镁合金激光加工技术

镁合金激光加工技术（精选11篇）

镁合金激光加工技术 篇1

镁合金作为迄今为止工程应用中最轻的金属结构材料, 以比强度和比刚度高、减震性好、易于压铸成形、可回收等一系列优点, 在汽车、通信器材、航空航天和国防工业等领域凸显出重要的应用价值和广阔的应用前景, 被称为21世纪的“绿色”工程材料[1,2]。目前, 工业镁合金大多采用模铸、压铸及半固态工艺制造。铸造法生产的镁合金晶粒不够细小, 存在成分偏析, 不能从根本上解决强度和弹性模量低的难题, 因而其工业应用严重受限[3]。与铸态镁合金相比, 变形镁合金的塑性加工过程可消除铸锭组织中的晶粒粗大、成分偏析等缺陷, 使显微组织发生显著的细化, 故能获得比铸造镁合金更高的强度、更好的塑性和韧性。

搅拌摩擦加工 (Friction stir processing, FSP) 是一种新型的大塑性变形 (Severe plastic deformation, SPD) 技术, 可以显著改善材料局部的微观组织和性能, 已成功应用于镁、铝等轻合金, 是一种能有效获得超细晶材料的金属材料制备技术。大塑性变形技术的发展能使变形镁合金获得比铸造镁合金材料更高的强度、更多样化的力学性能、更大的发展前途与潜力。本文综述了近年来铸造镁合金搅拌摩擦加工技术的研究进展情况, 并指出了镁合金搅拌摩擦加工今后的研究方向。

1 搅拌摩擦加工的技术特点

1991年英国焊接研究所 (The welding institute, TWI) 的Thomas等发明了一种新型固相连接技术———搅拌摩擦焊 (Friction stir welding, FSW) , 该技术最先应用于铝合金。搅拌摩擦加工是从搅拌摩擦焊基础上演变而来的一种加工方法, 由Mishra博士等[4]最早提出, 其基本工作过程如图1所示, 通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎, 实现微观结构的致密化、均匀化和细化[5,6]。加工过程中高速旋转的搅拌针伸进材料内部进行摩擦和搅拌, 其旋转产生的剪切摩擦热将搅拌针周围的金属变软进而热塑化, 使加工部位的材料产生剧烈塑性流变。搅拌头高速旋转的同时, 沿加工方向与工件做相对移动。热塑化的材料由搅拌头的前部向后部转移, 并且在搅拌头轴肩的锻造作用下, 实现工件的固相加工。与搅拌摩擦焊不同的是, 加工的对象不是两个分离的工件, 而是一个完整的工件。与其他大塑性变形技术相比, 搅拌摩擦加工具有不需要加热工件 (镁合金易氧化) , 改性厚度可控, 工艺参数易于控制, 易于实现自动化、工业化等优点[7]。

2 镁合金搅拌摩擦加工技术

2.1 镁合金搅拌加工工艺研究

在搅拌摩擦加工过程中, 影响搅拌区晶粒大小和显微组织的主要因素有搅拌头的形状尺寸、加工参数、材料的化学成分、垂直压力、工作台的温度以及冷却速度等。搅拌头的形状主要有圆柱形、圆锥形、螺旋形等。搅拌头的形状与热塑化材料的流变密切相关, 并且直接影响到加工材料的质量[8]。在搅拌摩擦焊发展初期, 英国焊接研究所成功开发了柱形搅拌头, 这种搅拌头在搅拌摩擦焊的初期开发研究中得到了广泛应用。随着技术的发展, 针对不同的材料和结构, 目前已有系列化的搅拌头。Mehta[9]利用一个三维的传热和粘塑性流动模型模拟了搅拌头直径对AA7075-T6铝合金焊接热循环、峰值温度、主轴功率和扭矩的影响。模拟和实证研究表明, 随着轴肩直径的增加, 焊缝区变形材料的状态发生从高流动应力低温向低流动应力高温的转变。同时, 随着轴肩直径的增大, 焊缝区的峰值温度、扭矩和主轴功率及所需要的主轴转速也需要同步增大。力学性能试验证明了该模型能够用来确定搅拌头直径和主轴转速的最佳组合。罗贤道等[10]研究了搅拌头不同轴肩尺寸及带螺纹与不带螺纹搅拌头对7050铝合金焊缝成形的影响。研究表明, 带螺纹搅拌头较无螺纹搅拌头为焊缝区金属提供了更大的剪切力, 从而提高焊缝的热输入, 使焊缝区域塑性金属的体积增加, 流动性增强, 易获得成形较好、表面光滑的焊缝。当搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径之比远大于3∶1时, 轴肩与工件表面摩擦产热过多, 造成焊缝上部与下部热量分布不均, 容易导致焊缝内部产生孔洞和隧道型缺陷。

在搅拌头尺寸一定的条件下, 搅拌头转速和加工速度是影响加工后搅拌区晶粒尺寸的最重要的参数, 直接关系到搅拌过程中的产热情况。一般来说, 搅拌头旋转速度越大, 加工过程产热越多;加工速度越大, 单位长度上获得热量越小。搅拌摩擦加工过程的热输入qE可以表示为[11]:

式中:κ为热输入常量系数, v为加工速度。

进行搅拌摩擦稳态加工时, 搅拌头是固定的, 轴肩和搅拌针直径是确定的, 而且摩擦系数和加工压力也是一个稳定值, 可以将这些固定的影响因子合并为一个新的常量系数κ。由此可见, 搅拌头旋转速度与加工速度的比值直接表征了加工热输入量的大小, 可以称之为线能量密度n (n=ω/v) , 表示搅拌头以固定速度移动一定位移时搅拌头的旋转圈数。加工过程中热量的输入是决定再结晶晶粒最终尺寸的关键因素。Arora等[3]系统地研究了搅拌工艺参数 (搅拌头转速、搅拌加工时的强制冷却温度、加工速度、搅拌针长度、加工道次) 对AE42镁合金搅拌区晶粒平均尺寸和显微硬度的影响。利用正交试验设计的方法, 得到了搅拌区晶粒平均尺寸和显微硬度与加工参数之间的非线性回归方程。研究结果表明, 在一定的参数范围内, 可以用该方程来预测搅拌摩擦加工试样搅拌区晶粒平均尺寸和显微硬度。搅拌摩擦加工时的强制冷却温度是影响熔核区显微硬度最重要的因素, 而搅拌针的长度是几个影响因素中最不显著的。Yu等[12]研究了主轴旋转速度和加工速度对厚6.5mm的AZ31镁合金板材织构和拉伸行为的影响, 结果发现:主轴旋转速度、加工速度等工艺参数的变化改变了加工区的热-机械输入, 经过搅拌摩擦加工的AZ31B镁合金板材在ND面形成了较强的基面织构。随着加工参数的改变, 基面织构与合金的ND方向呈现不同程度的偏转, 导致了试样纵向拉伸行为的变化。

搅拌摩擦加工时, 为了使搅拌头能对整个大范围待加工区域进行搅拌, 形成组织和性能优异的材料, 常沿一定间距的水平线路进行多道次搅拌摩擦。朱战民等[13]研究了搅拌摩擦加工道次对AZ91D镁合金组织的影响, 以加工速度60mm/min、转速450r/min在不同位置分别进行2次、4次、7次的重复加工, 一次加工完成后, 搅拌头回到起始位置进行下一次重复加工。加工2次、4次、7次后的平均晶粒尺寸分别为4.3μm、4.8μm、4.6μm。研究表明:加工次数对搅拌摩擦区晶粒的尺寸影响不大;但增加加工次数可以增大搅拌摩擦区组织的面积, 并使组织进一步均匀化;加工次数对热机械影响区组织有较大的影响, 随着加工次数的增加热机械影响区组织会向搅拌区组织发生转变, 而且靠近搅拌区的细晶区中的晶粒随加工次数的增加也有长大的趋势;增加加工次数可以细化轴肩下压区组织的晶粒, 增大轴肩下压区细晶区的面积。Chang等[14]研究了2道次搅拌加工对固溶强化AZ31镁合金晶粒尺寸和显微硬度的影响, 2道次加工使用的搅拌头轴肩直径、搅拌针直径和长度分别为10mm、3mm、3mm和6mm、2mm、2mm, 通过控制搅拌头的形状尺寸进而控制热输入最终获得了平均晶粒尺寸大约为85nm的细晶材料, 纳米晶区的平均硬度达到150HV, 是母材的3倍。

2.2 镁合金搅拌摩擦加工区的微观组织

图2为铸态AZ31镁合金搅拌摩擦加工后横截面的宏观形貌[15]。与搅拌摩擦焊接头类似, 整个加工区也分为轴肩影响区 (Shoulder friction zone, SFZ) 、搅拌区 (Stir zone, SZ) 、热机械影响区 (Thermal mechanical affected zone, TMAZ) 、热影响区 (Heat affected zone, HAZ) 和母材 (Base material, BM) 。另外, 搅拌摩擦加工过程中搅拌针的旋转使两侧材料的变形和物质流动出现了不对称性, 其中搅拌头旋转速度与搅拌头行进方向一致的一侧定义为前进侧 (Advancing side, AS) , 而与搅拌头行进方向相反的一侧为后退侧 (Retreating side, RS) 。

熊峰等[16]用搅拌摩擦加工技术对厚4mm的AZ31镁合金进行了微观结构改性, 观察了搅拌加工不同区域的微观组织。图3为搅拌摩擦加工AZ31镁合金横截面的微观组织, 加工参数为转速1500r/min、加工速度60mm/min。母材的α-Mg晶粒粗大, 平均晶粒尺寸约为90μm (见图3 (a) ) 。搅拌摩擦加工后, 在搅拌区形成了均匀细小的等轴晶, 平均晶粒尺寸约为14μm (见图3 (b) ) 。图3 (c) 为机械热影响区, 由于靠近搅拌区, 同时受到热循环和机械应力的影响, 细小的等轴晶在原始晶粒的晶界处形核并长大, 形成了粗大晶粒和细晶的混合区。图3 (d) 是热影响区的显微组织, 热影响区紧靠机械热影响区, 但这两个区域之间没有明显的分界线, 该区域材料基本没有受到机械应力的影响, 组织转变类似于高温退火过程。值得注意的是, 在热循环作用下, 热影响区的部分晶粒长大明显, 最大晶粒约为200μm, 远远超出了母材的平均晶粒尺寸 (约70μm) , 见图3 (d) 。整个搅拌加工区的不同区域由于受到不同的热循环和机械应力的影响, 组织转变不尽相同。一般而言, 在搅拌摩擦加工过程中, 大量的摩擦热和剧烈的塑性变形导致搅拌区发生动态再结晶, 在冷却过程中再结晶晶粒来不及长大, 最后形成了细小的等轴再结晶晶粒, 力学性能得到很大改善。目前多数学者认为搅拌摩擦加工过程中晶粒细化的机制为不连续动态再结晶 (Discontinuous dynamic recrystallization, DDRX) 。Chang等[10]认为镁的晶格和晶界扩散速度高 (300℃时镁的晶格和晶界扩散速度分别为4.7×10-7m2·s-1和2×10-20δm3·s-1[17], δ为晶界宽度) , 因此动态再结晶能充分进行, 得到的微观组织也更为细小。

