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  镁合金零件的机械加工与安全管理  
镁合金零件的机械加工与安全管理
镁合金密度为为1.8g/cm3的镁合金,比铝合金轻36%、锌合金轻73%、钢轻77%,被公认为重量最轻的结构金属材料。镁合金具有良好的切削性能。
 
1.1、镁合金切削功率消耗
对镁合金进行加工时,单位体积切削量的功率消耗比其它常见金属都要低。在几种典型的切削加工速度下,各种金属相对于镁的功率消耗如表一所示:
 
表一:镁合金与其它金属切削功率消耗比较
(假定镁的功率消耗为1)

金属
相对功率消耗
粗车时的切削速度(m/min)
采用5-10mm钻头时的钻削速度(m/min)
镁合金
1.0
可达1200
150-500
铝合金
1.8
75-750
60-400
铸铁
3.5
30-90
10-40
低碳钢
6.3
40-200
15-30
镍合金
10.0
20-90
5-20

 
由于镁合金导热性好、切削力小,故加工过程中的散热速度很快,因而刀具寿命长,粘刀量少,从而可以降低刀具费用,缩短更换刀具所需的停机时间。因为镁易切削,其断屑性能十分良好,一般情况下只需经过一次精加工便可达到所要求的最终表面光洁度。
 
1.2、镁材料因素对加工性能的影响
镁的一些物理特牲对机械加工性能有较大的影响,如材料成份、零件形状、合金状态、比热、导热性、热膨胀等对切屑的形成、扭曲、变形的影响。下面分别说明:
1.2.1、镁物理特性对切屑形成的影响。在机械加工过程中所形成切屑的类型,与材料成份、零件形状、合金状态及进给速度等因素相关。当采用单刃刀具进行镁合金的车、镗、刨、铣时,所产生的切屑可以分为三大类:在大进给量下形成粗大和断屑良好的切屑;在中等进给量下形成长度短和断屑良好的切屑;在小进给量下形成长而卷曲的切屑。
1.2.2、镁物理特性对扭曲变形的影响。由于镁的比热高和导热性良好,磨擦产生的热量会迅速地扩散到零件的各个部分,因此,对镁合金进行切削加工时并不会产生较高的温度。但是,在高切削速度和进给量大的情况下,零件所产生的热量也时相当可观的,很可能因为温度过高而发生扭曲变形。
1.2.3、热膨胀的影响。如果对成品零件的尺寸公差要求比较严格,则在设计中必须考虑到镁具有相当大的热膨胀系数这一影响因素,如果在上述加工条件下产生了相当多的热量,则很可能会影响到零件的加工精度。镁的热膨胀系数略高于铝,明显高于钢,在20-200℃范围内为26.6-27.4um/m·℃(与合金成份有关)。
1.2.4、冷变形的影响。在机械加工过程中,镁零件很少发生因为冷变形引起的扭曲变形或翘曲。但刀具太钝、进给速度太慢、刀具在加工过程中有停顿以及其它引起零件过度发热的不当操作,都可能造成扭曲变形或翘曲。
 
1.3、刀具对机械加工的影响
1.3.1、刀具材料的影响。镁加工刀具材料的选择取决于所需完成的机加工量。小批量加工时,一般使用寿命特别长的普通碳钢刀具;大批量加工时,通常优先选用镶嵌硬质合金的刀具;当加工批量大和公差要求很严时,可以使用成本较高的镶金刚石刀头来省去繁琐的复位补尝调整工作。
1.3.2、刀具设计的影响。加工钢和铝的刀具通常也适合于镁合金的加工。但是,由于镁的切削力低,热容量也相当低,故其加工刀具应当具有较大的外后角、较大的走屑空隙、较少的刀刃数和较小的前角。另外,保证刀具的各个表面很平滑也是十分重要的。
1.3.3、刀具刃磨的影响。对镁进行机械加工的一条重要原则是,应当使刀具保持尽可能高的锋利和光滑程度,必须没有划伤、毛剌和卷刃。如果刀具切削过其它金属,即使切削角没有改变,也应进行重新刃磨和珩磨。
刀具初磨可采用中等粒度的砂轮,然后使用精细粒度的砂轮进行刃磨,并在必要时再用细油石或超细油石进行手工珩磨。对于高速钢刀具,采用100目的氧化铝砂轮进行精磨即可获得满意的效果;对于刃磨镶嵌硬质合金的刀具,一般采用320目的碳化硅砂轮或200-300目的金刚石砂轮。
 
