基于安全与防腐蚀的镁合金切削加工控制方法_陈元林.pdf

2023年 第5期 冷加工17专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technology基于安全与防腐蚀的镁合金切削加工控制方法陈元林，蔡林宏中国兵器装备集团自动化研究所有限公司四川绵阳621000摘要：根据镁合金材料特性，通过危险源辨识，制定相应的安全控制措施；通过腐蚀机理分析，选取适宜的防腐蚀工艺方案，有效控制镁合金零件在切削加工过程及表面处理前的防腐蚀效果。关键词：镁合金；切削加工；安全隐患；防腐蚀效果；控制方法工程师陈元林1 序言在航空、航天领域，产品的质量技术指标控制非常严格。随着现代化战场的需要，对武器装备的机动性、功耗也提出了较高要求，而不是以往的“傻大笨”形象。在装备的结构设计上，更倾向于选择轻质材料。在无人机等武器装备中，已逐步开展镁合金等轻质材料的应用。某型无人机研制时，反复优化结构尺寸均不能满足质量指标，则将其中部分零件材料由密度为2.8g/cm3的铝合金调整为密度为1.8g/cm3的镁合金，相应地，零件质量可降低36%1。对于镁合金材料的切削加工，多数企业尤其是中小微机械加工厂，由于对镁合金的特性了解不足，缺乏相应的加工经验，因此在加工时存在较多安全及质量隐患，造成不少经济损失。2 镁及镁合金材料特性镁的化学活性高，标准电极点位为2.73V2，极易与其他金属元素形成电偶腐蚀。由于镁的燃点为3840，且遇水反应产生氢气，因此镁属于一级遇湿易燃品。镁合金是在Mg中加入Al、Zn和Mn等元素形成5 结束语以珩代研高精度内孔加工方案，是机械加工代替人工操作的典型应用。通过对珩磨工艺参数和装夹方式的优化选择，在高精度内孔加工方面取得了较好效果。一方面，在保证加工质量的同时，加工效率提高10倍左右；另一方面，降低了类似精密加工对操作人员技能的依赖程度，减轻了操作人员的劳动强度。如果采取零点定位快换系统，并增加传感系统，还可以将高精度内孔珩磨并入智能制造生产线，从而产生更大的经济效益。参考文献：1 盛永华，曹甜东.钳工工艺技术M.沈阳：辽宁科学技术出版社，2009.2 王世清.深孔加工技术M.西安：西北工业大学出版社，2003.3 王先逵，李庆祥，刘成颖.精密加工技术实用手册M.北京：机械工业出版社，2001.4 吴拓.简明机床夹具设计手册M.北京：化学工业出版社，2010.202303222023年 第5期 冷加工18专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technology的合金，外观呈银白色，与铝相似，具有良好的导电导热性能、较差的耐蚀性和易于氧化燃烧的特性。镁合金在潮湿空气中容易氧化和腐蚀，其表面极易形成氧化镁或氢氧化镁等疏松氧化层，且不易清除干净，对后续表面处理加工质量会造成严重的隐患。3 切削加工的安全性分析由于镁合金切削过程中，切屑切口处大部分是未氧化的镁和镁合金，加之切屑薄而小，比表面积大，因此高温环境下在空气中极易燃烧。当切屑呈粉状时，与空气混合遇火能发生爆炸。机械加工时，为充分发挥刀具的切削性能，提高生产效率和工件质量，一般要求较高的切削速度。高速度切削往往会使金属切屑的温度高达7001000，而镁的燃点为428，当缺乏切削液的有效供应时，高温将足以引燃切屑起火。通过危险源识别，镁合金切削加工的主要危险源见表1。表1镁合金切削加工危险源能量物质或其载体可能意外释放什么能量能量意外释放的条件危险源描述特性事故类型物的状态人的行为镁合金 切屑热能切屑切削液不足切削时，切削冷却不足，引燃火灾切屑切削液不匹配切削时，可燃或具有强氧化性等非专业切削液遇高温切屑，引燃切屑机床液压油泄露切削时，高温切屑遇液压油，引燃切屑未及时清理液压油抹布切削时，高温切屑遇油抹布，引燃切屑附近有其他电焊、动火作业切屑遇电弧、火种，引燃切屑易产生火花的机械作业切屑遇打磨、切削黑色金属火星，引燃镁合金零件中有钢铁衬芯刀具碰撞钢铁衬芯切削时，刀具碰撞衬芯产生火花遇切屑，引燃钝的、粘有切屑的或破裂的刀具不良刀具切削镁合金不良刀具切削时，刀具摩擦工件，高温引燃切屑4 防止火灾的控制方法4.1 切削加工注意事项基于镁合金切削加工的安全性分析及主要危险源辨识情况，在进行镁合金切削加工时，应注意从以下几个方面进行控制。1）相较于其他金属切削加工，应选用前角适量偏小的刀具。