钛合金铣加工论文（精选8篇）
钛合金铣加工论文 篇1
1 零件结构介绍和加工需求
本文针对法兰盘的铣加工过程进行论述。典型零件两侧各有一组定位面, 前端连接发动机整流罩, 后端连接发动机风扇盘, 孔和花边起到固定和减重作用。以下是铣加工工序要求。法兰盘的结构复杂, 由于大部分结构都有着专门的作用, 因此尺寸精度要求高, 零件的加工难度较大。由于该类型零件的加工余量较大, 加工过程中必须保证零件加工前后变形得到有效控制, 零件的表面质量要求相对严格, 因此加工过程比较复杂。这使得该零件加工工艺方法与传统工艺方法具有较大差别。该零件铣加工工序除了要完成较严格的孔径要求, 同时还要在去除大余量过程中保证加工变形有效控制, 该零件各组孔之间角向关系复杂, 且位置度要求较高, 孔与花边有严格的位置关系, 加工后还要进行喷丸等特种工艺, 加工时必须内控上述特性以满足后续特种工艺过程对其的影响, 这给零件的加工带来了困难。
2 材料切削性能及刀具选用
2.1 材料特性介绍
该零件使用DMD0777材料相当于国产TC4合金, 与其它的金属材料相比, 钛合金具有比重小、热强度高、热稳定性和抗腐蚀性好等特性, 但同时钛合金材料还具有硬度或高温硬度高、加工硬化大、导热性差、切削温度高、易与刀具粘接、化学活性大等特点, 钛合金的这些特性使得它成为切削加工性较差的难加工材料。
2.2 切削刀具的选择
切削刀具的选择需要注意几个主要的方面:
(1) 从刀具几何角度方面考虑, 刀具后角通常可以取大一些, 以减低后刀面和工件表面之间的摩擦, 前角也要选大些使刀具更锋利, 增强刀头强度, 减小加工变形, 降低加工硬化, 提高已加工表面质量。
(2) 从刀尖强度、散热能力、耐磨性、表面质量和加工效率方面考虑, 在确保装夹和刀具系统刚性情况下可以适当增大铣刀端部刀尖半径, 这允许了在保证表面质量情况下降低切屑厚度、进而提高进给, 并加强了刀尖强度、散热能力、耐磨性。
2.3 加工钛合金切削用量的选用准则
钛合金切削用量和高温合金以及部分航空用不锈钢材料接近, 都是应从降低切削温度的观点出发, 因为控制切削热是保护刀具的首要手段。由于切削钛合金时, 表面粗糙度与切削线速度无关, 切削深度的影响也很小, 所以在考虑加工效率因素情况下可以根据刀具形状和大小以及端刃圆弧结构适当调整进给量, 力求通过切屑的厚度和宽度来控制刀具切削过程中的受力状态, 达到加工目的。选择切削用量过程中还应考虑加工过程中刀具和零件承受的切削负荷, 降低切削负荷的首要方法是降低切削力, 轻快的切削有利于降低零件加工过程中的受力, 进而减小零件变形。切削负荷的降低有几种方法, 首先, 可以选择小切深, 大进给方式, 该方式在使用端刃进行切削过程中较为常见, 由于此种方法排屑容易, 冷却方便, 刀具整体承受负荷较低, 因此在达到加工目的的同时还可以实现较大的材料去除率。其次, 可以选择小切宽大进给方式, 同样为了降低刀具承受的载荷, 也可以达到同样目的, 在两种方法都可以应用时, 首选使用端刃进行加工, 因为此时由于刀具受力方向更偏向刀具轴向方向, 刚性较强。在端刃磨损无法使用情况下, 以侧刃进行铣削可以有效利用刀具的各个位置, 有利于降低刀具消耗。本零件加工过程中, 这两种方法都进行了应用, 达到了加工效率和刀具成本的平衡。
3 该零件铣加工刀具轨迹设计和加工过程
3.1 刀具轨迹设计的一般原则
花边结构需要去除的余量较大, 加工及工序控制难度大, 走刀路径的设计对零件加工有着较大影响。在本零件的铣加工过程中克服了几项刀轨设计的难题。首先为获得较大材料去除率需要应用刀具过程中尽可能有较大进给, 大进给应用过程中必须避免拐角处的切削负荷变化问题, 避免该问题的方法一方面是低负荷切入、切出, 另一方面, 在较小拐角处应通过切削参数来调整切削负荷, 即应用圆弧切入切出方法和拐角处降速的方法。刀具轨迹设计过程必须考虑加工过程中每个加工动作, 将各个时刻的切削负荷有效控制, 才能将刀具性能有效发挥, 同时有利于降低刀具损耗。铣削过程中, 针对钛合金永远是用顺铣方式, 因为材料性能原因, 逆铣时刀具磨损较大, 零件表面质量较差。