在细化铸态镁合金晶粒, 消除铸造缺陷的同时, 搅拌摩擦加工越来越多地应用于镁合金的表面改性。Lee等[18]利用搅拌摩擦加工技术在AZ61镁合金基体上制备出体积分数分别为5%和10%的n-SiO2颗粒增强的表面复合层, 其研究表明:经过4道次往返加工后, n-SiO2颗粒的平均粒径约为20nm, 达到了令人满意的均匀分布;复合层的晶粒细化到0.8μm, 远低于同样加工条件下不加纳米粉末的7~8μm;在搅拌摩擦加工过程中, 部分n-SiO2颗粒与镁反应生成Mg2Si和MgO新相, 新相尺寸约为5~200nm;350℃时体积分数为10%的复合层表现出高应变率超塑性, 当应变率为1×10-2s-1和1×10-1s-1时伸长率分别达到350%和420%。王开东等[19]开展了Ti颗粒增强AZ31镁合金板的FSP表面改性研究, Ti颗粒填入量 (用颗粒体积占板表面沟槽的体积分数表示) 分别为20%和40%, 纯度均为99.9%。选用肩轴直径17mm、搅拌针直径6mm、搅拌针长6mm的搅拌头进行4次往返搅拌摩擦加工, 搅拌头与垂直方向倾角为1.5°, 转速为800r/min, 加工速度为45mm/min, 试验结果表明, Ti颗粒添加量为20%的复合层碎化后的Ti颗粒呈不均匀分布, 添加40%Ti颗粒的复合层碎化后的Ti颗粒均匀分布。经过4次搅拌摩擦加工后复合层组织明显细化, 平均晶粒尺寸为3~5μm, Ti颗粒的加入使复合层显微硬度值有较大提高, 最高可达HV85左右。利用混合定律Voigt模型计算Mg-AZ31/Ti复合层的显微硬度, 其结果与试验值相吻合。

2.3 搅拌摩擦加工对镁合金力学性能的改善

Freeney等[20]研究了搅拌摩擦加工对EV31A稀土镁合金显微组织和力学性能的影响, 发现搅拌摩擦加工和时效热处理的结合, 可使该合金的晶粒尺寸从铸态的78.5μm细化到3.4μm, 屈服强度达到275 MPa (比铸态加T6规范热处理后提高了61%) 。晶粒细化、第二相粒子破碎及强化相的析出是搅拌摩擦加工后镁合金力学性能提高的主要原因。Xiao等[21]对铸造Mg-10Gd-3Y-0.5Zr合金进行了单道次的摩擦搅拌加工, 并对加工后的合金进行了250℃/13h人工时效处理, 其研究表明:摩擦搅拌加工+时效处理可有效地提高铸造Mg-Gd-Y-Zr合金的力学性能 (屈服强度和抗拉强度分别达到330MPa和439MPa) 。摩擦搅拌加工促使晶粒显著细化, 粗大的网状共晶β-Mg5 (Gd, Y) 相破碎、溶解, 铸造孔洞等缺陷消失, 后续的时效处理使基体析出β″和β′沉淀相, 使材料的力学性能显著提高 (相对于铸态合金的屈服强度 (178MPa) 和抗拉强度 (187MPa) 几乎提高了1倍) 。

Ni等[22]研究了搅拌摩擦加工AZ91镁合金的高周疲劳强度与显微组织的演变关系。应力幅度与循环周期的关系如图4所示。从图4可以看出经过搅拌摩擦加工的AZ91镁合金的疲劳强度由铸态的45 MPa提高到105 MPa, 疲劳强度提高了138%。图5为疲劳失效试样断裂表面的SEM照片。铸态试样的断口形貌为典型的准解理断裂, 可以清楚地观察到粗糙的解理面, 铸造裂纹和孔洞也清晰可见 (图5 (a) 、 (b) ) 。搅拌摩擦加工试样的断口形貌如图5 (c) 、 (d) 所示, 可以看出, 搅拌摩擦加工试样的断口呈现明显的韧窝状, 为典型的塑性断裂。搅拌摩擦加工使基体晶粒细化, 消除了母材中粗大的网状β-Mg17Al12相和裂纹、气孔等铸造缺陷, 以及时效时细晶β相的沉淀析出强化, 是疲劳强度显著提高和断裂模式从脆性断裂演变为塑性断裂的根本原因。

吕勤云[23]研究了搅拌摩擦加工后Mg-Zn-Nd-Zr合金的室温、高温力学性能 (170℃) 和动态应力-应变行为, 发现合金中的Mg12Nd强化相经搅拌摩擦加工后更加均匀地分布在基体中, 因此搅拌摩擦加工不仅可以提高合金的室温力学性能, 还能提高其高温热稳定性。动态应力-应变试验发现, 在高应变率冲击作用下, 母材表现出明显的正应变率效应, 应变率强化效应较明显, 而搅拌摩擦加工合金的动态应力-应变行为对应变率不敏感 (与搅拌摩擦加工合金组织的显著细化有关) 。搅拌摩擦加工改善了Mg-Zn-Nd-Zr合金在高应变率冲击下的塑性, 与母材相比, 搅拌摩擦加工合金在断前相近应变率下的流动应力显著增大, 动态屈服强度也明显提高。由此可见, 搅拌摩擦加工合金产生的明显组织细化、沉淀强化和第二相强化显著提高了合金的变形抗力。

Asadi等[24]利用搅拌摩擦加工技术在AZ91基体上制备出纳米SiC、纳米Al2O3增强的表面复合层, 研究了纳米颗粒种类、加工道次对增强颗粒分布情况和表面复合层显微组织、显微硬度、强度与耐磨性的影响。单道次搅拌摩擦加工后, 纳米SiC颗粒在基体金属中分布得比较均匀, 而纳米Al2O3在基体中会发生团聚、分层, 纳米SiC复合层具有更高的硬度、强度和耐磨性。4道次搅拌摩擦加工后, 两种纳米颗粒都更加均匀地分布在基体中, 复合层的力学性能进一步提高。Morisada等[25]用搅拌摩擦加工法合成了多壁纳米碳管增强AZ31镁合金, 实现了多壁纳米碳管在基体上的均匀分布, 复合材料的晶粒尺寸小于单纯搅拌摩擦加工后的AZ31晶粒, 表明添加多壁纳米碳管可有效制备细晶复合材料。细晶强化和第二相微粒的弥散强化对表面复合层的硬度提高起主要作用, 搅拌摩擦加工制得的碳纳米管增强复合材料的最大显微维氏硬度约为78HV0.2, 约是基体AZ31硬度 (41HV0.2) 的2倍。

3 展望

目前关于镁合金搅拌摩擦加工的研究基本还处于工艺摸索阶段, 相关的理论和技术尚不完善, 今后应加强以下几个方面的研究工作。

(1) 搅拌头是搅拌摩擦焊和搅拌摩擦加工设备的心脏, 其材料、形状和尺寸直接影响产品的组织和性能。搅拌摩擦加工过程中, 搅拌头承受巨大的压力和摩擦阻力, 搅拌头材料应耐高温、耐磨损且具有良好的抗高温软化性能。同时搅拌头的几何形状对搅拌加工过程中材料流动有很大的影响, 它的优化设计是获得高效率、高质量的搅拌加工产品的关键。目前, 搅拌摩擦加工基本沿用搅拌摩擦焊的搅拌头, 对这一问题缺乏深入研究。

(2) 目前铸造镁合金搅拌摩擦加工研究主要集中于搅拌摩擦加工工艺对合金组织及力学性能的影响方面的研究, 对搅拌摩擦加工镁基材料在高温和高应变速率下的动态再结晶机制、织构形成机理、温度场和塑性流场等问题, 尚未获得统一和清晰的认识。

(3) 搅拌摩擦工艺研究本身也处于经验和数据收集阶段, 缺乏工艺参数数据库和相应的工艺标准。有限元数值模拟和加工区金属塑性流动规律将是研究的热点和重点。基于镁基材料的特性开发适用新工艺, 是该技术凸显巨大应用潜力的关键所在。

摘要：大塑性变形是在块体金属变形过程中引入极大的应变量, 能在有效细化金属晶粒的同时显著提高材料的强度与塑性。搅拌摩擦加工作为一种新型大塑性变形加工技术, 在镁合金微观结构改性、细晶超塑性合金制备和镁基材料高性能化等方面有良好的应用前景。鉴于当前高性能镁合金的发展需求, 对搅拌摩擦加工的技术特点、镁基材料加工后的显微组织及力学性能等方面的研究进展做了较详尽的综述, 并展望了其工业应用前景。

关键词：镁合金,搅拌摩擦加工,加工工艺,显微组织,力学性能

加工中心加工镍铁合金工艺分析 篇2

【关键词】合金 刀具 参数 冷却液

【中图分类号】G71【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）24-0219-02

首先，镍铁合金导热系数低，仅是钢的1/4，铝的1/13，铜的1/25。因切削区散热慢，不利于热平衡，在切削加工过程中，散热和冷却效果很差，易于在切削区形成高温，加工后零件变形回弹大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快，耐用度降低。其次，镍铁合金的导热系数低，使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削热不易散发，加速刀具磨损。最后，镍铁合金化学活性高，在高温下加工易与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀、烧刀、断刀等现象。

一、镍铁合金在加工中心上的铣削案例分析

1.该零件的特点

1）精度要求高，批量大。

2）加工过程中必须进行多种工序加工。

3）必须严格控制零件公差范围。

4）价格昂贵，加工成本高。

2.加工中心加工镍铁合金特点

1）加工中心可以多个零件同时加工，提高生产效率。

2）提高零件的加工精度，产品一致性好。加工中心有刀具补偿功能，可以获得机床本身的加工精度。

3）有广泛的适应性和较大的灵活性。如本零件的圆弧加工、倒角和过渡圆角。

4）可以实现一机多能。加工中心可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝等一系列加工。

5）可以进行精确的成本计算，控制生产进度。

6）不需要专用夹具，节约大量成本经费，缩短生产周期。

7）大大减轻了工人的劳动强度。

8）可以与UG等加工软件进行多轴加工。

3.刀具材料的选择

刀具材料选用应满足下列要求：

1）足够的硬度。刀具的硬度必须要远大于镍铁合金硬度。

2）足够的强度和韧性。由于刀具切削镍铁合金时承受很大的扭矩和切削力，因此必须有足够的强度和韧性。

3）足够的耐磨性。由于镍铁合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。这是选择加工镍铁合金刀具最重要的参数。

