筆記本電腦外殼鎂合金數(shù)控加工
2014-3-23 來源：成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園公司 作者： 鄧偉 羅一桓
鎂合金材料在3C產(chǎn)品加工中的優(yōu)勢：
目前，3C產(chǎn)品高速發(fā)展，競爭激烈，消費群對3C產(chǎn)品的“輕、薄”特性的需求尤為強烈，這就促使3C產(chǎn)品加工制造技術(shù)必須從材料和加工工藝上尋求突破。其中，鎂合金材料成為3C產(chǎn)品加工制造中原材料的新寵。
首先，鎂合金是實用金屬中最輕的金屬，比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4，迎合了3C產(chǎn)品客戶群對“輕、薄”特性的需求。此外，鎂合金還具有比強度高，彈性模量大，消振性好等特點，非常適合作為3C電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件。資料顯示，如果在3C產(chǎn)品的外殼上用鎂合金代替ABS塑料，則材料重量可以最大減少36%，厚度降低64%。
其次，鎂合金具有良好的散熱性。鎂合金的導熱能力是ABS塑料的350～400倍，對于在內(nèi)部產(chǎn)生高溫的電子產(chǎn)品，如果外殼和散熱部件上使用鎂合金，多數(shù)情況下無需散熱風扇或散熱孔。
最后，鎂合金具有良好的電磁屏蔽特性。鎂合金具有優(yōu)于鋁合金的磁屏蔽性能、更良好的阻隔電磁波功能，更適合于制作容易被外界干擾的精密電子產(chǎn)品。也可以用作計算機、手機等產(chǎn)生電磁波輻射的電子產(chǎn)品外殼，以降低電磁波對人體的輻射危害。
鎂合金數(shù)控加工技術(shù)在3C產(chǎn)品中的優(yōu)勢：
鎂合金材料具有加工易燃、腐蝕的特性，相對于鐵、鋁等傳統(tǒng)金屬材料來說，并不太適合于切削加工。因此，鎂合金材料應(yīng)用初期更廣泛采用模鑄、壓鑄等工藝方法成形。但是，隨著3C產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展，這樣的成形方式難以滿足需求。首先，隨著3C產(chǎn)品小型化、集成化程度越來越高，使得3C產(chǎn)品外殼結(jié)構(gòu)越來越復雜，模鑄、壓鑄等工藝方法難以精密成形；其次，3C產(chǎn)品研發(fā)制造周期越來越短，模鑄、壓鑄的開模周期嚴重制約其生產(chǎn)周期。
最后，消費群對產(chǎn)品外觀缺陷的零容忍與幾乎不可避免的鑄造缺陷存在嚴重矛盾。因此，鎂合金數(shù)控加工技術(shù)越來越被重視。
鎂合金數(shù)控加工的安全性分析：
傳統(tǒng)觀念認為，鎂合金具有高度危險性，是一種不安全材料。鎂合金的數(shù)控加工，首先必須解決加工生產(chǎn)的安全性，這是后續(xù)加工生產(chǎn)的前提和準則。
但是，筆者通過理論研究，結(jié)合本單位大量的鎂合金生產(chǎn)實踐，總結(jié)認為，理論上存在的危險性在實踐中并不能一概而論：事實上鎂合金的塊狀固體相當安全，不會發(fā)生燃燒和爆炸。甚至將鎂塊直接對著火焰加熱和燃燒，也很難引起鎂的燃燒。即使鎂塊被引燃，只要將火焰源撤離，鎂塊也會因為熱量迅速散失，溫度降至燃點以下，而自動熄滅火焰。鎂的粉塵、碎屑、輕薄料的確存在一定的燃燒、爆炸危害性。一般認為：當空氣中鎂粉濃度達到20mg/L以上時，就可能引起爆炸；直接對鎂粉加熱到340～560℃也可能引起鎂粉塵燃燒。因此保證鎂合金的生產(chǎn)安全，其關(guān)鍵在于對鎂的粉塵、碎屑進行有效管理和控制。