3.2 加工过程要点
加工的操作过程中需要严格按照操作规程进行, 为满足零件批产的需求和质量的稳定, 加工过程中需要注意多个方面, 其中包括:
(1) 刀具的装夹长度需要严格规定, 因为在进行极高效率的去除材料过程中, 往往牵扯零件和刀具震动问题, 通过调整参数尽管可以避免共振产生, 但为了追求成本上的降低, 应选择最优的加工条件。
(2) 刀具的耐用度需要经过试验和统计, 因为加工钛合金零件过程中常常出现加工硬化等表面问题, 该问题往往由于刀具积压零件表面或切屑进入切削区域产生, 因此钝刀不能使用, 必须明确规定每把刀具加工零件的数量。
(3) 精加工过程必须使用新刀刃并且精加工过程中不允许中途更换刀片, 避免刀片尺寸和锋利程度对零件质量造成不稳定影响。
(4) 对于整体硬质合金刀具, 加工前必须检查刀具是否锋利, 磨损较严重的刀具不允许使用。
(5) 安装精加工刀具过程中必须检查刀具偏摆, 刀具偏摆值超过0.02时将造成部分特性超差。
结语
由于此零件加工过程设计合理有效, 余量去除过程稳定以及对操作步骤的熟练掌握, 达到了零件加工过程的高效率、高质量和低消耗, 通过该件的研制最终保证了设计图纸和相关文件的要求, 成功完成该机型法兰盘铣加工技术的研究。
参考文献
[1]航空发动机典型零件机械加工[M].北京:航空工业出版社, 2014.
钛合金铣加工论文 篇2
钛合金加工中的安全问题
铋合金具有耐高温性能好、优越的抗蚀性、重量轻、与其他金属兼容等特点,因此,广泛被应用于制作各类先进客机的结构件和非结构件.但钛合金导热性差,切削加工时易产生粘刀现象,由此给钛合金的`加工带来了一些麻烦.本文就钛合金加工过程中可能带来的着火、燃烧问题及其预防措施谈谈笔者的看法.
作 者：韩德兴 作者单位：鲲鹏航空有限公司刊 名：航空维修与工程 PKU英文刊名：AVIATION MAINTENANCE & ENGINEERING年，卷(期)：2008“”(3)分类号：V2关键词：
钛合金铣加工论文 篇3
关键词：化学铣切,钛合金,零件,专用工装,设计
1 专用工装设计
1.1 材料的选择
化铣钛合金零件工装使用的材料, 首先必须能耐住浓氢氟酸和浓硝酸的腐蚀, 现场对非金属材料:玻璃钢、有机玻璃、尼龙、ABS、聚氨酯板、软聚氯乙烯、聚四氟乙烯、PVC、氯丁橡胶、丁腈橡胶、天然橡胶、黑耐油橡胶、聚丙烯, 进行了280小时化铣液浸泡试验。试验发现:聚丙烯、聚四氟乙烯、丁腈橡胶三种材料状态没有改变, PVC材料颜色微变外, 其余材料都已经发生性能改变, 包括颜色、硬度、脆性、强度等;现场对选用常用不锈钢材料OCr17Ni2Mo2 (SUS316) 及OCr18Ni9 (SUS304) 进行试验对比, SUS316要比SUS304耐腐蚀性要好, 但二者使用时, 必须涂防护胶。
PP材料:学名为聚丙烯, 耐酸性能好, 焊接性能好;具有良好机械加工性能, 应用广泛, 可以进行同种材料焊接, 因此可以作为结构件, 但强度不高, 做承力件, 需内衬钢材或增加材料厚度;如果无法买到工业用PP材料, 也可用民用的PP-R材料, 如热水管件等, 但耐腐蚀不如前者, 只能进行热熔焊接;工业用PP材料, 纯度可以保证, 对于化学铣用工装, 最好选用工业级PP材料, 不推荐采用民用PP管件, 如必须采用, 优先选择使用PP-R热水管件。
SUS316耐酸能力比SUS304强, 但SUS316在市场上很难买到, 可以用SUS304代替, 对工装使用过程没有太大影响, 仅仅是处于酸液中的时间, 要略有减少。
丁腈橡胶:可作为垫片使用, 现场使用后丁腈橡胶表面没有变化, 但材料硬度略有降低, 外观表面颜色没有变化。
聚四氟乙烯:在化铣液中有很好的表现, 由于聚四氟乙烯为高温压结材料, 不适于进行同材料焊接, 同时与PP材料也无法进行塑料焊接;该材料粘接性能很差, 除非表面清理的非常干净。因此, 聚四氟乙烯可以做螺钉、螺帽、垫片等单独零件使用。