4）刀具材料与镍铁合金亲合能力要差。由于镍铁合金化学活性高，因此要避免刀具材料和镍铁合金形成溶敷、扩散而成合金，造成粘刀、烧刀现象。

5）刀具粘刀、烧刀现象

经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行试验表明，采用高钴刀具效果理想，钴的主要作用能加强二次硬化效果，提高红硬性和热处理后的硬度，同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性。

4.铣刀的几何参数

镍铁合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在着较大区别。

1）螺旋角β，选择较大的螺旋升角，散热快，同时也减小切削加工过程中的切削平稳。

2）前角γ 增大切削时刃口锋利，切削轻快，增大容削槽以避免镍铁合金产生过多切削热，从而避免产生二次硬化。

3）后角α 减小，刀刃的磨损速度降低，有利于散热，耐用度也得到很大程度的提高。

5.切削参数选择

镍铁合金机加工应选择较低的切削速度，适当大的进给量，合理的切深和精加工量，冷却要充分。

1）切削速度Vc Vc=30～50m/min

2）进给量F 粗加工时取较大进给量，精加工和半精加工取适中的进给量以F300-F500最为适合。

3）切削深度ap ap=1/3d为宜，镍铁合金亲合力好，排屑困难，切削深度太大，会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象。

4）精加工余量αc适中 镍铁合金表面硬化层约0.15～0.2mm，余量太小，刀刃切削在硬化层上，刀具容易磨损，应该避免硬化层加工，但切削余量不宜过大，所以精加工余量0.5mm-0.8mm最好。

6.冷却液

镍铁合金加工最好不用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆，也能防止镍铁合金高温应力腐蚀开裂。选用合成水溶性乳化液，也可自配用冷却液。切削加工时冷却液要保证充足，冷却液循环速度要快，切削液流量和压力要大，加工中心都配有专用冷却喷嘴，只要注意调整就能达到预期的效果。

二、加工中心加工镍铁合金总结

通过对镍铁合金的特性分析，解决了镍铁合金切削加工过程中存在的难题；通过编制正确、科学的加工工艺，可以降低成本，提高生产效率，得出如下结论：

1.用加工中心精加工镍铁合金，满足了零件形状复杂，高精度的要求，且可多件同时加工，提高生产效率，由原来加工一件需要一个小时缩短成十五分钟可以加工完，减少了装夹停机时间。

2.GC2025刀具材料是镍铁合金理想的加工刀具。

3.选择合理的刀具几何参数、切削参数、冷却液，可以延长切削刀具寿命，提高生产效率，由原先一把刀做两个，经过刀具改进一把刀可做二十个节约成本。

4.安排出合理科学的工艺规程和CAD/CAM的编程是提高效益、节约成本的最佳方法。

5.目前CAD/CAM的技术在不断更新，我们在软硬件操作上要赶上时代的步伐，但因此却忽略了工艺的选择的重要性。

6.对于特殊的工件必须有一套科学的有效的加工工艺方法，借助于计算机强大的功能，才是科学的、合理的、处理问题的方式。

参考文献：

[1]《金属材料与热处理》史美堂 上海科学技术出版社 1980.7

[2]《机械加工工艺基础》 孔德音 机械工业出版社2003.4

浅析钛合金孔加工技术 篇3

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体:882℃以下为密排六方结构α钛, 882℃以上为体心立方的β钛。钛合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:α钛合金, β钛合金和α+β钛合金。由于合金组织稳定, 高温变形性能、韧性、塑性较好, 是航空业重要的原材料。钛合金特点主要表现在:

1.1 强度高、热强度高、耐蚀性好

钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右, 仅为钢的60%, 但钛合金的比强度 (强度/密度) 远大于其他金属结构材料。其次, 钛合金热稳定性好, 在中等温度下仍能保持所要求的强度, 在300℃~500℃条性下, 仍有很高的比强度, 约为铝合金的3~4倍。钛合金对应力腐蚀的抵抗力特别强, 且表面形成的致密的氧化膜对酸、碱、氯化物、氯的有机物品具有优良的抗蚀能力。因此在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等方面都有对钛合金使用。

1.2 导热性能差

钛的导热系数λ=15.24W/ (m.K) 约为镍的1/4, 铁的1/5, 铝的1/14, 而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%, 因而散热慢, 不利于热均衡, 特别是在钻削加工过程中, 散热和冷却效果更差, 在切削区易形成高温。

1.3 钛及其合金化学活性高

钛及其合金能与空气中的0、N、H、C0、CO2、水蒸气等产生化学反应, 在钛合金表面形成Ti C及Ti N硬化层, 使得脆性加大, 塑性下降;在高温高压下加工, 与刀具材料起反应, 形成溶敷, 扩散而成合金, 不利于切削加工。

2 在钛合金孔加工过程中出现的问题

影响钛合金孔加工质量的因素有很多。通过了解钛合金性能特点, 分析其加工特性, 结合在加工中出现的问题, 钛合金加工的难度主要体现在以下几点。

(1) 在钻削加工过程中, 在钻削区易形成高温;再加上钻头与前刀面接触面积小, 刀尖应力大, 切屑不易排出, 钻削用量不易控制, 易造成零件变形和烧刀现象。

(2) 钛合金弹性模量小, 在钻孔时钛合金在钻削力作用下产生较大的变形;在完成加工起钻时, 使已加工表面产生较大的回弹, 引起加工的零件超差, 加工面粗糙。

(3) 由于钛及钛合金化学活性高, 钛合金亲和力大, 加之高温高压作用, 在钻削时易产生粘刀现象, 切屑挤在钻头沟槽中不易排出, 造成刀具粘接产生积屑瘤, 甚至出现扭断钻头等现象。

鉴于钛合金孔在加工中易山现上述等问题, 在钛合金加工中需要改进加工方法, 通过改进工具来提高钛合金加工孔的质量和加工效率。

3 提高钛合金孔加工质量的措施

由于钛合金在孔加工时易出现高温区、烧蚀刀具, 产生积屑瘤, 零件超差, 加工面粗糙等现象, 在孔的加工中可以从以下几个方面来提高孔的质量和加工效率。

3.1 选择合适的钻头和工具

(1) 经不同材料的钻头试验分析, 超细品粒硬质合金钻头加工钛合金时刃口锋利、磨损小, 效率有了显著的提高, 是比较理想的刃具材料, 如果没有条件可以选择高速钢M42, B201或硬质合金钻头。

(2) 在钻头上设计四条导向刃, 可以增加钻头的截面惯性矩, 提高刚性, 其耐用度比标准钻头高3倍左右。同时由于导向稳定减小了孔扩张量, 如Ф3mm的四条导向刃钻头孔扩张量仅为0.03mm, 而标准钻头为0.06 mm。

(3) 采用“S”形或“X”形修磨钻头横刃, 横刃长度为0.08~0.1钻头直径, 同时保证横刃的对称度小于0.05mm。两种形式的横刃均可形成第二切削刃, 起到分屑作用和减小在钻孔时的轴向力。

(4) 选择适宜的枪钻:在钻钛合金长径比大于5的深孔时, 当孔径小于等于30mm时, 一般采用硬质合金枪钻;当孔径大于30mm时, 采用硬质合金钻头或喷吸钻等。

3.2 选择正确的切削液

选用适合钛合金加工的冷却方式, 进行有效的冷却, 可延长切削刀具的寿命, 提高加工效率。

(1) 在钻浅孔时可选用电解切削液, 其成分为三乙醇胺, 癸二酸, 硼酸, 亚硝酸钠, 甘油和水。

(2) 在钻深孔时, 因为水在高温下可能在切削刃上形成蒸汽气泡, 易产生积屑瘤, 使钻孔不稳定, 不宜选用水基切削液。一般采用豆油, 必要时可加入钻孔攻丝专用油和添加剂为切削液, 经高压空气油雾器雾化后, 通孔道直接将冷却气雾送至切削区域, 进行冷却和润滑, 且切屑易排出钻头, 获得更佳的冷却润滑效果。

3.3 采用合理的加工方式

钛合金的性能特点要求钻削在加工时钛合金需采用合适的方式。一般采用低转速, 适中的进给量;在加工深孔时要勤退刀并及时清除切屑, 注意切屑的形状和颜色。如在钻削过程中切屑出羽状或颜色变化时, 表明钻头已钝, 应及时换磨刀刃。

为了提高工艺系统刚性, 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;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, 影响孔的质量和加工效率。

4 结束语

钛合金材料在航空、航天领域中被广泛应用。但其较差的加工性能, 制约着钛合金零件加工质量和生产效率, 尤其在钻孔和攻丝方面表现较突出。因此在孔加工方面提出合理的加工方式, 加工方法, 加工工具可以改善孔的加工质量, 提高加工效率。

参考文献

[1]李富长, 宋祖铭, 杨典军.钛合金加工工艺技术研究[J].南京机电液压工程研究中心.

[2]张利军, 申伟.钛合金材料的钻孔技术分析[J].西安北方光电科技防务有限公司.

