钻削压铸AZ91D镁合金测试系统开发与性能试验研究

【摘要】：AZ91D作为镁合金压铸件的主要合金牌号，由于其具有密度小、比强度 和比刚度高等一系列有点，使其在汽车、仪表及航空等领域的应用十分广泛。 由于大规模生产，对压铸AZ91D镁合金的机械加工性能作系统的研究就显得尤为重要。钻削加工是压铸AZ91D镁合金的一种重要的加工手段，因此，本文主要针对其钻削加工性进行了系统研究。本论文所使用的压铸AZ91D镁合金样品的成份（量百分比）：Al:9.068%,Zn:0.726%,Mn:0.131%,其它为Mg,硬度值为HB=60，抗拉强度σb=230MPa. 本论文构造了钻削力、扭矩测试系统。根据试验要求，完成了钻削轴向力、扭矩测试系统硬件和软件的整体设计。构造了以SDZ—E型双向压电式动态钻削测力仪、CA系列电荷放大器、PCI7483数据采集卡和计算机为基础的测试硬件系统，并利用VC++6.0在Windows平台上开发了切削力、扭矩软件系统。论文针对软件开发中数据采集卡类实现、采集系统精确定时、数据存储等关键技术进行了系统研究。尤其是在系统实现精确定时方面，本论文中，采用的是多媒体定时器进行定时，实现了数据采集系统的精确定时，使用了timeGetTime()和timeSetEvent()函数，定时精度为1ms,并对系统的整体性能进行了评价。系统可以完成多通道、高频率的切削力、扭矩的实时数据采集，量程为±5kN(扩容后达到8kN),采样频率为1000HZ,误差为1.078%，整体性能完全满足试验要求。 论文分析了压铸AZ91D镁合金的组织特点，其组织由α-Mg枝晶和晶界 不连续分布的β相（Mg17AL12金属间化合物）及少量共晶体组成。采用三因素三水平全面试验方法，进行了压铸AZ91D镁合金钻削试验，针对其钻削性能进行了系统研究。我们发现，在横刃距AZ91D镁合金压铸件表面大约2.3mm处轴向力出现最大值峰。钻头钻入样品后，横刃大约在样品心部（两相对表面对应点连线的中点），轴向力出现最小值峰。这是由于钻削机械加工和AZ91D WP=74 镁合金压铸件的特点共同引起的。在最大值峰处，麻花钻主切削在此处刚好完全钻入样品，同时，AZ91D镁合金压铸件此处硬度值也较大（样品表面硬度HB=60）。在钻头完全钻入样品后，横刃未到达样品心部这段距离中，由于样品的温度低，钻削过程所产生的热量被样品吸收，切削温度相对较低，同时，样品的温度升高，钻削力减小，在此过程中，切削温度还不能引起积屑瘤的形成，积屑瘤基本没有产生。大约副刃在样品的心部处，钻削力出现最小值峰，此处样品的硬度值也较小（此处样品HB=59）。本论文测定了不同切削用量、不同直径时钻削力和扭矩值，利用多元线性回归分析法获得了钻削力、扭矩与切削用量、麻花钻直径之间的定量关系即 F=6.246d1.1079f0.7643v0.2328 ， M=0.045d2.0716f0.8894v0.4607。同时，本论文对回归方程进行了显著性检验，由F表可知，α=0.01时，F=4.76,F值远远小于力和扭矩的F值，表明回归方程是非常显著的。在同等加工条件下，将压铸AZ91D镁合金与正火45#钢钻削加工的轴向力、扭矩和功率进行了比较，结果发现压铸AZ91D镁合金与正火45#钢轴向力、扭矩及功率百分比值的最大值分别为12.22%、9.8%、9.8%。由此可以看出压铸AZ91D镁合金属于易切削加工材料。根据试验中获得的经验对切削用量的合理制定提出了建议，即钻削速度最好控制在6000r/min以下，进给量在0.20mm/r左右。 本论文还对压铸AZ91D镁合金钻削加工中的切削温度特征进行分析。在 高速钻削压铸AZ91D镁合金过程中，切削温度将急剧升高。我们在试验中观察到，切屑形成后仍与刀具工件相接触，切屑将所带走的切削热再次传递给刀具及工件，使切削温度进一步提高。同时，钻削刀具切削部分刀具的温度，受到三个变形区域内材料的塑性变形和摩擦力做的功产生的热量直接影响，钻削三个变形区所产生的热量中心都在刀具的刃部，这使得钻刃始终处于高温中，总的切削热量q=[（6.246d1.1079f0.7643v0.2328）2+(0.09d1.0716f0.8894v0.4607)2 ]0.5 ×v ,这给压铸AZ91D镁合金钻削加工带来以下不利影响：1）加速了刀具的磨损。 WP=75 2）由于镁合金的低熔点特性，刀刃上的积屑瘤可能会被熔化，这对钻削工是很不利的。