因此， 對于鎂合金的生產(chǎn)管理，既不能“談鎂色變”，以至于不敢開展鎂合金生產(chǎn)活動，也不能麻痹大意，隨意進行鎂合金生產(chǎn)。
只要在鎂合金生產(chǎn)過程中，進行嚴格有效的生產(chǎn)管理，是能保證其生產(chǎn)安全的。
鎂合金數(shù)控加工在企業(yè)中的應(yīng)用：
筆者所在的成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園公司，長期以來主要承擔以鋁合金、銅合金為主的電子裝備零件的機械加工任務(wù)，以高質(zhì)量、高信譽享譽西南地區(qū)乃至全國。在鎂合金材料應(yīng)用之初，企業(yè)就敏銳地預見到該材料在電子裝備領(lǐng)域的巨大前景，果斷投入大量人力和物力進行研究，是少數(shù)率先掌握鎂合金數(shù)控加工及表面處理技術(shù)，并形成規(guī)模生產(chǎn)能力的企業(yè)之一。
鎂合金筆記本電腦外殼數(shù)控加工工藝分析：
（1）工藝分析 圖1所示為本公司為其他企業(yè)代工生產(chǎn)的一款筆記本電腦外殼， 材料為鎂合金ME20。該零件結(jié)構(gòu)復雜，尺寸精度要求高，因此采用鎂合金板材整體數(shù)銑加工的方式成形。鎂合金加工在刀具選擇、切削參數(shù)選擇、切削方案選擇、切削液選擇和防腐蝕措施、切屑處理等方面都與傳統(tǒng)鋁合金加工有很大區(qū)別。
圖1 某型鎂合金筆記本電腦外殼
（ 2）刀具選擇 鎂合金導熱性好， 材料軟， 切削力小， 所以加工過程中的散熱速度很快，粘刀量少，因此刀具壽命可以很長。但是，用于鎂合金加工的刀具要求保持刃口鋒利，因為刃口磨損較大的刀具會增加切削過程中的摩擦力，從而導致切削溫度大幅升高，引起鎂屑的閃燃甚至燃燒，造成切削過程中的不安全因素增加。因此，鎂合金加工一般要求選用新的硬質(zhì)合金刀具，不能混用加工過其他材料的舊刀具。
一般加工鋼和鋁的刀具設(shè)計原理也適用于加工鎂合金的刀具。由于鎂合金的切削抗力低， 而且熱容量也相當?shù)停糜阪V合金加工的銑刀的刀齒數(shù)目相對于其他金屬要多。減少刀齒數(shù)目可以增加容屑空間和進刀量，從而可以減少摩擦發(fā)熱和增大容屑間隙，降低碎屑的扭曲變形，減小功率消耗和發(fā)熱。筆者所在的公司在加工鎂合金時，一般優(yōu)先使用三刃硬質(zhì)合金立銑刀。
在特殊情況下，如三刃刀具刃長不足，直徑規(guī)格不適合等，也可使用四刃硬質(zhì)合金立銑刀。
（3）切削液選擇 鎂合金材質(zhì)軟，易切削，無論使用高速低速，用或不用切削液，都可以達到非常光平滑的加工表面。不使用切削液的干式加工，可以降低加工成本，廢屑易收集和儲運。因此在許多參考文獻中，都推薦采用干式加工。
但是，干式加工在使用高速和形成細屑時，存在著火的風險。這就要求數(shù)控操作者必須隨時觀察加工情況，萬一失火時，可以立即撲滅，但該種方式依然存在不可估量的風險。這就限制了操作者無法做到一人多機的工作模式，從整體加工成本和效率上看，并不劃算。
此外，鎂合金遇熱易膨脹。根據(jù)資料顯示，鎂合金在20～200℃溫度范圍內(nèi)的線膨脹系數(shù)為26.6～27.4μm/（m·℃）（與合金成分有關(guān)）。以長度尺寸200mm為例，如果加工過程中，溫度升高10℃，產(chǎn)生的加工誤差就在0 . 0 5 3 2 ～0.054 8mm。可見，如果采用干式切削，沒有切削液降溫，鎂合金零件會因溫度會迅速升高而膨脹，從而影響加工精度。該筆記本外殼對尺寸精度要求較高，這樣的溫度影響，無法忽視。
