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鎂合金的發展趨勢及切削加工要點

[ 時間:2015-10-23 點擊:2471 ]

  1.引言

  自20世紀90年代初開始,國際上主要金屬材料的應用發展趨勢發生了顯著變化,鋼鐵、銅、鉛、鋅等傳統材料的應用增長緩慢,而以鎂合金為代表的輕金屬材料異軍突起,以每年20%的速度持續增長。鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。鎂合金按合金成分不同主要分為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。

  密度(20℃):1.738g/cm3;熔點:650℃;沸點:1107℃;熔化熱:8.71kJ/mol;汽化熱:134kJ/mol;比熱熔(20℃):102.5J/kg.K;線脹系數:25.2×10-6/K;熱導率:155.5W/m.K;電阻率:44.5nΩ.m;電導率:38.6%IACS

  2.鎂合金的性能特點及應用現狀

  鎂合金具有以下幾方面的特點:

  (1)重量輕:鎂合金的比重約1.7,為鋅的1/4,鋼的1/5,甚至比鋁合金(比重約2.7)的比重也輕1/3。

  (2)鎂合金具有的“高強度、重量輕”特性使其可在鋼、鑄鐵、鋅合金甚至鋁合金的傳統應用中取代上述材料。

  (3)優良的導熱性、相對于工程塑料極佳的吸震性,較佳的機械強度、抗沖擊性及耐磨性。

  (4)抗EMI電磁波:鎂合金為非磁性金屬,電磁遮蔽性能優良。

  (5)尺寸穩定性高:不易因環境溫度變化及時間而改變。

  (6)可回收:鎂合金具有100%完全回收的特性,更符合當今環保要求。

  (7)機械加工特性:如果設鎂切削所需動力為1,則鋁是1.8,黃銅是2.3,鑄鐵是3.5;且比重輕,切削慣性小,可高速切削。

  鎂合金的主要用途在于輕量化。目前鎂合金壓鑄品的應用產業以汽車零組件為主,約占80%以上,其次為3C產業,其它如自行車、器材工具、運動用品及航天國防也都在其應用范圍之內。

  應用產業——應用產品

  汽車零件——車座支架、儀表板及托架、電動窗電機殼體、升降器及輪軸電樞、油門踏板、音響殼體、后視鏡架

  自行車零件——避震器零件、車架、曲柄、花殼、三/五通零件、輪圈、剎車手把

  電子通訊——筆記本計算機外殼、MD外殼、移動電話外殼、投影機外殼

  航天國防——航空用通信器和雷達機殼、飛機起落架輪殼

  運動用品——網球拍、滑雪板固定器、球棒、射弓中段與把手

  器材工具——手提電動鋸機殼、魚釣自動收線匣、控制閥、相機機殼、攝像機殼

  信息、通訊產品77%:其中:筆記本計算機39%,數字攝影機19%,移動電話14%,數碼相機5%,投影儀6%,其它電子產品17%。

  汽、機車零件18%:其中:汽車零件88%,機車零件12%。

  農林機械5%:其中:農林業機械41%,電動工具27%,運動用品8%,其它24%。

  美國政府與三大汽車公司(Ford)、通用(GM)、克萊斯勒(Chrysler)于1993年提出PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicles)計劃,希望在2004年開發6人座省油車,以每100公里耗油3公升為目標,主要在于車體結構與動力系統的輕量化設計開發。

  懸吊系統總成——零件名稱:車輪,備用輪胎,控制臂(2個,后方),控制臂(2個,前方),引擎架,后方支架

  內裝總成——零件名稱:儀表板、橫梁,儀表板支架,椅背椅座,氣囊零件

  方向盤總成——方向盤零件

  車身總成——零件名稱:保險桿補強橫梁,鑄造車門內襯,鑄造A/B柱,擋風片開關補強材,行李架,側鏡

  剎車系統總成——零件名稱:ABS零件,離合器/剎車踏板托架,踏板零件

  電氣機械零件——交流電箱,音響/EEC零件,雨刷電機,交流電/AC托架

  動力系統總成——傳動(閥體、箱、側蓋、啟動器),傳動箱(總重量12kg的15%),發動機組,支撐托架,罩套(油/水泵,機車馬達),汽缸蓋,吸氣歧管,引擎支架,油蓋,前蓋

  3.鎂合金加工的問題

  基于以上優異的特性,使鎂合金在未來發展中具有很強的優勢,更符合當代對環境保護、可持續發展的要求,是取代鋼鋁材的最佳選擇。由于鎂金屬化學活性大,給鎂合金零部件的加工帶來一系列的問題,妨礙了鎂合金的推廣使用,主要體現在:

  (1)極易產生電化腐蝕。在冶煉、制造上需特別注意,在防蝕處理上也較其它金屬困難。因此,為了使鎂合金的應用更加廣泛,對于鎂合金的腐蝕機制、防蝕機制、表面處理技術及工件防蝕設計,需要有更多的處理程序。

  (2)燃點低。在切削過程中必須考慮溫度的影響,以防止切屑燃燒,并在加工中要采取相應的措施和條件才能真正杜絕事故的發生。

  (3)工件變形的問題。鎂合金的線膨脹系數比鋼和鑄鐵大,切削熱、溫差等因素都會直接影響鎂合金零件的精度,需要在選擇加工余量、刀具幾何參數、切削用量以及工裝夾具的設計、檢測方法的選擇等方面有很好的措施。

