1引言自20世纪90年代初开始,国际上主要金属材料的应用发展趋势发生了显著变化,钢铁、铜 、铅、锌等传统材料的应用增长缓慢,而以镁合金为代表的轻金属材料异军突起,以每年20%的 速度持续增长(镁的物理性能见表1)。镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。镁合金按合金成分不同主要分为MgAl Zn Mn系、Mg Al Mn系和Mg Al Si Mn系、Mg Al RE系、Mg Zn Zr系和Mg Zn RE系。表1镁的物理性能项目数值项目数值密度ρ(20℃)(g/cm3)1.738比热熔c (20℃)(J/kg·K)102.5熔点(℃)650线胀系数α1(10-6/K)25. 2沸点(℃)1107热导率λ(W/m·K)155.5熔化热(kJ/mol)8.71电阻 率ρ(nΩ·m)44.5汽化热(kJ/mol)134电导率κ(%IACS)38.62镁 合金的性能特点及应用现状镁合金具有以下几方面的特点:(1)重量轻:镁合金的比重约1.7 ,为锌的1/4,钢的1/5,甚至比铝合金(比重约2.7)的比重也轻1/3。(2)镁合金 具有的“高强度、重量轻”特性使其可在钢、铸铁、锌合金甚至铝合金的传统应用中取代上述材料 。(3)优良的导热性、相对于工程塑料极佳的吸震性,较佳的机械强度、抗冲击性及耐磨性。( 4)抗EMI电磁波:镁合金为非磁性金属,电磁遮蔽性能优良。(5)尺寸稳定性高:不易因环 境温度变化及时间而改变。(6)可回收:镁合金具有100%完全回收的特性,更符合当今环保 要求。(7)机械加工特性:如果设镁切削所需动力为1,则铝是1.8,黄铜是2.3,铸铁是 3.5;且比重轻,切削惯性小,可高速切削。镁合金的主要用途在于轻量化。目前镁合金压铸品 的应用产业以汽车零组件为主,约占80%以上,其次为3C产业,其它如自行车、器材工具、运 动用品及航天国防也都在其应用范围之内(见表2)。日本镁合金产品分布统计见表3。美国政府 与三大汽车公司(Ford)、通用(GM)、克莱斯勒(Chrysler)于1993年提出PNGV(PartnershipforaNewGenerationofVehicles)计划,希望在2004年开发6人座省油车,以每100公里耗油3公升为目标 ,主要在于车体结构与动力系统的轻量化设计开发。未来可能镁合金化表2镁合金的主要用途应用 产业应用产品汽车零件车座支架、仪表板及托架、电动窗电机壳体、升降器及轮轴电枢、油门踏板 、音响壳体、后视镜架自行车零件避震器零件、车架、曲柄、花壳、三/五通零件、轮圈、刹车手 把电子通讯笔记本计算机外壳、MD外壳、移动电话外壳、投影机外壳航天国防航空用通信器和雷 达机壳、飞机起落架轮壳运动用品网球拍、滑雪板固定器、球棒、射弓中段与把手器材工具手提电 动锯机壳、鱼钓自动收线匣、控制阀、相机机壳、摄像机壳表3日本镁合金产品应用统计表信息、 通讯产品77%笔记本计算机39%数字摄影机19%移动电话14%数码相机5%投影仪6%其 它电子产品17%汽、机车零件18%农林机械5%汽车零件88%机车零件12%农林业机械4 1%电动工具27%运动用品8%其它24%表4可以镁合金化的汽车零件总成零件名称总成零件 名称总成零件名称悬吊系统车轮备用轮胎控制臂(2个,后方)控制臂(2个,前方)引擎架后方 支架车身保险杆补强横梁铸造车门内衬铸造A/B柱挡风片开关补强材行李架侧镜内装仪表板、横 梁仪表板支架椅背椅座气囊零件刹车系统ABS零件离合器/刹车踏板托架,踏板零件方向盘方向 盘零件电气机械零件交流电箱音响/EEC零件雨刷电机交流电/AC托架动力系统传动(阀体、 箱、侧盖、启动器)传动箱(总重量12kg的15%)发动机组支撑托架罩套(油/水泵,机车 马达)汽缸盖吸气歧管引擎支架油盖前盖的汽车零件如表4所示。3镁合金加工的问题基于以上优 异的特性使镁合金在未来发展中具有很强的优势,更符合当代对环境保护、可持续发展的要求,是 取代钢铝材的最佳选择。由于镁金属化学活性大,给镁合金零部件的加工带来一系列的问题,妨碍 了镁合金的推广使用,主要体现在:(1)极易产生电化腐蚀在冶炼、制造上需特别注意,在防蚀 处理上也较其它金属困难。因此,为了使镁合金的应用更加广泛,对于镁合金的腐蚀机制、防蚀机 制、表面处理技术及工件防蚀设计,需要有更多的处理程序。(2)燃点低在切削过程中必须考虑 温度的影响,以防止切屑燃烧,并在加工中要采取相应的措施和条件才能真正杜绝事故的发生。( 3)工件变形的问题镁合金的线膨胀系数比钢和铸铁大,切削热、温差等因素都会直接影响镁合金 零件的精度,需要在选择加工余量、刀具几何参数、切削用量以及工装夹具的设计、检测方法的选 择等方面有很好的措施。