硬聚氯乙烯, 又叫PVC, 虽然耐腐蚀性能好, 但在试验中微变性, 因此设计化铣工装中尽可能不采用此种材料, 但该材料有国家标准的管件, 设计时也可采用, 但不推荐, 如有必要, 推荐采用pp-R管件。
1.2 粘接技术
在工装设计过程中, 不可避免使用粘接剂, 通过对各种粘接剂进行试验表明:环氧树脂、502胶水、PVC上下水胶具有良好表现。
环氧树脂胶:对金属和非金属具有优异的粘合力、耐热性、绝缘性、硬度和软性都好, 可用于金属、非金属等材料的粘合;现场可采用配制环氧树脂溶液进行工装零件间的粘接及较大间隙填充, 也可作为工装修理时填堵磨损的面、孔修补等;当与化铣液长时间接触, 会腐蚀变薄, 以此要及时复涂。
502胶水:对金属、非金属等具有非常好的粘接性能, 试验发现, 粘接件能长时间浸在化铣液中而不开裂, 如丁腈橡胶与PP材料粘接、PP材料与不锈钢粘接等, 但沾接表面必须打粗糙。
PVC上下水胶:是一种专门粘接PVC材料的粘接剂, 包括上水胶、下水胶, 在家庭装修时经常使用, 但粘接强度不大, 不能承受大的冲击, 必要时要通过螺钉等固定;对PP材料也有一定粘接作用。
1.3 特种焊接技术
塑料焊接:PP材料有优良的焊接能力, 在化铣工装中得到广泛应用;焊接采用PP焊条 (一般为厂家自制, 市场上也有出售) 通过热风机 (塑料焊机, 500度以上空气) 进行焊接, 保证焊接质量。
热熔焊接:如采用民用PP-R材料, 如采用塑料焊接, 焊接性能不好, 建议采用热熔焊机对接焊接;这种方法可采用标准的PP-R材料上下水管件, 如弯头等, 可以化铣工装及相关装备的设计、制造等。
1.4 涂敷技术
由于工装中经常使用不锈钢钢材作为承力件, 对其保护为重中之重, 主要下面有以下涂敷方法:
(1) 热浸PVC法:就是将工装放入PVC溶液中, 将溶液一层层涂到工件上, 粘接力较好, 涂层能抗轻微冲击。
(2) 包涂法:利用PP材料可以焊接的性能, 利用管、板等, 将工件整体进行包装, 接口处采用焊接封口;在厚度上可以自由选择, 但没有结合力, 仅为包装, 可以考虑与粘接方法联合使用。
(3) 喷涂PVC法:采用塑料喷涂设备, 对工装进行喷涂, 有效厚度一般为1.5 mm工装的使用会受到限制。
(4) 衬玻璃钢法:采用环氧树脂和纤维布 (或涤纶布) , 在零件表面进行缠裹, 3-4mm约缠10层, 固定时间为24小时。可以对任何型面进行衬覆, 粘接力好, 强度高, 但粘接剂必须为环氧树脂。。
1.5 工装结构选择
由于化铣中需要不断搅拌, 保证各加工面腐蚀速度一致, 因此夹具优选轮辐复合结构, 卧式、立式均可, 在电机带动下, 能缓缓旋转, 该结构具有轻巧、强度高、耐腐蚀好的特点。该化铣夹具主要固定架、活动中轴、垫片、紧锁螺母及紧固件组成。
1.6 工装设计中注意的问题
(1) 丁腈橡胶垫片无法固定:粘接面没有打毛, 502胶水涂敷不够, 没有垫片限位槽。
(2) 丁腈橡胶垫片表面失去弹性:材料老化, 或502胶水涂在表面。
(3) 涂敷玻璃钢表面起鼓:纤维布透气性不好, 里面有空气没有排净。
(4) 涂敷玻璃钢表面有坑:涂敷不到位, 用环氧树脂补添。
(5) 化铣工装使用后, 里面有化铣液, 没有设计排出孔或该孔堵塞。
(6) 使用后螺钉位置表面塌陷:PP材料比较软, 加力拧紧时, 材料发生塑性变形;可用环氧树脂液修补, 或增加大垫片分散压应力。
2 化铣工装技术的不足与展望
化铣工艺有其独到的优势, 随着加工技术进步, 对工装的需求将会更加多样, 而设计、制造的工装手段有很大的局限性, 本文只从试验角度对化铣工装进行阐述, 没有涉及更多材料, 还有很大的局限性, 特别是对材料的使用状态数据, 包括使用寿命等, 都没有确切的数据支撑;另外工装结构强度方面, 还没有开展研究。
参考文献
[1]赵永岗, 等.化学铣切在钛合金加工中的研究及应用[J].表面技术, 2009.