镁合金零件的机械加工与安全 篇4

1 镁合金的机械加工

密度为的镁合金比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%，被公认为是质量最小的结构金属材料。小批量镁合金零件的机械加工可在手动操作的小型机床上进行;大批量高效率加工镁合金零件时，采用专用的大型自动化机械加工中心或计算机数控机床将更加经济。与那些机械加工性能较差的金属材料相比，切削性能良好的镁合金具有十分突出的优点。对于镁合金，可以在高切削速度和大进给量下进行强力切削，这样机加工工时数就可以减少。因此，在完成同样的工作任务时，若采用镁合金作原材料，可以减少加工设备的台数，节约基建投资，减少占地面积，降低劳动力成本和管理费用。

1.1 镁合金的切削功率消耗

对镁合金零件进行加工时，单位体积切削量的功率消耗比其他常见金属都要低。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1所示。

由于镁合金导热性好、切削力小，故在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。因为镁合金易切削，其断屑性能十分良好，一般清况下只需经过一次精加工便可达到所要求的最终表面粗糙度。

1.2 镁合金材料对加工性能的影响

1.2.1 对切屑形成的影响

在机械加工过程中所形成的切屑类型，与材料成分、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、膛、刨、铣时，所产生的切屑可以分为3大类:a.在大进给量下形成粗大和断屑良好的切屑:b.在中等进给量下形成长度短和断屑良好的切屑;c.在小进给量下形成长而卷曲的切屑。

1.2.2 对扭曲变形的影响

由于镁的比热高、导热性良好，摩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，在高切削速度和大进给量的情况下，零件所产生的热量也是相当高的，很可能因为温度过高而发生扭曲变形。

1.2.3 对热膨胀的影响

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0℃范围内为26.6-27.4μ m/m℃。

1.2.4 对冷变形的影响

在机械加工过程中，镁合金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、进给速度太慢以及刀具在加工过程中有停顿等不利因素时，也可能造成扭曲变形或翘曲。

1.3 刀具对镁合金零件机械加工的影响

1.3.1 刀具材料的影响

加工镁合金的刀具材料的选择取决于所需完成的机加工作量。小批

随着“镁合金应用开发与产业化”项目的深入实施，企业在实际生产中出现了不少问题，如工艺和安全方面的问题，这是因为国内大多数镁合金压铸企业第一次接触镁合金。因此，本文将对镁合金压铸零件的机械加工工艺及安全操作规程进行了概括性的介绍，以供参考。

1 镁合金的机械加工

密度为的镁合金比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%，被公认为是质量最小的结构金属材料。小批量镁合金零件的机械加工可在手动操作的小型机床上进行;大批量高效率加工镁合金零件时，采用专用的大型自动化机械加工中心或计算机数控机床将更加经济。与那些机械加工性能较差的金属材料相比，切削性能良好的镁合金具有十分突出的优点。对于镁合金，可以在高切削速度和大进给量下进行强力切削，这样机加工工时数就可以减少。因此，在完成同样的工作任务时，若采用镁合金作原材料，可以减少加工设备的台数，节约基建投资，减少占地面积，降低劳动力成本和管理费用。

1.1 镁合金的切削功率消耗

对镁合金零件进行加工时，单位体积切削量的功率消耗比其他常见金属都要低。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1所示。

由于镁合金导热性好、切削力小，故在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。因为镁合金易切削，其断屑性能十分良好，一般清况下只需经过一次精加工便可达到所要求的最终表面粗糙度。

1.2 镁合金材料对加工性能的影响

1.2.1 对切屑形成的影响

在机械加工过程中所形成的切屑类型，与材料成分、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、膛、刨、铣时，所产生的切屑可以分为3大类:a.在大进给量下形成粗大和断屑良好的切屑:b.在中等进给量下形成长度短和断屑良好的切屑;c.在小进给量下形成长而卷曲的切屑。

1.2.2 对扭曲变形的影响

由于镁的比热高、导热性良好，摩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，在高切削速度和大进给量的情况下，零件所产生的热量也是相当高的，很可能因为温度过高而发生扭曲变形。

1.2.3 对热膨胀的影响

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20200℃范围内为26.6-27.4μ m/m℃。

1.2.4 对冷变形的影响

在机械加工过程中，镁合金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、进给速度太慢以及刀具在加工过程中有停顿等不利因素时，也可能造成扭曲变形或翘曲。

1.3 刀具对镁合金零件机械加工的影响

1.3.1 刀具材料的影响

加工镁合金的刀具材料的选择取决于所需完成的机加工作量。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偿调整工作。

1.3.2 刀具设计

加工钢和铝的刀具通常也适合于镁合金的加工，

但是，由于镁的切削力小，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

对镁合金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、毛刺和卷刃。如果刀具切削过其他金属，即使切削角没有改变，也应进行重新刃磨和晰磨。

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00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。

加工镁合金零件时，无论用高速或低速的切削速度，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及切屑着火的可能性。因此，在镁合金零件的机械加工中，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。为了防止镁合金零件腐蚀，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

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，产生的摩擦热可迅速散失出去，故难以达到燃点温度，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。

在镁合金的加工过程中，使切屑升温到达闪点或燃烧的影响因素如下。

a.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。

b.环境的相对温度。相对温度越高，则失火的可能性越大。

c.合金的成分与状态。与多相合

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。

d.其他因素。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。

2.2 机械加工的安全操作规程

a.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。

b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。

c.不要让刀具中途停顿在工件上。

d.使用微小切削量时，要使用矿物油冷却液来减少降温。

e.如果镁合金零件中有钢铁芯衬时，要避免与刀具相碰产生火花。

f.保持环境整齐、干净。

g.严禁在机加工工作区内吸烟、生火、电焊。

h.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。

在对镁合金零件进行干法磨削时，必须用设计得当的湿法吸尘系统将镁渣立即从工作区域中清除出去。吸尘器与磨床之间的连接管应当短而直，吸尘器应保持清洁，并将其排风口设在室外。需及时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，应将其保存在水中。

随时保持工作环境的整洁，对于保证磨削镁合金零件的安全至关重要。每天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的清理。不得让镁粉聚集在座椅、窗户、管路和其他水平面上。

不应将太多的吸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。

如果要在带式打磨装置或圆盘式磨床上对镁合金零件进行湿法磨削，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。

因此，对镁合金零件进行磨削加工时必须采取下列预防措施。

a.必须有专门用于镁合金零件加工的磨床，并贴上“镁专用”标签。在对砂轮进行修整之前，应对吸尘器做彻底清理。

b.对用铬酸盐蚀洗过的镁合金零件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。

c.磨削设备操作人员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。

d.警告标志应当放置在显眼的地方。

e.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。

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，因为高浓度的氢气集聚易发生爆炸。

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(一般1kg干燥镁使用0.6kg氯化铁)，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。在配制5%的氯化铁溶液时，应将淤渣中的水考虑进去。

2.5 镁屑燃烧的灭火

a. 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灭火。

b.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灭火。

c.铸铁碎屑。在没有其他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。

铝合金薄壁腔体零件加工工艺研究 篇5

【关键词】铝合金薄壁腔体零件；铣削加工；加工精度；加工变形

1.引言

影响铝合金薄壁腔体零件的加工精度和表面质量的主要因素是该类零件加工过程中容易变形。解决铝合金薄壁腔体零件在加工过程中的变形问题，就能提高该类零件铣削加工的工作效率，提高零件的精度和质量，实现产品快速生产。

2.薄壁零件加工变形的原因

分析铝合金薄壁腔体零件的加工过程，该类零件一般由铝合金板整体加工而成，该类零件金属去除量大、刚性低，在加工过程中会因残余应力、装夹力、切削运动三方面因素引起变形。

2.1 残余应力

金属材料在形成过程中，金属晶体的排列不是理想状态的整齐排列，晶体的大小和形状不尽相同，存在原始的残余应力，随着时间缓慢释放，产生一定的形变。另外，金属切削过程中，切削的塑性变形和刀具与工件间的摩擦热，使已加工的表面和里层温差较大，产生较大的热应力，形成热应力塑性变形。

金属切削过程中产生的变形并不是单一的原因造成的，往往是几种原因组合作用的结构，而且这种组合作用在加工过程中不是一成不变的，随着加工进行的不断变化，究竟哪一种原因对变形的影响最大，很难进行判断，只能从引起变形的原因入手，采取相应的工艺方法，尽量减小加工变形。

2.2 装夹力

由于铝合金薄壁腔体零件的壁比较薄，无论采用台虎钳装夹还是卡盘装夹，都会产生横向或径向的装夹力，不可避免会产生装夹变形。装夹变形程度跟装夹力的大小有关，装夹力如果很大，就会形成不可恢复的塑性变形；如果较小，就会形成弹性变形，弹性变形会在零件卸载后恢复，但切削加工是在弹性变形没有恢复的时候进行的，单一弹性变形的恢复会为加工后的零件带来新的变形。

2.3 切削运动

切削过程是刀具和工件相互作用的过程，该过程使刀具从工件上去除部分材料。切削运动使材料的晶体颗粒间产生挤压、拉伸、拉断等现象，这些现象会使晶体的原子间产生位移，形成不可恢复的塑性变形。

3.控制、减小铝合金薄壁腔体零件加工变形的工艺方法

分析铝合金薄壁腔体零件在加工过程中变形的原因，结合日常加工生产经验，我们从工艺流程、热处理、装夹方式和切削加工四个方面着手，对控制、减小铝合金薄壁腔体零件加工变形进行研究和探讨。

3.1 优化工艺流程

工艺流程可以将粗、精加工分开，粗加工完成后，对零件进行热处理，将零件的切削应力和残余应力充分释放，再进行精加工，零件的加工质量会得到很大程度的提高，实行粗、精加工分开有以下几方面优点：

（1）减小残余应力对加工变形的影响。粗加工完成后，可以采用热处理将零件粗加工产生的应力去除，减小应力对精加工质量的影响。

（2）提高加工精度和表面质量。粗、精加工分开，精加工只是加工较小的余量，产生的加工应力和变形较小，能较大程度提高零件的质量。

（3）提高生产效率。由于粗加工只是去除多余的材料，为精加工留足够的余量，所以不过多考虑尺寸和公差，有效发挥不同型号机床的性能，提高切削效率。

3.2 热处理

零件经过切削加工后，加工表内的金属组织结构会发生很大变化，加上切削运动的影响，会产生较大的残余应力，为了减小零件的变形，需要将材料的残余应力充分释放。

铝合金薄壁腔体零件一般采用低温退火的热处理方式。低温退火热处理的温度（170℃-190℃）低于再结晶的温度，不会影响零件的强度和硬度；低温退火热处理虽然不能完全去除零件的应力，但可以去除其中的大部分，剩余的部分应力，对零件加工变形的影响较小；低温退火热处理可以通过适当的保温时间达到要求的去应力效果。

3.3 改进装夹方法

在普通零件的加工过程中，装夹方式通常采用台虎钳装夹，对于圆形零件，也可以采用卡盘装夹的方式，无论是台虎钳装夹还是卡盘装夹都会不同程度产生装夹应力。装夹应力和零件卸下后的弹性恢复会使零件产生一定的变形，在粗加工阶段，由于只是去除多余的材料，可以采用台虎钳装夹。

在精加工过程只能够，必须改进装夹方式，减小装夹变形的影响，以达到设计要求的尺寸精度和形位公差。

铝合金薄壁腔体零件在受力情况下很容易变形，加工这类零件，工艺上首先要解決的是装夹引起的加工干涉问题。在铝合金薄壁腔体零件加工过程中可以参照以下方式解决装夹问题：

真空吸附装夹方式：将工件放在吸盘上，并用配套的特种密封条将其底部与外界隔开，接着将底部抽真空，当压力表显示真空达到指示值时，工件相当于加有一定的压力。如图1所示：

防变形装夹方式：将零件通过销钉定位，连接到安装夹具上进行加工，加工过程中台虎钳装夹的是安装夹具，不与发生零件接触；同时，零件在组装和应用时是以销钉定位的，所以加工中心以对应的销钉孔作为装夹定位基准，将更好的接近设计和使用要求，在夹具实际上也应该以对应销钉孔为基准来控制夹具的中心和方位。如图2所示：

3.4 高速切削加工

高速切削加工有三个优点：高效率、高精度和高编码质量、低切削温度和低切削力。切削过程中，影响工件表面质量的主要因素有切削时产生的积屑瘤、磷刺、振动以及切削刃的刃磨质量、工件材料组织缺陷、切削液使用情况等，高速切削与普通切削相比，切削深度块、材料变形速度快、应变率大，不易产生积屑瘤、磷刺。同时，由于切削速度较快，切削热大部分被切屑带走，切削表面来不及产生塑性变形，铣削加工加工已完成。

高速切削加工过程中产生的应力可以控制在很小的范围，这为高精度薄壁零件提供了可能和技术支撑，并大大缩短了加工周期，同时较好的保证了零件的尺寸精度和表面质量。

4.结语

铝合金薄壁腔体零件加工过程中，从优化工艺流程、热处理、改进装夹方式、高速切削加工四个方面综合考虑，结合零件的结构特点，制定合理的工艺流程和加工方案。就可以解决了零件加工变形问题，提高了零件的加工精度和表面质量。

参考文献

[1]李华.机械制造技术[M].机械工业出版社，1997.

