，根據加工件四周不同面的銑削需要，本實驗選擇五軸加工中心UCP 800 Duro（如圖1），其中圖1（a）為機床機體，圖1（b）為機床操作顯示屏。

圖1 五軸加工中心UCP 800 Duro

1.2 粗糙度測量儀

對加工后的鎂合金采用氣槍吹氣方式去除表面的銑削微粒，并采用高精度的粗糙度測量儀Marsurf SD26進行零件加工面移動測量，通過對移動面的粗糙度進行均值求解，測量儀器及顯示的界面如圖2所示。

圖2 Marsurf SD 26

1.3 加工工件

為更好地探究鎂合金銑削加工的工藝參數，選擇航空航天常用的鎂合金牌號AZ31B，規格為100 mm×100 mm×50 mm的方形塊，其機械加工如圖3所示，通過平口鉗將加工件在機床工作臺上固定，選擇立式銑刀進行每組參數的銑削加工。鎂合金AZ31B的化學成分如表1所示。

表1 鎂合金AZ31B的化學成分質量分數 %

圖3 鎂合金機械加工圖

從表1中可以發現鎂合金（AZ31B）主要由鎂、鋁、鋅組成，自身擁有優質的性能，其力學性能參數所對應的數值如表2所示。

表2 鎂合金（AZ31B）的力學性能參數

2 實驗參數

保持其他加工參數的一致性，對銑削加工中的主要參數進行單因素探究，以不同的刀具前角、線速度、最大切削厚度及切削深度為影響因子，為保證所有加工參數的合理性和可操作性，根據生產加工經驗進行參數篩選，試驗參數數值如表2所示。

將試驗參數的數值表中的刀具前角、線速度、最大切削厚度及切削深度依次進行正交試驗排布，如表3所示。

表3 不同參數的正交試驗

3 實驗結果

通過表3不同參數的試驗，依次對正方體鎂合金進行不同面的平面銑削，對加工后的試驗件采用平口鉗將其固定裝夾，實現懸空，避免探頭移動干涉，同時保證測量的探針移動方向的水平，加工件及固定界面如圖4所示。

圖4 鎂合金測量圖

將16組試驗的表面粗糙度依次記錄，測量值如表4所示。

表4 表面粗糙度測量值

從圖5（a）中可以看出：隨著刀具前角的增加，表面粗糙度呈現先增加、后降低的趨勢，當刀具前角為20°時，此時加工的工件表面質量相對較高，可達到Ra0.5 μm的表面粗糙度，實現精加工狀態。由圖5（b）可以發現，隨著切削深度的增加，表面粗糙度呈現上升的規律，銑削加工時，用較硬的刀具去除硬度相對較低的材料，其蝕除材料為機械擠壓去除的方式，當切削深度增加時，單位時間內材料的去除量增加，表面的輪廓面粗糙度增加，當切削深度為12 mm，表面粗糙度最大值達Ra1.1 μm左右，在半精加工中可以優先選擇此參數。由圖5（c）可 以 發現：隨著線速度的增加，加工件輪廓表面粗糙度也隨之增加，當線速度為1800～2400 mm/s時，整體的變化率較大，在線速度小于1800 mm/s時，工件的表面粗糙度可達到Ra1.0 μm以下，可實現鎂合金精加工。由圖5（d）可以明顯看出：鎂合金銑削加工時，隨著最大切削厚度的增加，表面粗糙度呈現增加的趨勢，即單位時間內材料去除量增大，將導致刀具銑削的工件表面質量降低，當最大銑削厚度達0.07 mm以上時，所對應的表面粗糙度在Ra1.0～1.2 μm區間內，可實現鎂合金的半精加工。

圖5 不同銑削參數對表面粗糙度影響

4 結論

1）刀具前角對鎂合金加工至關重要，隨著刀具前角的增加，表面粗糙度呈現先增加、后降低的規律，當刀具前角為8°～16°時，表面粗糙度逐漸增加，當刀具前角為20°時，工件的表面質量相對較高，表面粗糙度為Ra0.5 μm左右，同時結合整體試驗的加工情況，特殊情況下刀具前角可以優先選擇負角度加工。

2）鎂合金銑削加工中，隨著切削深度、線速度、最大切削厚度的增加，工件的表面粗糙度也隨之增加，其中切削深小于6 mm、線速度小于1800 mm/s、最大切削厚度小于0.07 mm時，表面粗糙度值均為Ra1.0 μm以下，可實現鎂合金的高精度加工。