高精度铸造镁合金壳体加工方法

【金属加工（mw1950pub）】

编者按

介绍一种高精度铸造镁合金材料壳体零件的加工方法，从工艺方案、刀具选用、切削参数以及加工中的注意事项等方面阐述了整个加工过程，具有很强的操作性和指导性。

1 序言

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变化，钢铁、铜和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，其应用以每年20%的速度持续增长。镁合金的密度约为1.7×103kg/m3，较铝合金还轻1/3，其具有优良的导热性、吸振性、抗冲击性和耐磨性，还具有100%完全回收的特性，更符合当代对环境保护和可持续发展的要求。但是由于镁合金具有化学活性大、熔点低（650℃）、线膨胀系数大（25.2×10-6/K）等特点，给其零件的加工带来了很多难题[1]：极易产生化学腐蚀。加工过程中易燃烧。在切削力和夹紧力作用下，容易产生较大的弹性变形，使工件不易获得较高的加工精度。因此，有必要对镁合金高精度、复杂壳体类零件的加工工艺进行探索和研究。

2零件结构分析

红外支架（见图1）是我公司承接某研究所航天产品中重要的零件之一，材料是铸造镁合金ZM5[2]，其外形特殊，结构复杂，精度较高，最薄的壁厚为3mm，外形尺寸为280mm×280mm×290mm，内孔φ206mm，圆柱度0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.4μm；φ76mm内孔的圆柱度0.006mm；两侧装配面A面平面度要求0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.4μm。

图1　红外支架

3工艺方案

通过对产品结构进行分析和研究，制定如下适合于镁合金壳体加工的工艺方案，经过实践加工，满足产品高精度加工要求。

1）为避免零件腐蚀和出于安全的考虑，加工过程中不能使用切削液，而是采用空气冷却的方法进行冷却。

2）制定合理的工艺方案，将加工分为粗加工、半精加工和精加工3个阶段。粗加工阶段去除大部分余量，半精加工阶段将去重槽、外形中大部分的部位加工成形，精加工阶段加工关键部位，每个阶段都留有适当的切削余量，以减小切削力及加工中的应力产生的变形[3]。

3）在半精加工之后、精加工之前安排“高低温时效处理”，来稳定零件的尺寸，以保证高精度尺寸及几何精度的要求。

4）在装夹零件的过程中，采用“打表压紧法”对工件进行压紧，避免了压紧使工件产生的变形，以保证装卸前后加工尺寸一致。

4具体实施方式

工艺方案的具体实施方式如下。

1）加工镁合金零件的场地应通风、明亮和整洁，设备旁边配置灭火用的干沙。采用空气冷却，压力控制在0.45～0.50MPa，这样可保证切屑及时脱离工件，带走大量的切削热量，从而避免引起零件的腐蚀和燃烧。

2）粗加工留量1.5mm，半精加工留量0.5mm。粗加工时需要去除大部分余量，将内部圆弧、方槽加工成形；半精加工时将外形筋、凸台及各槽加工成形，内孔及A面各留量0.5mm。过薄的切屑容易使局部温度急剧升高而造成切屑燃烧。注意最小进给量不要小于0.05mm，精加工时分为3次走刀，余量分配为0.30mm、0.12mm和0.08mm。

3）在半精加工之后、精加工之前进行“高低温时效处理”，具体方法：先将零件放置在-50℃的冷冻箱中保持1h，然后将其取出，放置在100℃的烘箱中保持1h，这样循环3次，每次交换过程不能超过1min，经过处理后，保证了最终加工的零件尺寸稳定不变化，满足了图样设计要求。

4）由于镁合金的弹性模量大，在切削力和夹紧力作用下，容易产生较大的弹性变形，所以在定位装夹方面需要采取措施。首先选择较好的定位基准面，压紧力需要落在定位面上，不能产生空点。然后选择较平整的B面为定位面，将B面精加工，要求平面度0.003mm，在加工B面的同时将A面见光，与B面保持垂直。这样加工内孔与A面时，先将B面放在垫铁上，B面的平整保证了定位的可靠性；随后用小压板从槽内侧面进行压紧，在拧紧螺母的过程中打表找正A面，表针应无变化，这种状态下，压紧前后工件不会产生变形，保证了加工后的尺寸要求。红外支架定位压紧位置如图2所示。

图2　红外支架定位压紧位置

5）加工高精度A面时，为使切削力达到最小以减小变形，需要选择合理的切削刀具和参数。粗加工刀具选择φ16mm合金铣刀，前角4°，后角11°，螺旋升角30°，转速5000r/min，进给速度vf＝1500mm/min，这样不仅可以提高加工效率，而且转速大时切屑易排出，可带走大部分热量，使工件减小变形；精加工时，也选择φ16mm合金铣刀，但是刀具的几何角度发生了变化，前角7°，后角17°，螺旋升角35°，转速8000r/min，进给速度vf＝1000mm/min，刀具相对较锋利，摩擦小，切削热也小，达到了减小变形和提高加工质量的目的。

6）加工高精度孔特别是φ206mm孔时，由于大孔非常易变形，所以其加工方法、刀具及切削参数的选择对加工精度都有影响。因铣削孔效率高，镗削孔精度高，所以综合考虑后，确定为铣-镗加工方案。铣孔时，选择φ18mm合金铣刀，转速8000r/min，进给速度vf＝800mm/min，为后续镗孔单边留余量0.08mm，高转速时不仅易排屑，而且加工效率高，使工件不会产生很大的变形；镗孔时，选择φ206mm大径镗刀，转速300r/min，进给速度vf＝15mm/min，刀尖圆角r＜0.2mm，保持刀具的锋利，较小的径向力使孔不产生变形，保证了其加工精度。

红外支架按照以上方法加工后，各高精度面、孔表面的表面粗糙度值Ra＜0.4μm，A面的平面度达0.008mm，φ76mm孔圆柱度达到0.005mm，φ206mm孔圆柱度0.009mm，尺寸及几何精度全部满足图样要求。

5结束语

本文结合具体加工实例，从工艺方案、刀具选用、切削参数及加工中的注意事项等方面，介绍了一种高精度铸造镁合金材料壳体零件的加工方法[4]。通过制定加工方案和具体实施，解决了镁合金壳体易燃易腐、变形量大的材料弊端和铸造壳体零件壁薄厚不均、结构复杂的加工难题，完美保证了高精度加工要求，具有很强的操作性和指导性，为同类零件加工提供了解决方案和加工经验。

参考文献：

[1]秦超，王丽萍. 浅谈用于汽车生产中不同轻量化材料的加工工艺[J]. 汽车零部件，2021（4）：102-106.

[2]郑伟，柳叶芳，业飞，等. 耐热镁合金材料的研究和应用现状[J]. 世界有色金属，2021（4）：125-126.

[3]王柱兴，吕金旗，栗智鹏. 轻量化镁合金轮毂生产工艺研究[J]. 汽车工业研究，2018（6）：52-55.

[4]胡乃金，孙光照. 机械加工中提高精度的工艺方法[J]. 中国新技术新产品，2015（7）：47.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2022年第4期第24~26页，作者：山西平阳重工机械有限责任公司　王永军，张青才，马利民，原标题：《高精度铸造镁合金壳体加工方法》。