浅析钛合金孔加工技术 篇4
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.
钛合金轴零件的磨削加工 篇5
关键词：钛合金,转轴零件,磨削加工
1 引言
随着全球航天、航空业的蓬勃发展,钛合金材料凭借其特有的突出性能,如比强度高、耐高温、抗腐蚀性能强、密度低等优点,得到了广泛的关注。各国针对钛合金材料因导热性能低等导致难以加工的缺点进行大量的研究,也使得其应用领域扩展到化学工业,核工业、航天、船舶等各个方面。
通常,钛合金材料作为主要结构材料多用于外壳零件,但在某些特殊情况下,如航天电机等小型驱动元件中,也要求轴类零件采用钛合金材料。轴类零件因其特性,为保证尺寸、形位公差精度要求,则多采用磨削加工。而钛合金材料的导热系数仅为钢的1/4,铝合金的1/13,铜的1/25[1],因此作为转轴的使用材料在磨削加工过程中,磨削加工区域散热慢,不利于热平衡,极易在加工区域形成高温,从而导致砂轮加速磨损,加工零件尺寸超差,甚至造成零件表面烧伤,致使加工零件报废。因此对钛合金轴类零件的磨削加工进行研究分析成为必然。
2 钛合金的磨削性能
衡量磨削性能的主要标准有砂轮的耐用度(即砂轮使用寿命)、磨削比(即磨削去除的材料体积与砂轮损耗体积之比)。
磨削钛合金时砂轮的耐用度较低,原因是钛合金具有较高的化学亲和性和较低的导热系数,使得磨削加工区域容易形成高温,砂轮不但受到正常的磨削损耗,还受到较严重的化学腐蚀,加速了砂轮的磨损,减少了砂轮的使用寿命。钛合金的磨削比较差,钛合金在磨削过程中砂轮磨损剧烈,容易变钝失效。例如在同样条件下磨削钛合金TC4和45钢,前者的磨削比只有1.53,而后者的磨削比为71.5。
此外,在磨削加工的表面完整性(表面及表层状态)和磨削功率或磨削力等方面,钛合金的表现也很一般。
鉴于上述原因,钛合金应尽量避免作为需要磨削加工的轴类零件的使用材料,但是由于钛合金材料的高强度(强度约为铁的2倍、铝的6倍),密度小(位于铝合金和钢之间),钛合金的工作温度范围广,在-253℃~500℃均可正常使用,钛合金的抗腐蚀性优良,特别是在海水和海洋火气中抗腐蚀性极高。以上这些优越的特性就决定了钛合金作为结构材料能在对体积、重量、强度、抗腐蚀性能要求都较高的航天、航空飞行器上大量应用,所以有时航天器上的微型电动机转轴也使用钛合金材料。
3 钛合金磨削加工的参数选择
根据钛合金的特性以及磨削性能,可以预见加工钛合金轴类零件最大的困难是在磨削过程中,加工区域因砂轮与零件相互摩擦切削产生大量热量,又因为钛合金导热性差等原因,使得这些热量无法快速有效地散发出去,致使磨削加工区域产生高温,出现粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。钛合金零件表面的正常加工颜色为银灰色,烧伤后为蓝色。
为避免上述现象的发生,首先应采用小余量磨削加工的方法。在磨削工序前,应安排必要的粗车、热处理和精车等加工工序,在需要磨削的转轴外圆处,精车时留有少量的磨削余量。一般情况下,钢材料转轴要求留有0.2~0.3mm磨削等量,钛合金则要更小,约为0.1mm。且加工时,分为粗磨加工和精磨加工,其具体加工参数见表1[2]。
此外需注意,无论在磨削加工还是在之前的粗、精车加工工序中,一般转轴类零件都选择转轴两端的中心孔作为加工定位基准,尽管转轴中心孔与机床顶针相对运动较少,但由于该处空间较小,且磨削液基本无法达到,致使转轴中心孔在加工时由于摩擦产生的高温而形变,导致定位基准失效,零件加工尺寸超差,甚至导致零件报废。解决该问题的方法是,可使用钢材料加工两个接头,通过螺纹或胶黏结的方法固定在转轴两端,在粗车工序时一同加工,这样中心孔可以加工在钢接头上,既避免了中心孔高温变形的问题,也保证了零件的加工精度,在零、部件全部加工完毕后,再采用铝制软三爪装夹转轴外圆的定位方式,将两端接头去除。
