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高束能(山东)纳米科技有限公司

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超声波加工钛合金
来源: | 作者:industrial-106 | 发布时间: 41天前 | 26 次浏览 | 分享到:
高束能(山东)纳米科技有限公司咨询电话:0531-85893796,17865193999.公司以超声波加工技术为核心,核心装备有:超声波机床、超声波刀柄、超声波主轴、超声波刀架、超声波光整设备、超声波去应力仪等。为航空航天、科研院所、军工造船、轨道交通等国内外大型单位及企业缔造超声波加工系列产品,并提供完善加工解决方案;
超声波加工是传统切削加工刀具旋转运动基础上,叠加每秒16kHz-40kHz高频率、大能量、聚焦性能强的超声波(纵向/纵扭/纵摆/椭圆)振动复合加工,以获得更好性能的先进超声波加工方法,超声波加工的引入使工具与工件之间的时-空关系、接触状态和作用机制发生变化,从而改变了加工机理;减少工具与工件的接触时间、降低摩擦力、减小切削力,降低切削热,减少刀具磨损、提高材料去除率、改善加工精度和实现材料表面完整性。

一、传统钛合金加工过程行业难点:

在航空航天领域中,钛的应用大国主要是西方国家,尤其是美国,60%的钛材都应用到军事领域。中国在此领域中,钛的投入量不到全球比重的5%左右。因为钛合金加工的高成本、高难度是阻碍广泛使用的主要原因。

大多数的钛合金的热导率很低,只有钢的1/7,铝的1/16。因此,在切削钛合金过程中产生的热量不会迅速传递给工件或被切屑带走,而集聚在切削区域,所产生的温度可高达1000℃以上,使刀具的刃口迅速磨损、崩裂和生成积屑瘤,快速出现磨损的刀刃,又使切削区域产生更多的热量,进一步缩短刀具的寿命。

二、传统钛合金加工行业解决方案:

“热”是不锈钢、钛合金、镍基合金难加工的“罪魁祸首”!这些高端加工技术仅有极少数发达国家掌握,高束能超声波加工就是一种最先进的工艺方法,它是一种以超声技术为核心,利用电能转换的激活能和冲击能的复合能量,对零件进行加工的单元。具有高频率、大能量、聚焦性强的特点,适用于各类机床或自动化的:车削、铣削、钻孔、磨削、光整、强化等纳米加工及其他领域的更多应用。解决了我国诸多卡脖子难题,更为不锈钢、钛合金、镍基合金材料加工,提供了更多的新方案,需要做好以下几点:

1)采用高束能超声波机床、超声波电主轴或超声波刀柄等系列产品,把传统的加工方式改为振动切削模式。

(2) 选择专用刀具,保持恒定的进给以避免工件的硬化,在切削过程中刀具要始终处于进给状态,铣削时径向吃刀量a e应为半径的30%。

(3) 在采用高束能机床、电主轴或刀柄实现振动切削的同时,最佳方式是微量润滑系统,以保证加工过程的热稳定性,防止因温度过高导致工件表面变性和刀具损坏。严重的误区是采用传统润滑方式加大润滑液的喷射量。

(4) 由于高束能技术基于超声波机理,有振动排斥积屑镏的性能,保持刀片刃口锋利,钝的刀具是热集结和磨损的原因,容易导致刀具失效。

(5) 尽可能在钛合金最软的状态加工,因为淬硬后材料变得更难加工,热处理提高了材料的强度并增加刀片的磨损。

(6) 使用大的刀尖圆弧半径或倒角切入,尽可能把更多的刀刃进入切削。这可以减少每一点的切削力和热量,防止局部破损。在铣削钛合金时,各切削参数中切削速度对刀具寿命vc的影响最大,径向吃刀量(铣削深度)ae次之。

三、钛合金超声波加工刀具寿命提升原理:

钛合金加工的焦点是热,超声波加工过程中,刀具切削80%时间处于间歇运动中,是最有效的低温高效切削方式,高压切削液要及时准确地喷射到切削刃上,才能够快速地将切削热量移除。加工钛合金的理想刀具材料必须同时具备较高的热硬度,良好的韧性、耐磨性,高的导热系数和较低的化学活性,在铣削时,刀具还应具有良好的抗冲击性。

四、超声波加工钛合金刀具的选用:

当今在生产实际中用来加工钛合金的刀具材料主要有:硬质合金、金刚石刀具等。经过生产实际验证,硬质合金和PCD刀具被认为是加工钛合金理想的刀具材料。对于大多数公司而言,高效率、高质量和低成本生产至关重要。超声波加工基于旋转运动与纵向高频振动的叠加可以根据需要增加走刀量和进给量,提高表面质量或刀具使用寿命解决微观裂纹抑制毛刺产生实现效率倍增。

 

1、硬质合金刀具是目前加工钛合金应用最为广泛的一种刀具。

因其优良的导热性、较高的硬度、韧性和红硬性成为国内企业加工钛合金的首选。硬质合金刀具原材料选用0.15微米超细晶粒体,以世界先进的压铸烧结工艺,采用金刚石颗粒体高压喷淋钝化技术,达到高光刀具效果后,再选用专用纳米涂层技术加工,大大降低了刀具的摩擦系数,会大幅度提高刀具使用寿命和加工效率。切忌不要选用YT钨钴钛类硬质合金刀具和钛合金有强烈的亲和力但当切削速度继续增加时,刀具和工件接触面的温度迅速升高,降低了刀具的硬度和韧性,使硬质合金刀具发生严重的塑性变形、粘结和扩散磨损,导致刀具失效,硬质合金刀具切削速度一般会小于75/分钟的钛合金加工

2、聚晶金刚石PCD刀具有极高的硬度和耐磨性

刃口锋利低摩擦系数高弹性模量高导热系数以及与非铁金属亲和力小等优点。金刚石纳米刀具主要有聚晶金刚石PCD纳米刀具和化学气相沉积VCD金刚石纳米刀具。金刚石类刀具适用于钛合金的精加工和超精加工。金刚石的耐热温度只有700800℃,虽然采用超声振动切削加工但也要选用高束能微量润滑系统进行冷却润滑,它的效果优于传统喷淋冷却效果。

3、聚晶立方氮化硼PCBN纳米刀具的硬度

虽然略低于金刚石,但却远远高于其他高硬度材料,而且PCBN纳米刀具热稳定比金刚石高得多,可达到1200℃以上,适合高温干切削。另一个优点是化学惰性大,与钛合金在1200℃不起化学反应。

PCBN纳米刀具加工钛合金与硬质合金刀具相比,有着切削速度高、表面粗糙度低和刀具寿命长等特点,并且在高速、低进给量、低背吃刀量的条件下,有更长的刀具寿命和非常好的工件加工表面粗糙度PCBN纳米刀具更适合用作钛合金的精加工,为解决脆性大刀具可能产生的破损和崩刃问题采用了特出工艺并加大了角度调整,更适合钛合金加工的应用

 

五、超声波加工钛合金工艺方法:

铣削比车削困难,因为铣削是断续切削,并且切屑易与刀刃发生粘结,当粘屑的刀齿再次切入工件时,粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料,形成崩刃,极大地降低了刀具的耐用度。因此对不锈钢、钛合金或镍基合金铣削方式建议采用顺铣。从工件装夹及设备方面提高工艺系统刚性。高束能技术的选用还应注意以下几点:

1、相对于硬质合金应该选用超晶粒体材料的刀具,精钝化后微纳米涂层,PCD或CBN铣刀也要超精密加工,前角应减小,后角应加大。尽量采用尖齿铣刀,避免使用铲齿铣刀。

2、切削液应该采用高束能微量润滑系统,不易选用传统加大喷淋量的方式采用高束能系统铣削加工速度宜低不需要过高的切削速度同样可以达到效率倍增。

3、为提高生产效率,可适当增加铣削深度与宽度,铣削深度一般粗加工为 1.5~3.0mm,精加工为 0.2~0.5mm。

六、超声波加工钛合金的原理:

首先要从它的原理说起:高束能加工是基于超声波的原理,利用高频振动机构,在刀具对工件加工时提供微振动源,其主要优点包括:增强刀具排屑、提升散热功能、延长刀具使用寿命;透过高频敲击的动能,降低工件的切削抗力,同时消除工件表面的残留应力;利用高频位移的特性,适合作为的铣切断屑,提高复材寿命;去除工件材料主要依靠刀具瞬时局部的冲击作用,故工件表面的切削应力很小,切削热更小,不会产生变形及烧伤,表面粗糙度也较低且抑制毛刺的产生。高束能加工玻璃、陶瓷、蓝宝石、3D热弯玻璃、石墨、碳化硅、复合材料等传统难加工硬脆材料,可以提高几倍的加工效率并获取纳米级别的加工效果。

 

七、超声波加工钛合金产品应用:

