镁合金端面加工后的表面粗糙度

1.序言

金属镁为地球上第6大元素，储藏丰富。 当今世界大力倡导环境保护与节约能源，为此大到日益普及的电动汽车，小到时刻不离身边的智能手机，各种机械与电子零部件都在日益追求轻量化，其素材的需求也日益显著。镁合金作为实用金属中最为轻量的材料，同时拥有良好的切削性能，尺寸安定性等多方面的特性。

然而，该系合金相对脆性高、化学性能活跃，在切削加工中，表面呈现锯齿状断裂的切屑激烈飞散，同时在精加工以及进给停止的切削完成时每单位体积的表面积显著增加，氧化反应热造成自加热速度大于放热速度，由此引发燃烧等问题。为此也称为难切削加工材料。

本研究采用两种镁合金材料作为被切削材料，设定多种切削条件组合对其表面进行端面加工，测定被切削后的表面粗糙度，并与通用铝合金的切削结果进行比较，探讨切削条件对表面粗糙度的影响。

2.要点

使用的切削材料为镁合金AZ31、AZ91以及铝合金5052。切削设备为日本ENSHU数控铣钻攻削复合加工中心E130，工具使用三菱material产端面通用铣刀SUPERDIAMILL-SE445，镁合金的切削油剂使用Mighty化学株式会社产的镁合金用水溶性切削油Mightymagnecool L12，使用纯净自来水稀释30倍。切削条件为切削速度（314～1570m/min，5档），切削量（0.05～0.9mm，6档），进给量（0.2～1.0mm/rev，5档），刀具刀片（超硬合金・金刚石涂层），切削方式（干式・湿式切削两种）。通过适宜变化切削条件组合进行端面切削加工。对各条件下的切削后材料表面，使用TaylorHobson制FORM TALYSURF SERIES S4C 表面粗糙度形状测定仪进行测定。

3.结果以及考察

3.1 切削条件和表面粗糙度的关系

3.1.1 切削速度和表面粗糙度的关系

理论上讲切削速度与表面粗糙度没有多大关系，但是实际切削中一般认为切削速度越高表面粗糙度越好。考虑到这一点再加上为了提高生产效率，现今的切削加工都追求高速化。 对于镁合金来说，也基本上看不出切削速度的变化对表面粗糙度的影响。由Fig.1可以明显看出低速度领域到高速度领域的表面粗糙度都显示了良好的安定值。对于铝合金而言，随着往高速度领域移动，可以看到表面粗糙度向良好数值推移的趋势。这是因为铝合金等一般金属材质，低速度领域切削温度低，产生切削瘤，致使表面粗糙度高。随着向高速度领域移行，切削瘤的减小对表面粗糙度降低做出贡献，由此表面粗糙度显示了良好的数值。相对铝合金，可以认为镁合金在低速度领域的切削也不会发生切削瘤，所以表面粗糙度低，显示了良好的数值。此结果可以认为镁合金低速度领域到高速度领域都可以维持安定的表面粗糙度，不受切削速度的影响。在相同的切削条件下比较两种材质的表面精度，可以看到镁合金的粗糙度一直保持在0.1μm上下，铝合金则在0.2μm到0.3μm之间有比较大的波动差值，镁合金获得了很好的表面切削效果。

3.1.2 刀具进给量和表面粗糙度的关系

刀具的单位回转进给量和表面粗糙度有如下关系： 伴随着进给量的增大，表面粗糙度也会增大。理论上也是进给量增大表面粗糙度增大的关系。对于端面铣刀等多刃切削刀具，一个切削刀具上装着数枚切削刃，各刃之间至少也会有数μm，多的情况下数10μm的装着偏差产生。通常情况下多刃刀具的切削，其被加工表面的粗糙度由复数的切削刃形成。即便每个切削刃的刀尖角半径或者副切削刃形状较大，但作为多刃刀具如果切削刃之间的装着偏差无法克服的话，将得不到良好的表面粗糙度。特别是在提高进给量，进行高效切削时，多刃刀具切削刃之间的装着偏差会更为显著。由此可以认为伴随着进给量的增加表面粗糙度变大。切削加工结果中AZ31的湿式切削更为明显。铝合金的结果也是同样。比较表面粗糙度的数值可以看出镁合金在0.15μm以下，而铝合金在0.2μm以上。由此可知镁合金比铝合金更易获得良好的切削表面精度。