此外,根据具体的加工情况,除采用小余量磨削加工的方法外,钛合金磨削还可以采用低应力磨削或缓进磨削等加工方法来提高磨削质量或生产率。
4 砂轮的选择
由于钛合金具有化学亲和力强、摩擦系数大、导热系数低等特点,在磨削加工中,不同于结构钢的地方是:除粘结、扩散外,钛合金同磨料还起化学作用,从而改变了砂轮的磨损性质。磨削钛合金时,钛合金磨屑很快便粘结在磨粒顶端,并与之发生化学反应,从而加速了砂轮的磨损,所以砂轮的选择尤为重要,常用的磨削钛合金的砂轮磨料有以下几种:
(1)锆刚玉。
强度和韧性都高,耐磨性也不错,磨削钛合金时,砂轮不能阻塞。
(2)绿碳化硅。
具有较好的导热性与半导体特性。与钛合金粘附较轻,砂轮不易阻塞。碳化硅易破碎形成新刀口,刀口锋利,降低了砂轮的磨损率。
(3)铈碳化硅。
其外观和绿碳化硅相似,与绿碳化硅磨料相比,其铈碳化硅的显微硬度、单颗粒抗压强度、韧性等均比绿碳化硅高。由于铈碳化硅的物理性能有所改变,其磨削效果也得到了一定的改善。试验证明磨钛合金时,铈碳化硅与绿碳化硅相比,切削效率提高近一倍,并且火花较小。
(4)混合磨料。
绿碳化硅和微晶刚玉的混合磨料,其自锐性好,砂轮阻塞性低,磨削比虽稍低于绿碳化硅和铈碳化硅砂轮,但磨削的表面粗糙度最低,且在较大的金属去除量范围内,磨削的表面粗糙度也十分稳定。
(5)超硬磨料。
人造金刚石和立方氮化硼是两种人造超硬磨料,它们具有极高的硬度和优良的切削性能,同时对钛合金的化学稳定性也很好。所以用这两种磨料的砂轮磨削钛合金时,由于化学作用而造成的砂轮磨损就显得不那么突出。因此人造金刚石和立方氮化硼砂轮磨削钛合金的效果较好,缺点是价格昂贵。
砂轮的粒度是指磨粒尺寸的大小,用粒度号来表示。粒度号越大,磨粒的尺寸越小。粗磨钛合金时,以要求生产率高为主,可选用粗粒度的砂轮。精磨时则选用细粒度的砂轮,便于降低工件表面粗糙度。若使用过细粒度的砂轮时,易出现磨削温度过高从而烧伤工件表面的现象。
5 钛合金磨削用磨削液
钛合金磨削加工时,砂轮磨粒切削工件表面产生大量的磨削热量,这些热量必须使用磨削液将其带走,以降低磨削区的温度。对钛合金来说,理想的磨削液除象磨削一般材料那样要起冷却、润滑和冲洗作用外,更重要的是要能有效地抑制钛合金与磨料的粘附作用和化学作用,并且还要不发泡、消泡快。由于钛合金磨削温度高,钛屑易燃,当使用油溶性磨削液时可能发生火灾。所以建议使用合成水溶性乳化液,也可自配磨削液。需要注意的是钛合金磨削最好不使用含氯的磨削液,既避免产生有毒物质和引起氢脆,也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂[3]。
由于钛合金相对其他材料磨削时加工区域温度高,使用磨削液时要求喷嘴尽量靠近磨削区,磨削液流量要大,对于每毫米砂轮宽度的流量一般不小于0.5L/min。除此之外,磨削液的水箱容量也要足够大,以防止磨削液温升过高,并应装有过滤装置,保证磨削液的清洁。
6 加工实例
某型号步进电机作为航天器太阳帆板展开驱动元件,其转子结构为在钛合金转轴上压装硅钢铁芯。该步进电机定、转子间隙仅为0.016mm,所以对转子加工精度要求比较高,转子各外圆同心度不大于0.006mm,尺寸公差要求4级精度,表面粗糙度Ra0.8。