1.4、切削液对机械加工的影响
切削液有两大功能即冷却和润滑。由于镁的散热速度很快,可使被加工表面保持在较低的温度水平上,此外,镁的易切削性使其不易与钢发生胶合,切削加工时一般不需要润滑,因此在加工镁合金时往往并不需要切削液。通常小批量生产或简单加工都将选用干式加工,这样成本会更低而且比较干净。只有在镗深孔时可能需要用切削液进行润滑,在进给速度和切削速度很高时或大批量生产时也最好用切削液来进行冷却。
加工镁合金时,无论用高速或低速,用或不用切削液,都可以获得平滑的加工表面,而使用切削液主要是为了冷却工件,尽可能减少零件发生扭曲变形以及减少切屑着火的可能性。因此在镁的机械加工中,切削液一般被称作冷却液。在生产批量很大时,冷却液是延长刀具寿命的因素之一。
冷却液一般使用的是矿物油。矿物密封油和煤油已被成功地用作镁合金加工的冷却液。为了达到更好的冷却效果,切削油应当具有较低的粘度。为了防止对镁合金零件造成腐蚀,切削液中的游离酸含量应低于0.2%。
 
2、机械加工安全操作规程
在现有镁合金压铸加工企业,普遍存在一些安全方面的误区,认为镁合金的危险只存在于压铸环节,搞好此处的安全工作就放心了,其实加工镁合金时,燃烧或爆炸的危险性更甚于压铸工序,因此对镁合金机械加工工序的安全管理绝不能弱于压铸环节,也应当形成一项长抓不懈的制度,也要企业的有关管理人员和操作员对安全操作规程有充分的了解。
 
2.1、机械加工过程中的不安全因素
在对镁合金进行机械加工的过程中产生的切屑和细粉末都有燃烧或爆炸的危险。初加工阶段产生的切屑尺寸较大,由于镁的导热率很高,可以迅速将产生的磨擦热散失出去,难以达到燃点温度,此阶段事故发生较少。但在精加工阶段,由于所产生的细小切屑和细粉末具有很大的比表面积,因而很容易达到引燃温度而造成燃烧或爆炸事故。
在对镁合金加工过程中使切屑升温到达闪点或燃烧的影响因素有:
加工速度与切削速率之间的关系:在任何一组给定条件下,都存在一个可能引起燃烧的加工速度和进给速率范围。进给速率提高,切屑厚度增大,从而更不容易达到燃点温度。加工速度只要足够低,任何尺寸大小的切屑都不可能被引燃,如果加工速度足够高,由于切屑与刀具的接触时间很短,故不可能将任何尺寸大小的切屑加热到引燃温度。
环境大气的相对温度:相对湿度越高,则失火的可能性越大。
合金的成份与状态:与金相合金相比,单相合金更不容易失火;合金状态越均匀,则失火的可能性越小。
其它因素:进给速率或吃刀量太小;加工过程中的停顿时间过长;刀具的后角和容屑空间过小;在没有使用切削液的情况下采用了很高的切削速度;刀具与嵌套在铸件中的异种金属芯衬相撞时可能产生火花;镁切屑在机床周围或下方积聚等等,都是造成事故的因素。
 
