筆記本電腦外殼鎂合金數控加工
2014-3-23 來源：成都四威高科技產業園公司 作者： 鄧偉 羅一桓
鎂合金材料在3C產品加工中的優勢：
目前，3C產品高速發展，競爭激烈，消費群對3C產品的“輕、薄”特性的需求尤為強烈，這就促使3C產品加工制造技術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電子產品的結構件。資料顯示，如果在3C產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，對于在內部產生高溫的電子產品，如果外殼和散熱部件上使用鎂合金，多數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品。也可以用作計算機、手機等產生電磁波輻射的電子產品外殼，以降低電磁波對人體的輻射危害。
鎂合金數控加工技術在3C產品中的優勢：
鎂合金材料具有加工易燃、腐蝕的特性，相對于鐵、鋁等傳統金屬材料來說，并不太適合于切削加工。因此，鎂合金材料應用初期更廣泛采用模鑄、壓鑄等工藝方法成形。但是，隨著3C產品技術發展，這樣的成形方式難以滿足需求。首先，隨著3C產品小型化、集成化程度越來越高，使得3C產品外殼結構越來越復雜，模鑄、壓鑄等工藝方法難以精密成形；其次，3C產品研發制造周期越來越短，模鑄、壓鑄的開模周期嚴重制約其生產周期。
最后，消費群對產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，鎂合金數控加工技術越來越被重視。
鎂合金數控加工的安全性分析：
傳統觀念認為，鎂合金具有高度危險性，是一種不安全材料。鎂合金的數控加工，首先必須解決加工生產的安全性，這是后續加工生產的前提和準則。
但是，筆者通過理論研究，結合本單位大量的鎂合金生產實踐，總結認為，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安全，其關鍵在于對鎂的粉塵、碎屑進行有效管理和控制。
因此， 對于鎂合金的生產管理，既不能“談鎂色變”，以至于不敢開展鎂合金生產活動，也不能麻痹大意，隨意進行鎂合金生產。
只要在鎂合金生產過程中，進行嚴格有效的生產管理，是能保證其生產安全的。
鎂合金數控加工在企業中的應用：
筆者所在的成都四威高科技產業園公司，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，以高質量、高信譽享譽西南地區乃至全國。在鎂合金材料應用之初，企業就敏銳地預見到該材料在電子裝備領域的巨大前景，果斷投入大量人力和物力進行研究，是少數率先掌握鎂合金數控加工及表面處理技術，并形成規模生產能力的企業之一。
鎂合金筆記本電腦外殼數控加工工藝分析：
（1）工藝分析 圖1所示為本公司為其他企業代工生產的一款筆記本電腦外殼， 材料為鎂合金ME20。該零件結構復雜，尺寸精度要求高，因此采用鎂合金板材整體數銑加工的方式成形。鎂合金加工在刀具選擇、切削參數選擇、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鋁合金加工有很大區別。
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， 而且熱容量也相當低，用于鎂合金加工的銑刀的刀齒數目相對于其他金屬要多。減少刀齒數目可以增加容屑空間和進刀量，從而可以減少摩擦發熱和增大容屑間隙，降低碎屑的扭曲變形，減小功率消耗和發熱。筆者所在的公司在加工鎂合金時，一般優先使用三刃硬質合金立銑刀。
在特殊情況下，如三刃刀具刃長不足，直徑規格不適合等，也可使用四刃硬質合金立銑刀。
（3）切削液選擇 鎂合金材質軟，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。根據資料顯示，鎂合金在20～200℃溫度范圍內的線膨脹系數為26.6～27.4μm/（m·℃）（與合金成分有關）。以長度尺寸200mm為例，如果加工過程中，溫度升高10℃，產生的加工誤差就在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
（ 4）切削參數選擇 數控銑的切削參數包括主軸轉速、進給速度、刀具切深和刀具切寬。
我們選擇的是一臺國產機床進行鎂合金加工，該機床理論高轉速能達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速，對機床不利。過快的進給速度，對于單件小批量生產，并不能節約太多的時間，反而極大地增加了質量風險和設備故障概率。因此我們采用大切深、小進給的方式確定我們的切削參數。
根據本公司多年數控加工經驗，硬質合金立銑刀在加工不同材料時，切削參數中的轉速和進給發生變化，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。
鎂合金材質軟，易切削，只是過高的轉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，部分加工參數如附表所示。
（5）鎂合金數控加工中防腐蝕措施 通常大家認為鎂合金化學性質活潑，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，根據本單位的加工經驗，鎂合金在較短的加工周期內，如果采用有效的防腐蝕措施，不會產生影響結構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鎂合金數控加工過程必須連續作業， 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，禁止接觸其他金屬。⑤零件長時間放置或交付周轉時，放到干燥的塑料袋內，袋口折疊，保證袋內空氣相對不流通。
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。即便零件表面發暗或產生少量黑斑， 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節的技術人員充分溝通，制定相應的標注和規范。
結語：
鎂合金數控加工技術，在3C電子產品領域，具有廣闊的前景和優勢。對于鎂合金零件生產，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的選擇，這樣，鎂合金數控加工就會變得簡單易行。
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