实际加工中,转轴经过粗车、精车和必要的去氢热处理等工序后压装铁芯,再在进口内外圆磨床上进行整体磨削,采用小余量磨削加工方法。转轴车削加工仅留0.1mm的磨削余量,然后一次装夹,进行粗磨、半精磨和精磨加工,粗磨进给量0.02mm,半精磨进给量0.01mm,精磨时进给量0.005mm。采用46#粒度的铈碳化硅砂轮,水溶性乳化液,磨削液流量大于35L/min。同批次转子加工后未出现尺寸超差现象,合格率达到100%。
7 结语
钛合金材料的磨削性能特点决定了钛合金轴类零件在磨削加工中难度较大,只有正确选择磨削参数,砂轮以及磨削液,配合合理的工序安排,才能延长砂轮使用寿命、提高零部件的加工精度和生产效率。
参考文献
[1]王彩霞.B型钛合金细长轴套的加工工艺分析[J].装备制造技术,2010(7):99-101.
[2]傅勇宗,明辉,刘应萝.TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择[J].航空制造技术,2006(7):59-61.
钛合金材料的机械加工工艺综述 篇6
1 钛合金材料的特点及应用重要性
钛合金, 一种发展于20世纪50年代的金属材料, 具有着良好的耐蚀型与耐热性。自钛合金材料出现以后, 世界各国均将注意力投向了其应用特性上, 并通过大量的研究开发, 将钛合金材料加工制作成多种产品, 促进了人类的精神文明与物质文明建设。
客观来说, 钛合金材料具有着强度高、耐蚀耐热性好、化学活性大的特点, 将其应用于机械加工领域时, 可通过机械加工制作得出各种各样的产品零件。但需要注意的是, 由于钛合金材料不同于其他金属材料, 其本身所具有的导热系数小、弹性模量低以及化学活性强等性能特点使其机械加工变得困难, 而这一点正是我们在钛合金机械加工中需要注意的重要事项。为此, 笔者建议在进行钛合金材料机械加工时, 务必要严守加工处理工艺的加工原则, 控制好每一道加工工序的质量, 达到保证钛合金机械加工顺利进行的目的。
2 钛合金材料的机械加工原则
对于钛合金材料来说, 如果其在机械加工过程中没有遵循相关的切削加工原则来实施加工切削工作, 那么其最后所获得的钛合金成品质量必然会受到影响。笔者通过对以往钛合金机械加工经验的总结与分析, 得出在机械加工中, 钛合金材料应该严格遵循以下几项基本原则:
2.1 刀具材料的选择合理性
刀具材料是钛合金切削加工中的必备工具, 选择时应针对待加工材料的性能、具体的加工方法以及加工技术等多方面的内容来合理选择。只有保证了刀具材料选择的合理性, 钛合金机械切削加工才可顺利进行。需要注意的是, 刀具材料的选择除了要考虑技术合理性以外, 还要考虑到经济合理性。在满足了机械加工技术条件以后, 还要尽量降低加工成本, 多选择价格相对较低廉的, 耐磨性好的刀具材料。
2.2 改善机械切削条件
实际加工时, 要尽量采取措施保证钛合金机械切削条件的优质性, 尽可能的提高“机床-夹具-刀具”这一加工系统的刚性。另外, 要注意调整好机床各部分结构之间的间隙, 减小主轴的径向跳动。最后, 为了更好的满足钛合金机械加工工艺的要求, 要尽量缩短刀具切削部分的长度, 是在保证容屑量充足的前提下尽量增大刀具的刃厚度, 达到提高刀具刚度和强度的目的。
2.3 做好切屑的控制
鉴于钛合金材料具有着其他金属材料没有的性能特点, 所以在切削加工时, 钛合金材料经切削后所产生的切屑数量相对较多, 这对钛合金的切削加工进度有所影响。因此在实际加工时一定要注意控制钛合金切屑的产生数量, 要采取适当的断屑措施来保证刀具切削的顺利进行。
3 机械加工技术分析