2.2、机械加工的安全操作规程
完善的机械加工规程应包括下列内容:
一、    切削工具要保持锋利,并磨出较大的后角与离隙角;不允许使用钝的、粘有切屑的或破裂的刀具。
二、    一般情况下尽量使用大进给量进行加工,避免使用微小的进给量,以产生较大厚度的切屑。
三、    不要让刀具中途停顿在工件上。
四、    使用微小切削量时,要使用矿物油冷却液来减少降温。
五、    如果镁合金零件中有钢铁芯衬,要小心与刀具相碰产生火花。
六、    保持环境整齐、干净。
七、    严禁在机加工工作区内吸烟、生火、烧焊。
八、    工作区域内应存放足量的灭火器材。
2.3、磨削加工中的安全问题
镁粉尘很容易燃烧,悬浮在空气中时会引起爆炸。应采取一切可能的措施确保镁磨削粉尘的正确收集与处置。
在对镁进行干法磨削时,必须用设计得当的湿法吸尘系统立即从工作区域中清除出去。吸尘器与磨床之间的连结管应当短而直,吸尘器应保持清洁,并将其排风口设在室外,并要频繁的将吸尘器中的镁渣清理出去,以防止其过多积聚,在对淤渣进行处理之前,应将其保存在水下。
随时保持工作环境的整洁,对于保证磨削镁时的安全至关重要。每天都必须对砂轮与吸尘器之间的连接管进行至少一次检查和清理,每个月应对整个吸尘系统至少进行一次彻底地清理。不得让镁粉尘聚集在座椅、窗户、管路和其它水平面上。
不应将太多的产尘设备与一个集中排放系统相连接。干燥管路很长的中央吸尘系统和带过滤器的普通吸尘系统,都不适合于收集镁粉尘。
如果要在带式打磨装置或圆盘式磨床上对镁进行湿法磨削,应当使用足量的切削液来收集所有粉尘,并将其输送到收集点。
总之,对镁进行磨削加工时,必须采取下列预防措施:
一、    必须留出专门用于镁的磨床,并贴上“镁专用”标签,在对砂轮进行修整之前,应对吸尘器作彻底清理。
二、    对用铬酸盐蚀洗过的镁表面进行返工磨削时,有可能引起火花,因此,要特别小心,绝不允许有粉尘聚集在附近。
三、    磨削设备操作手应当使用平滑的帽子、平滑的手套与无口袋和袖口的平滑阻燃服,所用的围裙或防护服应当清洁无尘和易于脱下。
四、    警告标志应当放置在显眼的地方。
五、    工作区域内应存放足量的灭火器材。
 
2.4、镁屑与微细粉末的处理
干燥切屑应放置在清洁和密封的钢制容器中,并存放在不会与水接触的地方,等待转售。
湿切屑与淤渣应存放在置于偏僻处的通风钢制窗口中,且必须有足够的通风量,以便使氢气逸出。把湿的切屑和细粉末装在盖紧的容器中特别危险,这将有高浓度的氢气集聚而发生爆炸的危险。
目前,镁屑、镁粉末与淤渣的常用处理方法是:用5%的氯化铁溶液进行溶解,可在数小时内使绝大多数镁转化成不燃烧的氢氧化镁和氯化镁残渣。由于在这种反应中会产生氢气,故应在室外的敞开容器中进行处理,并严禁在反应器的周围生火吸烟或焊接作业。氯化铁用量为一般为1公斤干燥镁使用0.6公斤氯化铁,在配制5%的溶液时,应将淤渣中的水考虑进去。
 
2.5、镁屑燃烧的灭火
灭火通常采用以下几种材料或方式:
一、    D级灭火器:其材料通常使用氯化钠基粉末或一种经过钝化处理的石墨基粉末,其原理是通过排除氧气来闷熄失火。
二、    覆盖剂或干砂:小面积着火可用其覆盖,其原理也是通过排除氧气来闷熄失火。
三、    铸铁碎屑:没有其它好的灭火材料的情况下也可用之,主要作用是将温度降到镁的燃点以下,而不是将火闷熄。
总之,无论在什么情况下,都不能用水或任何其它标准灭火器去扑灭由镁引起的失火的。水、其它液体、二氧化碳、泡沫等都会与燃烧着的镁起反应,并且是加强火势而不是抑制火势。
 
 
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