基于以上兩點考慮，該鎂合金數(shù)控加工中， 采用使用切削液的“濕式”加工。為此我們專門引進了嘉實多MG型鎂合金切削液（見圖２）。
圖2 采用專用鎂合金切削液加工的零件狀態(tài)
（ 4）切削參數(shù)選擇 數(shù)控銑的切削參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、刀具切深和刀具切寬。
我們選擇的是一臺國產(chǎn)機床進行鎂合金加工，該機床理論高轉(zhuǎn)速能達8 000r/min，最大進給15m/min，加工精度0.01mm。使用該機床長時間保持最高轉(zhuǎn)速，對機床不利。過快的進給速度，對于單件小批量生產(chǎn)，并不能節(jié)約太多的時間，反而極大地增加了質(zhì)量風險和設(shè)備故障概率。因此我們采用大切深、小進給的方式確定我們的切削參數(shù)。
根據(jù)本公司多年數(shù)控加工經(jīng)驗，硬質(zhì)合金立銑刀在加工不同材料時，切削參數(shù)中的轉(zhuǎn)速和進給發(fā)生變化，但切深和切寬一般變化不大：粗加工時，推薦切寬為50%～100%D（D為刀具直徑），推薦切深為0.3～0.5D。精加工時，推薦切寬為0.1～0.5mm，切深0.5～1D。
在加工策略編制上，鎂合金材料加工與常見的鋁合金材料并無太大不同，只是在精加工余量時，選擇不小于0.2mm的余量，以免生成過于細小的切屑，從而避免加工閃燃。
鎂合金材質(zhì)軟，易切削，只是過高的轉(zhuǎn)速和進給容易造成較大的切削熱，從而引起閃燃。因此，本公司在綜合考慮效率和安全性的因素上，比較保守地采用鋁合金切削中轉(zhuǎn)速和進給的1.5～2倍。以本次加工的筆記本電腦外殼為例，部分加工參數(shù)如附表所示。
（5）鎂合金數(shù)控加工中防腐蝕措施 通常大家認為鎂合金化學性質(zhì)活潑，易腐蝕，特別是采用“濕式”加工后，沾染切削液的鎂合金零件更易腐蝕。事實上，根據(jù)本單位的加工經(jīng)驗，鎂合金在較短的加工周期內(nèi)，如果采用有效的防腐蝕措施，不會產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)強度或表面粗糙度的嚴重腐蝕。
我們通過以下措施來緩解鎂合金腐蝕。①鎂合金數(shù)控加工過程必須連續(xù)作業(yè)， 不能將沾滿切削液的零件長時間放置在工作臺上，更不能過夜。②完成加工的鎂合金零件在清水中滌蕩幾下，充分稀釋切屑液殘留。③洗凈后的鎂合金零件應(yīng)用高壓氣槍迅速吹干，然后用干凈棉紗布擦干（見圖３）。④完成加工的零件可短時間放置于泡沫箱內(nèi)，禁止接觸其他金屬。⑤零件長時間放置或交付周轉(zhuǎn)時，放到干燥的塑料袋內(nèi)，袋口折疊，保證袋內(nèi)空氣相對不流通。
圖3 沖洗并吹干后的鎂合金零件
事實上，以上方式雖然簡單易行， 但并不能完全杜絕鎂合金腐蝕。即便零件表面發(fā)暗或產(chǎn)生少量黑斑， 可以通過噴干沙的方式去除。界定鎂合金表面的腐蝕程度是否可以接受，需要與鎂合金表面處理環(huán)節(jié)的技術(shù)人員充分溝通，制定相應(yīng)的標注和規(guī)范。
結(jié)語：
鎂合金數(shù)控加工技術(shù)，在3C電子產(chǎn)品領(lǐng)域，具有廣闊的前景和優(yōu)勢。對于鎂合金零件生產(chǎn)，既不能“談鎂色變”，也不能馬虎大意，須切實做好加工安全措施，注意加工中各種參數(shù)的選擇，這樣，鎂合金數(shù)控加工就會變得簡單易行。
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