3.1.3 切削量和表面粗糙度的关系

对于切削量的变化，可以说表面粗糙度在0.1μm附近有比较安定的数值，基本没有多大影响。不过在切削量0.3mm附近，镁合金AZ91和AZ31的表面粗糙度都显示出了良好数值。可以认为此范围是获得良好表面粗糙度的最合适切削量值区域。铝合金与镁合金相比，切削量的变化对表面粗糙度的影响看不出倾向，数值在0.25μm附近比较安定。对于切削量来讲，镁合金比铝合金也获得了相当好的表面粗糙度值。还有，对于端面铣刀来说，切削量设定过小会使得与切削无关的刀具振动凸现，得不到良好的切削精度。虽然没有进行该方面的确认，但可以推测出过低的切削量设定也会对表面粗糙度造成微妙的影响。由此考虑到实际生产中降低成本、高效加工的目的，切削量尽可能设定大一些。

3.2 切削油剂的使用与表面粗糙度的关系

切削油剂切的基本作用是性、冷却性、抗溶着性以及切削排除等。切削油剂的正确选择和正确使用，是有效提高表面粗糙度的方法之一。然而端面铣刀进行的是切削刃旋转的断续切削，也就是说切削刃在切削时会被高温加热，空转时又会急速冷却。切削刃在受到如此反复的冷热冲击下，会有发生受热龟烈损伤的可能，致使切削刃的信赖性显著下降，刀具寿命不安定。特别是在切削温度上升的高速切削领域，使用高冷却效果的水溶性切削油剂使得此倾向更为明显。通过比较可以得出干式切削更易获得良好的切削表面精度。

3.3 被切削材的材料特性与表面粗糙度

通过比较AZ91和AZ31两种镁合金，可以看到AZ91显示出更好的表面粗糙度值。这是由机械性能不同所造成的。AZ31在机械性能方面，延伸率值高，也就是说粘性强，这使得表面切削时切削刃切过的表面摩擦增大，切削表面拉花，表面粗糙度变大。特别是在使用切削油剂的高进给量时更易看到影响。

3.4 切屑的状态和处理

金属镁以及其合金的切屑极其轻且容易粉粹。粉末状而非薄片的切屑即便是切削热也会轻易引火。作为对策，可尽可能将进给量和切削量设定大些，使得排除的切屑易于马上除去。

3.5 刀具状况

刀具状况通过光学显微镜拍摄的两个图片进行比较。Fig.6可看到正常磨损以外没有明显的刀具损伤，由此可认为没有刀具损伤对表面粗糙度造成影响，所以也确认了镁合金的良好切削性能。Fig.7与Fig.6相比可以看到刀刃上有小的磕痕，虽可视为正常磨损但对表面粗糙度会造成一定影响。

4.结束语

通过对切削条件的所有切削要素进行组合，研究了镁合金端面切削对表面粗糙度的产生、影响和结果。

1. 镁合金的端面铣削加工，在比较宽广的切削速度领域中都可以得到良好的表面粗糙度，同时对刀具不会造成损伤，可实现高速长寿命切削加工。

2. 伴随着进给量增加表面粗糙度也会增大，不过横跨低进给量到高进给量的全部领域，还是可以获得良好的表面粗糙度。

3. 切削量对表面粗糙度影响不大，但是尽可能不要设定过低的切削量而使得振刀因素影响表面切削精度。

4. 切削油剂的使用对提高表面粗糙度基本上没有效果，但是从刀具损伤观点，以及防止切屑引火的安全切削来讲建议使用切削油剂。

5. 两种镁合金被切削材的机械性能不同，AZ91比AZ31更易获得良好的切削表面粗糙度。对于有高光洁度表面要求，或者需要实现金属平面密封性能的产品，建议使用AZ91材料。

6. 从同一条件下的切削结果来看，镁合金的切削表面效果要比铝合金好的多。