特别是在医疗器械零件、汽车模具镶件、叶轮涡旋盘、 齿轮模具及零件、脆硬材料加工、复合加工结构件、小型精密塑胶、冲压模,压膜,注塑模,陈列板,导向件,阀门阀体等领域中发挥了更多的应用。

八、超声波加工钛合金产品应用:

1、超声波磨削加工钛合金

超声加工技术是未来有代表性的加工技术,它将满足不断提高及日益增长的工件要求。通过刀具的旋转与振动的相互叠加(轴线方向),用传统方式难以加工的先进材料可被经济地加工且达到最高质量。超声磨削加工技术可以经济地加工高难度的先进材料的具有复杂几何形状的工件,例如陶瓷、玻璃、刚玉、硬质合金或复合材料。与传统加工方式不同,超声加工中,刀具的旋转与附加的振动相互叠加,减小功力达40%。根据材料性能,加工表面质量可达Ra < 0.1 µm,可生产薄壁轻质结构件,延长刀具使用寿命并显著减少材料的微裂纹。

传统钛合金磨削常见的问题是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。其原因是钛合金的导热性差,使磨削区产生高温,从而使钛合金与磨料发生粘结、扩散以及强烈的化学反应。粘屑和砂轮堵塞导致磨削比显著下降,扩散和化学反应的结果,使工件被磨表面烧伤,导致零件疲劳强度降低,这在磨削钛合金铸件时更为明显。为解决这一问题,采取的措施是:

a. 选用合适的砂轮材料:绿碳化硅TL。

b. 稍低的砂轮硬度:ZR1。

c. 较粗的砂轮粒度:60。

d. 稍低的砂轮速度:10~20m/s。

e. 稍小的进给量。

2、超声波钻削加工钛合金

用乳化液充分冷却:钻削钛合金钻削比较困难,常在加工过程中出现烧刀和断钻现象。这主要是由于钻头刃磨不良、排屑不及时、冷却不佳以及工艺系统刚性差等几方面原因造成的。因此,在钛合金钻削加工中须注意以下几点:

f. 刀具材料:硬质合金。

g. 合理的钻头刃磨:加大顶角、减少外缘前角、增大外后角,倒锥加至标准钻头的 2~3 倍。

h. 勤退刀并及时清除切屑,注意切屑的形状和颜色。如钻削过程中切屑出现羽状或颜色变化时,表明钻头已钝, 应及时换刀刃磨。

i. 加足切削液:一般用豆油,必要时可加法国 OLTIP 钻孔攻丝专用油。

j. 提高工艺系统刚性:钻模应固定在工作台上,钻模引导宜贴近加工表面,尽量使用短钻头。

还有一个值得注意的问题是:当采取手动进给时,钻头不得在孔中不进不退,否则钻刃摩擦加工表面,造成加工硬化, 使钻头变钝。

3、超声波削加工钛合金

超声波辅助铰削钛合金时刀具磨损不严重,要使用硬质合金铰刀。工厂常用的有 YG8,YG10HT等。使用硬质合金铰刀时,要采取类似钻削的工艺系统刚度,防止铰刀崩刃。超声波辅助钛合金铰孔时粗糙度会高于常规铰削一两个等级不会产生毛刺,超声波铰削还要采取以下解决措施:

k. 用油石修窄铰刀刃带宽度,以免刃带与孔壁粘结,但要保证足够的强度,一般刃宽在 0.1~0.15mm 为好。

l. 切削刃与校准部分转接处应为光滑圆弧,磨损后要及时修磨,各齿圆弧大小一致。

m. 必要时可加大校准部分倒锥。

n. 两次铰削。粗铰余量 0.1mm,精铰余量一般小于 0.05mm。

o. 主轴转速 60r/min。

p. 铰完退刀时,手铰不能反转退出,机铰应不停车退出铰刀。

4、超声波辅助钛合金攻丝:

超声波辅助钛合金攻丝,适合 M16mm 以下的小孔攻丝。因为振动切屑加工易与刀刃及工件粘结,加工表面粗糙度值,扭矩常规攻丝和超声波振动攻丝时丝锥选用不当及操作不当极易造成加工硬化,加工效率极低并时有丝锥折断现象。其解决办法如下:优先选用一丝到位的跳牙丝锥,齿数应较标准丝锥少,一般为2~3齿。切削锥角宜大,锥度部分一般为3~4扣螺纹长度。为便于排屑,还可在切削锥部分磨出负倾角。尽量选用短丝锥以增加丝锥刚性。丝锥的倒锥部分应较标准的适当加大,以减少丝锥与工件的摩擦。


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