[2]徐宏海.数控加工工艺[M].化学工业出版社，2004.

[3]张森堂.高效加工与加工策略[M].

作者简介：

周思吉，男，大学本科，工程师，主要研究方向：机械设计及其自动化。

镁合金激光加工技术 篇6

关键词：铝合金,铣削,表面划痕,积削瘤,刀具前角

铝合金由于其导电性、导热性好，强度高，应用广泛。如果再对铝合金进行热处理和冷加工，可使铝合金的力学性能达到低合金钢的水平，铝合金冷加工以切削加工应用为最广。铝合金熔点较低，加工过程中温度升高后塑性增大，切削界面摩擦力增大，容易粘刀，及产生积削瘤等缺陷，表面粗糙度不好保证。本文针对某厂生产的铝合金箱体类零件在切削加工过程中存在的问题，提出了改进的方法，并进行了试验研究。

1 选用的零件

选用某厂生产的铝合金箱体，如图1所示，该零件结构复杂、质量要求高，材料为ZL106，正火处理，生产批量大。本文主要研究A端面在专用机床上的铣削加工过程，此端面的平行度要求为0.025mm，与B面的垂直度要求为0.03mm，表面粗糙度为Ra3.2。

2 铣削加工

2.1 刀具结构

该零件铣削过程采用粗铣—精铣—修光三道工序来完成，为了提高生产效率，将粗铣、精铣和修光安排在一台专用机床上的一个工位来完成，刀片材料为YG6X，总共有8片硬质合金普通铣刀片和1片修光刀片，其中修光刀片在安装过程中高于普通刀片0.08mm，以保证修光的加工余量。

2.2 加工参数设置

在专用机床上加工，切削速度为70m/min，每转进给量为0.8m m，精铣背吃刀量为0.6m m，修光背吃刀量为0.1m m，刀具前角r0=15°，刀具后角α0=10°。

2.3 切削结果分析

用以上参数切削过程中，主要出现两个问题，一是零件已加工表面有划痕现象，二是在刀片的前刀面上有积削瘤的存在。

3 零件已加工表面划痕的解决方法

经过反复实验得知，零件表面的划痕主要是由在初洗过程中修光刀刃与加工表面的摩擦所导致的。改进的方法有两种，一种是调整修光刀的安装角度，另外一种是调整铣刀盘与进给方向的夹角。如果调整修光刃与已加工表面的夹角，则每次换刀调整非常麻烦。夹角稍大影响表面质量，精度不高。因此，调整铣刀盘与进给方向的夹角。调整角度如果角度调整太大，修光后的表面会产生一个斜度而影响表面质量。已知修光刃的长度为5mm，而零件表面粗糙度为Ra3.2，调整角度为x，每转进给量为0.8mm为保证表面质量满足要求，所以：

综合考虑取铣刀盘轴线与进给方向夹角为89°53'，这样修光刃与已加工表面之间留有一定的间隙，增大了工作刀齿的副偏角，也会使副切削刃、副后刀面与已加工表面之间的摩擦减小，同时也避免了修光刃与已加工表面的摩擦。

4 刀具前刀面积屑瘤的解决

4.1 积屑瘤的产生分析

由于在铣削铝合金过程中，铝合金的熔点较低，在温度升高后，它的塑性变大。被切削金属在切削区域的高温和高压和较大的摩擦力的作用下，与刀具刃口附近的前刀面会粘结在一起，就会形成了积屑瘤，积屑瘤的硬度可比工件的基体高出2～3倍，因此可以代替刀刃进行切削，一般在初加工过程中，是允许有积屑瘤的存在，但积屑瘤在切削过程中不稳定，时大时小，使得工件表面出现高低不平的形状，工件表面粗糙度会增大，尺寸精度降低。精加工过程中不允许有积屑瘤。

4.2 刀具角度对积屑瘤的影响

刀具前角增大，积屑瘤的高度降低，这主要是由于刀具前角增大时，切削角随之增大，金属的塑性变性系数减小，沿前刀面产生的摩擦力减小，因此切削力也减小，产生的切削热也减小。这样可以抑制积屑瘤的产生或减小积屑瘤的高度。但如果前角继续增大，增大到一定值后，会使刀刃强度下降，散热条件变差，而且刀刃易产生破损，耐用度下降，切削温度升高。综合考虑工件材料、刀具材料和加工性质来决定前角取25°。

后角的增大，积屑瘤的高度也会呈下降趋势，但和前角相比，效果不明显。当后角增大时，可以减少刀具后刀面与工件之间的摩擦，并能使刀具刃口钝圆半径减小，刃口锋利、易切入工件。但后角过大，也使刀刃强度降低，刀具散热能力下降，综合考虑后角取15°。

4.3 切削速度对积屑瘤的影响

经过实验得出随着切削速度的增加，积屑瘤先由小变大再由大变小，即积屑瘤高度增加到峰值以后，又随着切削速度的增加而降低。在实际生产中选择低速切削(V<3m/min)或者高速切削(V>70m/min)，这时摩擦系数较小，粘结不易产生，故一般不会产生积屑瘤;而在中等切削速度(V=15～30m/min)时，产生的积屑瘤最大。

5 结语

采用改进后的刀具结构及铣削工艺参数在专用机床上对铝合金表面进行铣削加工，和以前相比，表面质量提高，表面划痕现象和积屑瘤大小减少，同时刀具的耐用度提高，加工精度也提高了，这一加工技术的改进可以在实际生产中应用推广。

参考文献

[1]贺曙新,张四弟.金属切削工[M].北京:化学工业出版社,2004.

[2]张维纪.金属切削原理及刀具[M].杭州:浙江大学出版社,2002.

[3]李华.机械制造技术[M].北京:高等教育出版社,2002.

铝合金薄壁结构件的高效加工技术 篇7

1 薄壁腹板零件数控加工工艺

1.1 质量制约因素

腹板超薄类零件在我们实际零件机加过程中经常会遇到, 在切削过程中, 由于切削力的作用腹板会发生弹性变形, 当大部分加工余量被去除后, 随着厚度的逐渐变薄, 腹板在加工过程中的颤动逐渐变得明显, 通常变形量会成抛物线状变化, 在加工条件一定的情况下, 壁厚越薄变形越严重, 产生的误差也越大。

因腹板在切削加工中颤动影响会出现诸多质量问题:例如, 腹板出现颤纹, 表面光度不好;厚度尺寸不符合公差要求, 零件报废等等, 因此对于薄壁腹板结构的加工, 关键问题就是要解决在切削力作用下的弹性变形。

1.2 解决措施

通过实践验证, 我们总结了以下工艺方法可供参考:利用真空铣夹具吸附;在腹板底部增加辅助支撑;针对底部无支撑的薄壁腹板, 粗铣后留有一定余量, 可让铣刀从试件中间位置斜摆进刀, 在深度方向铣到最终尺寸, 然后一次走刀由中间向四周螺旋扩展至侧壁;刀具轨迹避免重复, 以免碰伤切削瞬间变形的表面。

1.3 典型零件案例

1.3.1 零件介绍。

前缘;毛料为铝合金板材 (7050 T7451 δ60) , 属典型的超薄腹板类零件, 腹板厚度仅为1.5mm (公差±0.2) , 零件外廓:700×600, 腹板中间有4处通槽, 降低了腹板的刚性, 给机加增加了难度。

1.3.2 加工控制方案。

在此零件的腹板精加工过程中我们采用的是自制专用真空吸夹, 结构形式如图所示。首先将反面加工到位后进行真空吸附, 再进行正面的切削。粗加工完成后, 腹板留有1mm余量, 再精加工到位, 为保证腹板整体强度, 通槽最后铣切, 并留有0.2～0.3余量保证吸附完全。

1.3.3 实施效果。

通过真空夹具吸附, 大大提高了腹板刚性, 有效的抑制了加工中的弹性变形, 最终腹板壁厚尺寸及表面质量完全达到设计要求。

2 薄壁缘条零件数控加工工艺

2.1 质量制约因素

在薄壁缘条的数控切削过程中, 随着零件壁厚的降低, 零件的刚性减低, 加工变形增大, 容易发生切削震颤, 影响零件的加工质量和加工效率;

对于较深的型腔和侧壁的数控加工过程中, 切削颤动会显的特别明显, 随着切深的增加, 颤动的加剧, 工件与刀具之间会有明显异响, 切削表面同样会有颤纹、表面粗糙等现象, 有的甚至导致壁厚超差。

2.2 解决措施

对于侧壁的铣削加工, 在切削用量允许的范围内, 采用大径向切深, 小轴向切深分层铣削加工, 充分利用零件整体刚性, 进行稳定加工。如遇颤动或变形极为严重的, 为防止刀具对侧壁的干涉, 可以选用或设计特殊形状的铣刀, 以降低刀具对工件的变形影响。

1) 侧壁满刃一刀切的方法也是对待侧壁切削中取得较好的效果。其思路是粗加工侧壁结束后留有较小的余量, 最后在侧壁两侧进行满刃一刀切削, 较小余量可控制在0.5mm～1mm之间, 根据实践也可更小, 目的是为了降低切削力, 而满刃切削目的一方面是增大工件与刀具之间接触面积, 提高刚性, 另一方面是避免分层切削而导致多次光刀的影响。该方法针对深腔和较高的侧壁加工效果会更好, 切削表面会有较高的完整性。