4切削加工技术要点4.1加工过程中防锈措施零件应整齐排放在指定的 库位,不允许接触地面;存放零件的地方应采取防潮措施;用布蘸汽油擦拭涂有防锈油的零件表面 ,吹干后才能进行加工;全部化学处理工序,即启封、氧化和涂漆工序应记录在过程卡上;零件启 封后到投入加工不得超过15昼夜;零件经过划线后,氧化膜会被破坏,因此划线应在最后氧化前 进行;采用干式切削加工,不得用润滑油和冷却液冷却,加工螺纹时允许用机油润滑冷却;全部机 械加工工序应在最后氧化之前进行,特殊情况下,允许最后氧化后进行个别机械加工。零件的全部 锐角应倒圆,以获得最好的保护;从机械加工去氧化膜开始,每隔10昼夜进行氧化处理。4.2 零件表面后续防锈处理(1)表面预清洗(前处理)镁合金产品经由压铸或锻造等程序,其表面易 混入氧化物、润滑剂、油脂等污染物,因此前处理的目的在于清洁镁合金表面以利后续处理。主要 用两种方法清洗:①机械清洗,以不同研磨、粗抛光、干式及湿式磨蚀喷射等方式达到要求的表面 粗糙度;②化学清洗,以溶剂清洗、碱洗、酸洗,造成其不同的表面状态。(2)钝化处理钝化处 理是利用金属表面与溶液间的非电解化学反应产生不溶解、无机盐表面薄膜,其目的除了可提高耐 蚀能力外,其钝化膜亦可作为涂装之基底,以增加涂装的附着力。(3)阳极化处理阳极处理可产 生阳极氧化膜,大幅提升耐蚀能力;产生金属光泽质感,具备美观装饰作用,其氧化膜也作为后续 涂装基底,增加涂装的附着力。如果能在后续封孔处理得好,生成的致密氧化层可提高表面硬度及 抗蚀性。(4)电镀处理利用电镀技术可改变镁合金材料表面颜色、外观,以达到所需之功能性及 装饰性目的。一般在考虑提高电镀层附着力时,会在电镀处理前进行数次打底的前置处理,如锌置 换、铜置换、无电镀镍等。(5)金属覆层金属覆层可进一步防蚀及增加表面机械性质、硬度,从 而达到在特殊环境条件下最终选择轻量化镁合金的目的。4.3镁合金加工过程中防止燃烧的措施 (1)日常管理过程中的措施在规定的场地加工镁合金零件,工作现场需整洁、明亮、通风。要及 时清理工作现场的镁屑,不准在机床旁边堆放切屑,而应在厂房外指定专用容器放置切屑。每台加 工机床旁应配置干粉灭火器或灭火用的干沙。(2)技术规范措施选择合适的切削用量和刀具几何 参数,尽量避免小于0.05mm的吃刀深度,保持刀具的锋利和断续切削状态,避免产生薄的带 状切屑。(3)设备环境措施尽可能采用干式高速切削,不使用冷却液,空气自然冷却,配置冲水 排屑装备。由于遇水的镁合金粉末容易产生氢气,所以生产加工时尽可能使用矿物油(严禁使用酸 性切削剂),对于油类切削液的机床需具有防漏设计。另外,在清除镁屑时,尽可能不要接触水。 4.4减少零件加工过程变形的措施镁合金切削力小,切削能耗低,切削过程中发热少,切屑易断 ,刀具磨损小,寿命显著延长,因此,加工镁合金可进行高速、大切削量切削,这在一定程度上抵 消了镁合金价格较高的弱点。原则上任何刀具材料,包括普通碳素钢都可以用于加工镁合金,大批 量切削加工时,一般选用硬质合金刀具,金刚石刀具主要用在表面质量要求较严的情况,车削镁合 金一般也选用金刚石刀具。但镁合金燃点低(650℃),在加工中必须用矿物油进行强力冷却, 并把镁的切屑减小切削余量和温差。粗加工与精加工工序间安排人工或者自然时效及相应的回火热 处理,以尽可能释放零件内部应力,减小加工后变形。(2)合理的刀具几何参数:采用大前角, 一般γ=20°～30°,粗加工取较小值,精加工时α=10°～15°,λs=60°～75 °。大的刃倾角可增加切削力。同时,要考虑后刀面的磨损对切削力的影响,因此,控制后刀面的 磨损保持刀具的锋利程度也是降低切削力的有效办法。主偏角对切削力有直接的影响,减小主偏角 增大切削深度与走刀量的比值对切削区内的散热有很好的作用。一般主偏角Hγ=30°～45° 。(3)选择适合的切削用量:采用高速铣削技术进行加工,切削热基本都由切屑带走,也可以适 当选择大走刀量、大切削深度。5结语镁合金正在从一般结构铸造件向着高性能轻合金结构框架、 精密复杂应用条件的方向发展,正在由军工向着民用不断推广,同时加工技术向数控化、高速化、 自动化技术方向发展,向材料制备与构件成形同时制造的方向发展;制造技术向信息化、数字化及设计—制造一体化方向发展。我国镁合金制造技术正处在一个新的变革时代,它将为新一代工业与民用设备的研制提供更先进的材料与制造技术。镁合金应用的发展趋势及切削加工要点@赵鸿$哈尔滨工程大学!航天科工哈尔滨有限公司
@孟庆鑫$哈尔滨工程大学
@肖波$航天科工哈尔滨有限公司
@刘云凤$航天科工哈尔滨有限公司
@陈广梁$航天科工哈尔滨有限公司镁合金;;发展趋势;;切削加工;;技术要点介绍了镁合金材 料应用的现状及发展趋势,提出了在切削加工过程中防锈、防止切屑燃烧、减小加工变形应采取的 技术措施与要点。1 《航空制造工程手册》总编委员会.航空制造工程手册.航空工业出版社,1997
2 曾正明.机械工程材料手册.机械
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