  4.切削加工技術要點

  4.1 加工過程中防銹措施

  零件應整齊排放在指定的庫位,不允許接觸地面;存放零件的地方應采取防潮措施;用布蘸汽油擦拭涂有防銹油的零件表面,吹干后才能進行加工;全部化學處理工序,即啟封、氧化和涂漆工序應記錄在過程卡上;零件啟封后到投人加工不得超過15晝夜;零件經過劃線后,氧化膜會被破壞,因此劃線應在最后氧化前進行;采用干式切削加工,不得用潤滑油和冷卻液冷卻,加工螺紋時允許用機油潤滑冷卻;全部機械加工工序應在最后氧化之前進行,特殊情況下,允許最后氧化后進行個別機械加工。零件的全部銳角應倒圓,以獲得最好的保護;從機械加工去氧化膜開始,每隔10晝夜進行氧化處理。

  4.2 零件表面后續防銹處理

  (1)表面預清洗(前處理):鎂合金產品經由壓鑄或鍛造等程序,其表面易混人氧化物、潤滑劑、油脂等污染物,因此前處理的目的在于清潔鎂合金表面以利后續處理。主要用兩種方法清洗:①機械清洗,以不同研磨、粗拋光、干式及濕式磨蝕噴射等方式達到要求的表面粗糙度;②化學清洗,以溶劑清洗、堿洗、酸洗,造成其不同的表面狀態。

  (2)鈍化處理:鈍化處理是利用金屬表面與溶液間的非電解化學反應產生不溶解、無機鹽表面薄膜,其目的除了可提高耐蝕能力外,其鈍化膜亦可作為涂裝之基底,以增加涂裝的附著力。

  (3)陽極化處理:陽極處理可產生陽極氧化膜,大幅提升耐蝕能力;產生金屬光澤質感,具備美觀裝飾作用,其氧化膜也作為后續涂裝基底,增加涂裝的附著力。如果能在后續封孔處理得好,生成的致密氧化層可提高表面硬度及抗蝕性。

  (4)電鍍處理:利用電鍍技術可改變鎂合金材料表面顏色、外觀,以達到所需之功能性及裝飾性目的。一般在考慮提高電鍍層附著力時,會在電鍍處理前進行數次打底的前置處理,如鋅置換、銅置換、無電鍍鎳等。

  (5)金屬覆層:金屬覆層可進一步防蝕及增加表面機械性質、硬度,從而達到在特殊環境條件下最終選擇輕量化鎂合金的目的。

  4.3 鎂合金加工過程中防止燃燒的措施

  (1)日常管理過程中的措施

  在規定的場地加工鎂合金零件,工作現場需整潔、明亮、通風。要及時清理工作現場的鎂屑,不準在機床旁邊堆放切屑,而應在廠房外指定專用容器放置切屑。每臺加工機床旁應配置干粉滅火器或滅火用的干沙。

  (2)技術規范措施

  選擇合適的切削用量和刀具幾何參數,盡量避免小于0.05mm的吃刀深度,保持刀具的鋒利和斷續切削狀態,避免產生薄的帶狀切屑。

  (3)設備環境措施

  盡可能采用干式高速切削,不使用冷卻液,空氣自然冷卻,配置沖水排屑裝備。由于遇水的鎂合金粉末容易產生氫氣,所以生產加工時盡可能使用礦物油(嚴禁使用酸性切削劑),對于油類切削液的機床需具有防漏設計。另外,在清除鎂屑時,盡可能不要接觸水。

  4.4 減少零件加工過程變形的措施

  鎂合金切削力小,切削能耗低,切削過程中發熱少,切屑易斷,刀具磨損小,壽命顯著延長,因此,加工鎂合金可進行高速、大切削量切削,這在一定程度上抵消了鎂合金價格較高的弱點。原則上任何刀具材料,包括普通碳素鋼都可以用于加工鎂合金,大批量切削加工時,一般選用硬質合金刀具,金剛石刀具主要用在表面質量要求較嚴的情況,車削鎂合金一般也選用金剛石刀具。但鎂合金燃點低(650℃),在加工中必須用礦物油進行強力冷卻,并把鎂的切屑迅速從加工區運走。另外,高速切削時,鎂合金有粘結刀具表面形成積屑瘤的情況。降低變形的措施主要有以下幾方面:

  (1)技術規范:將粗加工與精加工分開,在粗加工階段去除大部分余量,對框架類鎂合金零件,特別是薄壁類零件,可以采取粘貼阻尼材料的方法降低加工時的切削振動變形??紤]加工過程減震處理,減小切削余量和溫差。粗加工與精加工工序間安排人工或者自然時效及相應的回火熱處理,以盡可能釋放零件內部應力,減小加工后變形。

  (2)合理的刀具幾何參數:采用大前角,一般γ=20°~30°,粗加工取較小值,精加工時α=10°~15°,λs=60°~75°。大的刃傾角可增加切削力。同時,要考慮后刀面的磨損對切削力的影響,因此,控制后刀面的磨損保持刀具的鋒利程度也是降低切削力的有效辦法。主偏角對切削力有直接的影響,減小主偏角、增大切削深度與走刀量的比值對切削區內的散熱有很好的作用。一般主偏角Hγ=30°~45°。

  (3)選擇適合的切削用量:采用高速銑削技術進行加工,切削熱基本都由切屑帶走,也可以適當選擇大走刀量、大切削深度。

  5.結語

  鎂合金正在從一般結構鑄造件向著高性能輕合金結構框架、精密復雜應用條件的方向發展,正在由軍工向著民用不斷推廣,同時加工技術向數控化、高速化、自動化技術方向發展,向材料制備與構件成形同時制造的方向發展;制造技術向信息化、數字化及設計一制造一體化方向發展。我國鎂合金制造技術正處在一個新的變革時代,它將為新一代工業與民用設備的研制提供更先進的材料與制造技術。


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