2) 侧壁两侧等高环切方法, 其思想在于在切削过程中, 尽可能的应用零件的未加工部分作为正在铣削部分的支撑, 使切削过程处在刚性较佳的状态。

3 薄壁结构件高速切削技术

3.1 高速切削特点

要想提高生产效率, 国际上拥有先进制造技术的国家, 普遍采用高速铣加工。高速铣加工是数控技术发展起来的集高效、优质和低耗为一体的先进制造技术。

和普通铣切削比, 高速切削具有下列优点:加工效率高;切削力降低;工件热变形减小;加工表面质量高;有利于保证零件的尺寸、形位精度;加工成本降低。

薄壁结构件基于高速切削产生的切削力低、热变形小、表面精度高等特点, 从而实现高效、经济、优质加工的目的。

3.2 高速切削技术被广泛应用薄壁结构件

中航工业沈飞数控加工厂 (以下简称该厂) 在薄壁铝合金结构件高速切削技术方面现已达到成熟阶段, 不同类型的结构件都已在高速铣机床上实现优质高效加工。

3.2.1 薄壁铸件高速铣加工。

这是该厂典型的2项铝合大型铝合金铸件, 壁厚2mm～4mm, 结构复杂, 表面质量要求高, 尺寸公差要求严格。目前采用的是高速切削加工, 加工后的产品质量完全达到设计要求, 其技术含量已达到同行业内顶尖水平。

3.2.2 薄壁长桁类零件高速加工。

长桁类零件在该厂有上百余项, 零件的外形公差要求严格, 零件的表面光度要求较高, 同时, 零件的表面光洁度形成的方式受限 (表面不允许使用抛光的加工方式, 需要保留铣刀加工的痕迹) , 所以, 对数控机床的精度、程序的准确性及刀具均要求较高。

4 结论

镁合金激光加工技术 篇8

关键词：钛合金,电火花加工技术,进展

1 钛合金的应用

1.1 钛合金在航空航天领域的应用

与钢、铁、铝合金等材料相比较, 钛合金属于新型的结构材料, 在20世纪40年代末开发使用了钛合金, Ti-6Al-4V为代表的钛合金作为航空应用的主体材料, 可以代替钢和镍基超合金减重, 在耐高温方面可取代铝合金、镍基超合金和钢, 又因其具有高度抗腐蚀特点可代替铝合金和低合金钢, 同时还具有高溶性的特点, 能代替铝合金与聚合物基复合材料。从此钛合金成为了不可或缺的金属材料。在航空航天领域广泛应用于飞机的机架、燃气涡轮发动机、直升机、太空应用等各个方面。

1.2 钛合金在非航空航天领域的应用

钛合金在非航空航天领域的运用主要集中于医疗、汽车、化工、船舶和能源领域。由于钛合金耐腐蚀性能高, 在海洋条件下有着独特的优势, 因此被广泛运用在船舶行业。

钛制耐压壳体主要应用于深海的潜水器材和潜艇上面, 而水面船只一般都不采用。在航海技术较为发达的美国、法国、西班牙等国家, 都采用了不同比重的钛制耐压壳体。美国的“海崖”号就装备了钛制观察仓和操作仓, 使下潜的深度达到了6 100m[1]。钛合金不但具有高耐压强度, 还有耐腐蚀速度, 对器材的使用寿命有很大的提升效果, 在船只的螺旋桨部位使用钛合金不但可以降低空泡腐蚀的速度, 延长使用寿命, 还可以加强螺旋桨的运作效率。

1.3 汽车工业行业

当今的时代是绿色时代, 节能减排一直是每一个国家重要推行的内容。我国是发展中国家, 更加需要重视节能减排。19世纪60年代, 大众汽车就专门生产了一台全钛合金汽车, 不仅减轻了车体的重量, 还将钛合金的各项优良属性发挥到极致, 延长使用寿命, 增加运行效率。

1.4 其他行业

钛合金的优良属性, 使医疗器械、化工行业、体育器械、建筑等行业都对其青睐有加, 在此, 就不一一对其应用进行叙述。

2 电火花加工技术的应用

2.1 混粉工作液电火花镜面加工技术

混粉工作液电火花镜面加工技术是在电火花工作液中添加一系列其他材料, 如硅、铝等导电微小颗粒, 采用这类技术不但可以降低加工过程中接触面的粗糙问题, 还能有效提升接触面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性, 而且还能够有效消除表面存在的裂纹。

2.2 微细电火花加工

微细电火花加工技术具有电极制造简单、作用力小、控制性好等优点, 因此, 这项技术已经成为微细机械制造领域的一个主要组成部分, 在机械制造领域内被广泛应用。

2.3 陶瓷等非导电材料加工

陶瓷等非导电材料加工起源于日本, 主要原理是基于工业液, 比如煤油, 在火花放电的时候出现的碳化导电现象, 在非导电陶瓷端安装有导电的辅助电极, 这样在工作电极与辅助电极之间就会产生火花放电, 从而让非导电陶瓷材料得到腐蚀[2]。该项技术已经逐步应用于聚晶金刚石、立方氮化硼、工程陶瓷等非导电超硬材料加工领域。

2.4 电火花铣削加工技术

电火花铣削加工技术省去了传统的成型电极的设计和制造过程, 大幅度降低了电火花加工的工艺流程, 从而提升了电火花加工对市场的快速应变能力。

3 钛合金的电火花技术的应用与进展

3.1 钛合金电火花成型加工

从电火花成型加工的角度来讲, 材料的可加工性主要是根据材料的导电性质及其热学特性决定的。比如材料的沸点、熔点、比热容等。当放电的能量达到一定的时候, 金属的特性与热学特性就会出现变化, 从而导致电蚀量变少, 材料就会更加难以加工。钛合金的熔点十分高, 导热性比较差, 在加工的时候需要消耗很大的能量才能达到完全气化, 因此电火花成型加工技术是解决钛合金难加工材料的一种有效方法。

3.2 钛合金电火花线切割加工

电火花线切割加工的基本原理是利用移动的细金属导线 (铜丝或钼丝) 作电极, 对工件进行脉冲火花放电, 产生瞬间高温, 从而使工件切割成形。在进行钛合金电火花线切割加工的时候, 采用越高的脉冲频率和越低的脉宽, 表面平均重铸层厚度都会比较小, 表面显微硬度基本不会出现变化, 能够得到质地较高的表面质量。

3.3 钛合金电火花强化加工

钛合金的硬度比较低、摩擦因数比较大、耐磨性能比较差, 对于微动磨损的敏感度比较高, 因此, 对于提升钛合金表面耐磨性的处理十分重要。在采用钛合金电火花加工的过程中, 会产生高达10 000℃的温度, 能够使任何的强化介质与钛合金发生化学反应。因此在加工过程中加入含有N、O、C元素的单个或者多个强化介质, 能够有效加强钛合金表面硬度[3]。

4 结语

传统的切削加工方式难以将钛合金处理好, 特别是钛合金的深孔、窄缝等地方, 但是采用电火花加工技术能够有效解决这些问题, 显示出了电火花加工技术在钛合金加工中的独特优势。今后应该从改善钛合金表面电火花强化层的质量入手, 提升钛合金的电火花强化效率, 从而进一步提升钛合金表面性能, 拓宽钛合金的应用领域与价值。

参考文献

[1]匡蒙生, 胡伟民, 郭爱红, 等.钛及钛合金在美海军舰船上的应用[J].鱼雷技术, 2012, (5) :331-335.

[2]杨大勇.电火花成形加工技术的发展概况[J].电加工与模具, 2010, (1) :45-52.

镁合金激光加工技术 篇9

冠心病对人类健康的威胁日益加剧,介入治疗因效果显著且副作用小,已成为心血管疾病治疗的首选[1]。镁合金血管支架兼具高分子材料的可降解性以及金属材料的高强度,能在有限的服役期内对血管壁起到支撑作用,并在病变血管组织形成新的血管壁之后,经体液的腐蚀逐渐降解并消失,大大降低了在植入处发生血栓及并发炎症等病变的可能性[2]。21世纪以来,镁合金血管支架已经成功地在动物[3,4]和人体内[5,6,7]进行过多次植入试验,显示出了良好的应用前景。镁合金血管支架通过对微细管进行激光雕刻,得到管网状结构,以便于其在服役中的弯曲和膨胀变形。在实际应用中,这些微细管材在满足一定力学性能的同时,其尺寸需要达到直径在2.5~4.0mm、壁厚在0.1~0.2mm之间[8,9]。生物医用镁合金微细管材在人体内服役,与体液长时间接触,且支架植入病变部位后,需用球囊将其撑开,因此相比于工程用镁合金管材,生物医用镁合金微管对耐蚀性及高强度与高塑性的匹配具有更高的要求。常见的镁合金微细管材的制备流程如图1所示,其中坯料处理和小规格管材成形两个步骤尤为关键。坯料组织及性能的优劣决定了较大规格管坯制备的成功与否,而小规格管材的成形对加工方法及过程控制要求高,制备难度大。

众所周知,镁合金为密排六方晶体结构,在室温下塑性很差,当温度升高时,晶体潜在的滑移系会被激活,从而塑性提高。因此,传统的镁合金管材加工方法主要是热加工(热挤压、热拉拔等)。然而,热加工时合金易氧化,晶粒易长大,制得的管材尺寸精度、力学性能及表面质量较差,无法满足生物医用的要求。为了克服镁合金塑性差的缺陷,制备出优质的医用镁合金微细管,近年来科研工作者着重从调控镁合金坯料显微组织、优化镁合金管材精密加工参数及开发新型加工方法3方面进行攻关,取得了一系列进展。

1 超细晶镁合金坯料的制备

在镁合金坯料组织超细晶化的过程中,材料的细晶强化作用得以充分发挥,坯料的力学性能得以显著改善,从而使最终制备的微管力学性能提高,能够满足血管支架的使用要求,相关研究如表1所示。

近年来大塑性变形技术如等径角挤压(Equal channel angular pressing,ECAP)等在变形镁合金中的应用得到了很大的发展,为镁合金坯料组织的细化提供了条件。Furushima等[10]以AZ31镁合金为研究对象,通过等径角挤压和传统热挤压的方法成功制备出了外径2mm、壁厚0.5mm的微细管材,如图2(a)所示。管材显微组织呈均匀等轴晶,其平均晶粒尺寸仅为1.5μm,且具有超塑性,在温度为673K时,伸长率达到最大值688%。