2）切削工具要保持锋利，不允许使用钝的、粘有切屑的或破裂的刀具。3）一般情况下，采用高速、大进给量进行切削加工。当零件精度较高时，则选用较低的切削速度和进给量。4）切削进给结束应立即退刀，不能让刀具中途停顿在工件上。5）如果镁合金零件中有钢铁衬芯时，要避免与刀具相碰产生火花3。6）在进行镁合金铣削、车削时，机床旁应停止其他易产生火花的作业。7）机床或工作服上的切屑应及时清除并存放在指定地点，不得与其他切屑混在一起。8）日常工作中应加强设备的检修与维护，保持机床完好，严防漏油；对清洁机床后遗留的油抹布、油棉纱等，应及时清理，并与镁合金切屑相 隔离。4.2 消防安全注意事项由于镁高温时遇水可发生化学反应，放出氢气，故发生火灾时，水、泡沫、二氧化碳和干粉等灭火剂都受到限制，扑救难度大。因此，在原材料区域、加工中心等机床旁及切屑回收库房等区域内，应存放足量的D型金属灭火器，可适当备存干2023年 第5期 冷加工19专题策划：CIMT2023特刊新产品、新技术Special Topic:New Product and New Technology砂，以应对可能发生的火灾；在扑救镁合金切屑火灾时，应使灭火器喷嘴与起火镁合金切屑间保持一定距离，以尽量减少灭火器喷射过程中对切屑的冲击作用，防止切屑扩散形成爆炸性混合物。5 切削加工的腐蚀原因分析由镁及镁合金的材料特性可见，镁合金的腐蚀主要为电偶腐蚀。而在切削加工中，为快速带走切削热量，企业常采用加入切削液的湿式切削方式。在对材料特性认识不足时，直接采用普通切削液4。普通切削液中加入自来水，水中的Cl具有较强的穿透性，Cl在切削高温下会加速镁合金点腐蚀。此外，在加工铝合金等金属材料后，直接进行镁合金材料加工，这就为镁合金电偶腐蚀提供了大量正极材料，进一步加速镁合金的腐蚀。在镁合金切削加工工序间流转或转入表面防腐处理前，由于防护意识较差或防护措施不足，暴露于空气中的镁合金零件表面易氧化形成氧化层。其氧化层与铝合金材料表面致密的氧化层不同，由于其疏松特性，并不能保护内部镁合金不受腐蚀5。再者零件直接放置于金属货架上6，也形成电偶腐蚀条件。6 加工过程防腐蚀控制方法针对企业较多采用的湿式切削方式，镁合金防腐蚀加工方案主要有以下两种：一是选用黏度较低的矿物油切削液7，在切削加工过程中除冷却润滑外，附着在零件表面的矿物油也起到较好的隔绝空气作用；二是选用加入缓蚀剂的镁合金专用切削液，在加工完成吹干表面切削液后涂防锈油，油膜隔绝大气、水分等腐蚀介质，可保证镁合金加工过程中防腐蚀效果。涂防锈油与否在放置一周后的防腐蚀情况对比如图1所示。除切削液的选择外，还需注意的是加工过程中应将零件隔离放置，及时转入后续表面处理工序，降低镁合金腐蚀的可能性。7 结束语在进行新材料应用时，应充分了解材料特性，根据特性分析可能的安全、质量等风险因素，制定相应的控制措施，以减少不必要的经济损失。在镁合金材料加工前，应配备D型金属灭火器、防火切屑存放装置，并选取经济性较好的专用切削液与防锈油配合使用的工艺方案，实现镁合金零件的顺利加工。参考文献：1 侯朋.镁合金加工的切削参数选择J.科技资讯，2010（24）：38.2 薛俊峰.镁合金防腐蚀技术M.北京：化学工业出版社，2010.3 郑程.镁合金制品加工安全技术与事故防范措施J.安全与健康，2015（8）：43-45.4 徐关庆，林键彬，陆勇林.镁合金在切削加工过程中容易出现的问题与对策J.汽车工艺与材料，2011（3）：32-36.5 王俊杰，张伟.镁合金切削加工技术研究J.中国金属通报，2019（11）：165-166.6 康霞，孙芳，王瑰丽.镁合金在机械加工中的应用J.科技与创新，2015（15）：78-79.7 刘建勃，拓耀飞.镁合金切削加工浅谈J.内燃机与配件，2017（6）：60-61.20230306专家点评文章的亮点是镁合金材料的切削加工安全性分析。详细阐述了新材料特性以及存在的安全、质量隐患，提前进行风险评估并采取有效的防范措施。在加工前配备灭火器和防火切屑存放装置，并选用经济性较好的专用切削液与防锈油配合使用，做到有备无患。文章观点明确、思路清晰，从安全角度出发，防范于未然，突出镁合金材料的腐蚀和易燃特性，兼具机械加工和消防安全知识。基于镁合金切削中的危险源辨识和防火、防腐蚀控制方法，在安全生产中起到很好的警示和借鉴作用。a）未涂防锈油零件 b）涂防锈油零件图1涂防锈油与否在放置一周后的防腐蚀情况对比