镁合金通过大塑性变形细化组织后,不但力学性能提高,而且使得后续的挤压成形更容易进行。相关研究表明[11],对铸态ZM21镁合金依次在200℃和150℃下进行多道次等径角挤压,可得到平均晶粒尺寸仅为0.52μm的超细晶组织。合金的屈服强度由铸态的180 MPa提高到了340MPa,同时保持了相当高的塑性。用所得超细晶坯料在150℃下成功挤压出了外径4mm、壁厚1mm的微细管,其晶粒尺寸仅为0.5μm,且硬度从50HV提高到了74.8HV,增加幅度明显。此项研究也表明了通过ECAP法获得的超细晶结构在低温下进行挤压是可行的。

鉴于通过大塑性变形制备的超细晶组织坯料还需经过后续的挤压来成形管材,Faraji等[12]从缩短制备周期的角度出发,采用沿径角管材挤压(Tubular channel angular pressing,TCAP)的方法在200℃下直接对铸态的AZ91镁合金管坯进行多道次挤压,如图2(b)所示,获得了外径8.75mm、壁厚2.5mm的超细晶管材。实验中发现,经过第一道次的挤压后,管材的显微硬度从初始态的67HV提升到了98.5HV,屈服强度和极限抗拉强度相比于初始铸态分别提升了4.3倍和1.4倍。最终所得管材的平均晶粒尺寸从铸态的约150μm减小到约为500nm,晶粒得到显著的细化。由于TCAP法是直接对管材进行剧烈塑性变形,因而更适合于优化管材的微观组织[13]。

2 镁合金管材精密加工参数的优化

加工参数的优化主要是通过对塑性加工中的具体工艺参数(如温度、速度、变形量等)进行调控,从而在最佳的工艺条件下制备镁合金微细管。近年来随着加工设备性能的不断提高,尽管传统的热加工存在自身的缺陷,但若合理控制加工参数,仍然能制备出小规格的镁合金微细管,相关研究如表2所示。

2.1 热挤压工艺参数的优化

镁合金管材挤压时,由于坯料受到三向压应力,因而变形抗力较大,模具磨损严重。同时,当挤压的管材直径小、管壁薄时,坯料变形量较大,对金属流动性要求高,壁厚和表面质量不易控制。因此,镁合金微细管材的挤压必须严格控制变形工艺,采用合理的润滑方式。

Ge等[16]以锻造态的ZM21和AZ31B镁合金棒坯为原料,在挤压温度为410℃、应变速率为2.78×10-3s-1的挤压参数下制备出了外径4mm、壁厚0.5mm的微细管材。与正向挤压类似,通过选取合理的加工参数亦能有效提升反向挤压的能力。相关研究表明[18],运用反挤压的方式加工AZ31镁合金,挤压过程中通过合理调整挤压参数成功制备出了最小外径为3mm、壁厚为0.2mm的AZ31镁合金微细管材,且壁厚误差率在4%以内。与AZ系镁合金相比,稀土镁合金中的第二相多为硬脆相,合金具有高强耐热的特性,挤压过程更难进行。李伟[15]通过调整工艺参数,在挤压温度为440℃、挤压速度为28mm/s、挤压比为143条件下对Mg-6.5Y-2.5Nd-0.6Zr合金进行挤压,顺利挤出了外径3 mm、内径2.5mm的细管。经过460℃×2h+200℃×20h固溶时效处理后,其抗拉强度和屈服强度分别达到了291.4 MPa和214.2MPa,延伸率达16.3%。

由于热挤压过程中存在摩擦热效应,镁合金管材晶粒容易长大。针对此问题,于洋等[21]从改善润滑条件,减小摩擦的角度出发,采用静液挤压[22]并结合热挤压和机加工的方法制得了外径为3.2~4.1mm、内径为2.3~3.3mm的不同规格的高强韧AZ31镁合金薄壁细管。静液挤压中,挤压轴上的挤压力不再直接推动坯料,而是通过中间的挤压介质传递到坯料上,从而实现挤压成形。该技术由于利用摩擦热效应,有效改善了模具边界摩擦,因此使低温挤压形变强韧化工艺得以实现,晶粒细化效果明显[23,24];不仅微细管性能优异,而且表面精度及尺寸精度高。

2.2 热拉拔工艺参数的优化

镁合金管材拉拔过程中材料受到较大的拉力和摩擦力,沿轴向的拉应力很容易诱导裂纹的产生。因此,需要严格控制拉拔工艺参数(如拉拔速度、温度等),才能保证拉拔过程的顺利进行。

何淼等[14]探究了WE43镁合金管材拉拔过程中壁厚的变化特点,分析了拉拔工艺参数对拉拔力的影响,并对不同工艺参数条件下的拉拔力进行了实测,优化了拉拔工艺参数。最终在拉拔速度为0.25m/s、棒材拉拔温度为420℃、管材拉拔温度为350℃的条件下,采用10道次棒材拉拔和3道次管材空拉拔的工艺制备出了Ф4.0mm×0.25mm的WE43镁合金细管。管材的力学性能可达到Rm>200 MPa,A>15%。除了在实验过程中探索合理的加工参数外,预先对加工过程进行数值模拟,从而选取最优的工艺参数亦是一种有效的途径。罗倩倩[19]采用数值模拟软件分析了AZ31镁合金的热拉拔加工过程,优化了拉拔模具定径带宽度及拉拔工艺参数。拉拔实验中采用3道次空拉和11道次长芯杆拉拔,得到了Φ4mm×0.2mm的AZ31镁合金微管,管材抗拉强度达247.3MPa,伸长率达16.8%。且发现当拉拔温度为300℃,空拉速度为0.25mm/s,长芯杆拉拔速度为0.3mm/s时,随着变形程度的增加,镁合金晶粒显著细化,力学性能也有所提高。

3 新型加工技术的开发及应用

新型加工技术的开发主要是在选取合理的加工参数的同时,采用变形抗力更小、塑性成形能力更好的加工方式制备镁合金微细管,相关研究如表3所示。

管材拉拔过程中拉拔力的控制尤为关键,拉拔力越小,越有利于拉拔过程的进行。有研究表明[27],浮动芯杆拉拔相对于长芯杆拉拔来说拉拔力更小,更容易脱芯[33]。这种拉拔工艺介于固定芯头拉拔和长芯杆拉拔之间,拉拔过程中,如图3(a)所示,管坯和浮动芯杆之间的摩擦力可以带动芯杆一起被拉出模孔。相对于长芯杆拉拔,该工艺只需要夹持住管材,不需要同时夹持住芯杆。拉拔结束后,芯杆的底座与拉拔模相接触,夹头继续向前运动,芯杆与管材相脱离,不需要后续的脱管工序。研究也证实了这种拉拔方式可以实现ZK30镁合金的管材拉拔,且尺寸精度容易控制。

在微细管材常规拉拔过程中,当管壁很薄时,管材与模具接触的部位容易断裂。针对此问题,Furushima等[25]采用无模拉拔的加工方式实现了镁合金微细管的成形,经过3个道次的无模拉拔,最终加工得到了内外径分别仅为0.5mm及0.9mm的AZ31镁合金的极细管,如图3(b)所示。通过对管材局部感应加热来改变材料的流动应力,并在管材两端施加载荷,根据高温下合金的流动应力远低于低温下的流动应力,使得高温部分首先以局部颈缩的方式实现尺寸的减小,然后沿着管材轴向移动加热源,调整拉拔速度与加热源移动的速度,使得管材尺寸的减小均匀扩散到整个微细管中。

图3浮动芯杆拉拔(a)及无模拉拔(b)示意图Fig.3 Schematic of drawing with a moving mandrel(a)and dieless drawing(b)

为了避免热加工时材料发生氧化,同时确保管材有优良的表面质量和尺寸精度,近年来相关研究者用冷加工的方式来成形镁合金微细管(通常作为最后几道工序),取得了显著效果。大塑性变形工艺的发展极大地细化了镁合金的晶粒,有效地提高了镁合金的强度、塑性等综合力学性能,为镁合金的室温成形提供了可能[34]。镁合金管材的冷成形方法主要有冷拉拔和冷轧两种。

拉拔变形时,管材沿拉拔方向受到拉应力作用,因此相对于在三向压应力状态下的塑性变形(如挤压等),变形抗力有所降低。此外,在室温下拉拔获得的产品尺寸精度高,表面光洁度好。基于拉拔变形的这些特点,近年来研究人员将热挤压和冷拉拔结合起来用于制备镁合金微细管,取得了一定进展。Hanada等[28]在室温对热挤压得到的Mg-0.8%Ca和AZ61管材进行多道次固定芯头拉拔,制备出了外径为1.5~1.8mm、壁厚为0.15mm的微细管,其外径尺寸误差小于0.4%,壁厚误差小于2.5%,平均晶粒尺寸仅为14μm。此外,相关研究表明[31],通过反向热挤压和4道次冷拉拔相结合的工艺制备出的Ф2.9mm×0.2mm的ZM21镁合金细管,其平均晶粒尺寸仅为10μm。实验中还发现,反向热挤压过程中变形抗力非常大,因而管材的壁厚均匀性很难控制;而冷拉拔具有很好的尺寸纠偏作用,可明显改善热挤压过程引起的尺寸不均匀,经过第四道次拉拔后管材的平均壁厚为200.5μm,其标准误差为8.9μm,此值仅是拉拔前误差的16.14%。

冷轧时,受轧机轧辊的径向与周向(即管材环向)压应力和轴向拉应力作用,管材内部组织充分破碎,塑性变形均匀,进而能得到优良的力学性能[35]。基于轧制变形所具有的优点,科研工作者将热挤压、轧制及拉拔3种加工方式结合起来用于制备镁合金微细管。王耀旭[26]通过热挤压、冷轧及冷拉拔相结合的方式制备出了Ф2.0mm×0.3mm的微细管,管材壁厚均匀,力学性能良好。此外,相关研究表明[32],通过热挤压、冷轧和冷拉拔相结合的方式可制备出Ф3 mm×0.18mm的Mg-Nd-Zn-Zr(JDBM)、AZ31和WE43三种镁合金的微细管,与王耀旭的实验结果相比,管材壁厚有所减小,且壁厚、外径和内径的尺寸误差分别小于2.8%、0.5%、0.4%。管材经过450℃下保温1h的退火处理后,其平均晶粒尺寸分别为10.9μm、12.9μm和15.0μm。然而要注意的是,在李阳[30]的研究中,在坯料同为AZ31镁合金的情况下,调整工艺次序,即运用热挤压-热拉拔-冷轧的工艺流程,同样制备出了Ф3.0mm×0.25mm的细径薄壁管,管材表面质量完好,抗拉强度达249.9MPa,延伸率为15.5%。

笔者以WE43和AZ31镁合金为研究对象,利用冷轧的方式得到了两种合金的细管。其中,WE43镁合金细管的外径小于8mm,如图4(a)所示,平均晶粒尺寸约为10μm;具有较高的强度和延伸率,可作为制备微细管的坯料。制备的最小规格的AZ31镁合金微细管的外径小于3 mm,如图4(b)所示,微细管的组织均匀,Rm≥220 MPa,A≥13%,壁厚误差小于5%,表面粗糙度小于3.2μm。

4 结束语

近年来,可生物降解镁合金血管支架成为研究热点。然而微细管材的制备是生产血管支架的首要条件,科研工作者着重通过调控坯料显微组织、优化加工参数以及开发新型加工方法来改善镁合金管材的组织性能、控制尺寸精度,从而得到符合要求的微细管材。其中,通过大塑性变形(ECAP、TCAP等)的方法使镁合金获得超细晶组织,从而提高塑性及力学性能得到了广泛关注;热挤压在镁合金微细管材的加工中依旧占有重要地位,然而,无模拉拔、浮动芯杆拉拔、冷加工等新型加工方法已经引起了国内外部分学者的关注,相关研究已经展开。此外,冷成形是改善管材表面质量、提高尺寸精度的有效方法,冷加工与热加工方法的联合使用是未来镁合金微细管加工成形的主导方向。

目前,镁合金微细管材的加工成形已经取得了很大进展,但与血管支架的使用要求还有一定的差距,尤其是管材高塑性与高强度的匹配、壁厚的均匀性等,都是未来镁合金微细管制备过程中需要重点突破的地方。为了能同时满足材料性能及尺寸精度两方面的要求,在实际的生产加工中,需要在改善坯料组织、性能的同时采用成形能力更好的加工方式,并选取最优的加工参数,这对镁合金微细管材的制备将有极大的促进作用。

摘要：镁合金作为新型可生物降解材料在血管支架等植介入产品领域具有广阔的应用前景,然而镁合金微细管材的精密加工特别是冷成形十分困难,这是制约其大规模临床推广应用的主要因素之一。全面综述了近期关于可生物降解镁合金微细管加工成形的研究进展,重点介绍了镁合金坯料显微组织的调控,镁合金微细管精密加工参数的优化和新型加工技术的开发及应用。最后,指出了可生物降解镁合金微细管加工成形的研究方向。

镁合金激光加工技术 篇10

关键词：激光成形 钛合金 梯度材料

Abstract：In order to improve production capacity of the equipment in China's aeronautics and astronautics industry， shorten the production cycle and reduce the cost of production，the laser forming is applied to fabricate the large complex high-performance graded titanium alloy structural components，and the basic research is carried out in the present project. The main findings can be summarized as follows：（1）Based on the purpose of fabricating titanium alloy with graded microstructure， the investigation about the unique non-equilibrium rapidly solidified structures （including nucleation and growth behavior） during laser forming process is carried out.According to the investigation，the technologies of controling solidified structures are developed，which provide the theoretical basis and the methods for laser forming titanium alloy with graded microstructure.（2）Based on designing principles of graded titanium alloy structural components， and according to the requirement of the large complex graded titanium alloy structural components in aircraft beam frame，bisk of aeroengine etc，three types of graded titanium alloy structural components were designed， including high strength/low strength（TA15/TA2），medium strength/high strength （TC4/TC11、TA15/TC11） and high strength/high damage tolerance（TC18/TC21）. The graded microsturcture，chemical composition and microhardness in the graded transitional region of these alloys are studied.（3）Based on the purpose of improving the mechanical properties of the graded titanium alloy by optimize heat treatment，the solid-state phase transformation during heat treatment in laser forming TA15，TC11，TC4，TC18 etc.were investigated. An unique bi-modal microstructure is obtained，and its formation mechanism is revealed，which shed light on improving the mechanical properties of the graded titanium alloy by heat treatment.（4）To investigate details of the graded transitional region，the TA15/TA2，TC4/TC11 and TC18/TC21 mixed titanium alloys are designed and fabricated.The mircostructures，chemical composition and mechanical properties are investigated， which shed light on the optimization design of the graded transitional region.（5）The comprehensive mechanical properties of laser near-net forming graded titanium alloy are investigated.The experimental program has been established， and parts of mechanical properties have been tested. Furthermore，the fracture mechanism of the graded titanium alloy is studied.

Key Words：Laser forming；Titanium alloy；Gradient material

镁合金激光加工技术 篇11

我们使用的是从西班牙M.Torres公司引进的具有国际先进水平的激光刻型设备, 由一套TORRESLASER数控激光刻型设备和一套TORRESTOOL多柔性通用夹具系统组成[2], 见图1。本文就是应用该设备对不同铝合金材料工艺试片进行激光刻型试验, 研究激光刻型设备加工参数和影响化铣加工质量的主要工艺参数。

1 实验

1.1 实验设备

TORRESLASER数控激光刻型设备。

1.2 实验试片材料及尺寸

材料:2024、2524、LY12、2A12、7075、7475等6种铝合金材料。

尺寸: (600×600×3) mm和 (300×300×3) mm。

1.3 实验步骤

1) 研究激光刻型机的激光强度对刻型质量的影响。

2) 研究激光刻型对化铣浸蚀比的影响及激光刻型化铣浸蚀余量的计算方法。

2 结果与讨论

2.1 激光强度控制参数的确定

激光强度可以通过控制参数调节, 是可变量, 激光强度太小, 无法刻透保护胶层;强度太大, 会损伤材料基体, 造成保护胶边缘烧蚀, 影响胶层结合力。因此必须掌握激光强度控制参数与化铣保护胶膜层厚度的对应关系, 保证激光强度既能快速、有效、完全的刻透化铣保护胶, 又不会损伤零件基体。

1) 按照激光强度Y与激光强度参数K和刻型速率V的控制关系, 相同的刻型速率下改变K值, 分别对涂覆有相同膜层厚度的保护胶 (AC850/CP90) 工艺试片进行激光刻型实验。发现当K<0.5时, 不能保证完全刻透厚度范围在0.2mm~0.6mm之间的保护胶, 当K>1.0时, 会对材料基体损伤。因此我们在进行刻型时, 应保证激光刻型控制参数K值在0.5至1.0之间。

2) 在保证完全刻透化铣保护胶并不损伤材料基体的情况下, 采用不同的激光强度控制参数K分别对涂覆有AC850/CP90保护胶的不同厚度X (0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm) 工艺试片进行激光刻型实验。数据统计, 得出激光强度控制参数与化铣保护胶膜层厚度的对应关系, 详见图2所示。

图2中, 激光强度控制参数与保护胶膜层厚度趋于呈线性关系, 即胶层越厚, 激光强度要求越大, 激光强度控制参数值越大。因此, 我们在进行激光刻型前, 需要先测量保护胶膜层厚度, 再计算需要设定的激光强度控制参数值, 最后进行激光刻型加工。

2.2 激光刻型对化铣浸蚀比的影响及激光刻型化铣浸蚀余量的计算方法

化铣浸蚀比是指化铣溶液横向腐蚀量与纵向腐蚀量的比值, 是化铣工艺中重要的技术参数, 是计算化铣浸蚀余量的依据。对于手工刻型浸蚀比数据HB/Z5125-2008中非常明确的计算方法, 但对于激光刻型浸蚀比没有相关依据。为了保证激光刻型的加工精度, 化铣余量的正确性, 我们必须研究激光刻型对化铣浸蚀比的影响, 确定激光刻型化铣余量的计算方法。

采用相同激光强度和刻型速率分别对不同材料的工艺试片 (2024、2A12、2524、LY12、7075、7475六种材料) 进行激光刻型实验, 验证激光刻型对化铣浸蚀比的影响, 并进行刻型浸蚀比数据与手工刻型浸蚀比数据对比统计, 结论如下:

1) 对于裸铝状态的铝合金 (2024、2A12、2524、LY12、7075、7475) , 激光刻型浸蚀比略大于手工刻型浸蚀比。

2) 对于包铝状态的2000系列铝合金 (2024、2A12、2524、LY12属于2000系列) , 激光刻型浸蚀比略大于手工刻型浸蚀比;对于包铝状态的7000系列铝合金 (7075、7475属于7000系列) , 激光刻型浸蚀比略小于手工刻型浸蚀比。

3) 激光刻型横向腐蚀量 (即化铣浸蚀余量) 不仅仅与化铣深度 (即纵向腐蚀量) 有关, 还与刻线宽度有关。即仅仅依据浸蚀比数据不能计算出激光刻型化铣浸蚀余量, 必须考虑切割因N影响, 切割因子是指激光刻型时切割线宽对浸蚀余量的影响量, 为一个常量, 其主要跟激光刻型强度和保护胶膜层厚度有关。如果刻型强度越大, 胶膜厚度越薄, 则切割因子N值越大。

经验证我们得出激光刻型化铣余量的计算方法:单台阶或多台阶 (见图4) 化铣的浸蚀余量, 可根据单台阶化铣或多台阶化铣浸蚀余量公式加切割因子计算。

其中, B为浸蚀余量, H为铣切深度, e为激光刻型浸蚀比, N为切割因子。

3 结论

通过大量实验, 激光刻型技术在铝合金化学铣切中得出以下结论:

1) 不同的保护胶 (AC850和CP90) , 在相同激光强度与相同膜层厚度下, 激光刻型尺寸及切割线宽基本一致, 激光刻型切割线宽都在0.1mm~0.2mm之间。

2) 保护胶膜层厚度与激光强度趋于线性关系, 即胶层越厚, 激光强度要求越大, 激光强度控制参数值越大。我们在进行激光刻型前, 需要先测量保护胶膜层厚度, 再计算需要设定的激光强度参数值。

3) 我们在进行激光刻型工艺数模编制时, 单台阶或多台阶化铣的浸蚀余量, 可根据公式 (1) 进行计算。

目前, 我们已在铝合金化学铣切工艺中实现了激光刻型技术代替传统的手工刻型, 并将该技术广泛应用于化铣蒙皮零件的科研生产中。

摘要：激光刻型技术代替化学铣切瓶颈技术——传统的手工刻型工艺, 阐述了激光刻型的激光强度对刻型质量的影响以及激光刻型对化铣浸蚀比的影响及激光刻型化铣浸蚀余量的计算方法。

关键词：铝合金,化学铣切,激光刻型

参考文献

[1]戚运莲, 邓炬, 洪权, 等.钛和钛合金化学铣切中的吸氢及其影响[J].航空制造技术, 2000 (2) :30-32.