钛合金机械加工包括车削、钻削、铣削、攻丝、磨削和电火花加工等。国外不断研究钛合金加工技术, 并已取得一些成果。
3.1 切削液
使用切削液, 可以把刀刃的热量带走和冲走切屑, 以降低切削力, 因此, 有效的冷却和合理的应用切削液是提高生产率和改善被加工零件表面质量的主要方向之一。一般使用的切削液有三类, 即水或碱性水溶液, 水基可溶性油质溶液和非水溶性油质溶液。
3.2 刀具材料选择
由于钛合金导热系数低、塑性低、加工硬化倾向高等特性, 故在加工中切削力大、切削温度高, 导致刀具易磨损, 寿命减低, 所以要选用硬性好、耐磨性高的刀具材料。
3.3 零件加工后表面残余应力的处理
经过机械加工的钛合金零件表面产生应力, 这种应力的大小与切削加工条件有关。
消除应力退火处理是在400℃、450℃、500℃、550℃、600℃和650℃分别加热保温5min、15min、30min、45min、60min、120min和240min后空冷进行, 完全消除应力, 退火中避免吸氢, 钛合金零件退火需在真空炉内进行, 既能消除应力, 又能除氢。
结束语
本篇文章对钛合金材料机械加工原则以及加工工艺作了浅要的论述, 经分析讨论后得出以下三点结论:1) 钛合金材料在进行机械切削加工时, 要尽量选择散热性好和抗高温性能好的刀具材料;2) 钛合金加工时要严格控制好切削用量和切屑数量;3) 钛合金材料进行切削加工后, 加工所得到的钛合金成品必然继续充分的冷却。
参考文献
[1]邹浩波, 张宇, 戴丽玲.高速切削加工的刀具材料及其合理选择[J].机械工人.冷加工, 2005 (4) .
钛合金铣加工论文 篇7
钛合金因具有强度高、高温强度高、耐腐蚀等显著优点而被广泛应用于航空航天、石油化工、生物医药等领域，然而，钛合金因具有热导率小、高温化学活性高和弹性模量小等特点，又是一种典型的难加工材料。在航空工业，钛合金结构件大都采用锻造毛坯，从毛坯到成品，材料去除率达到80%以上，切削加工成本高、效率较低[1]。采用较大的切削用量可以缩短切削加工时间，但会导致刀具磨损加剧以及表面质量恶化等不良后果[2];由于刀具磨损而频繁换刀，将影响切削效率，并增加加工成本;表面质量恶化会降低零部件材料力学性能，造成安全隐患。因此，钛合金的高效切削加工需要实现材料去除率、加工成本以及表面质量三者之间的平衡，本质上属于多目标优化问题。
一些学者运用切削理论、数学建模和优化算法对钛合金等难加工材料的铣削参数优化进行了研究。刘晓志等[3]针对钛合金TC18的加工过程，建立了铣削参数数学模型及其约束条件，以材料去除率为目标函数，利用改进遗传算法对钛合金TC18铣削参数进行了优化。王宗荣等[4]以切削力恒定和较高的金属去除率的模糊综合值作为目标函数，采用模糊正交优化方法，建立了一种适用于TC4钛合金高速铣削的铣削参数优化模型。苑荣华等[5]利用正交试验方法，以铣削力和表面粗糙度为优化目标，对69111不锈钢材料的铣削加工参数进行了优化研究。姜彬等[6]以加工时间和加工成本为优化目标函数，采用线性加权和法建立了数控铣削加工参数优化模型。
从切削优化目标角度分析，鉴于钛合金切削过程的复杂性，几个不同甚至相矛盾的目标都需要尽可能地得到满足，因而多目标切削参数优化更具有应用价值。试验方法直观和易于实现，但由于试验次数的限制，数据具有离散性，不能动态地描述输出目标随切削参数变化的情况，而数学规划方法虽然能精确寻优，但仅适合于求解单目标优化问题。相比之下，遗传算法、粒子群算法等进化算法可以并行地搜索解空间，具有良好的寻找最优或次优解能力，适合求解多目标优化问题[7,8,9,10,11]。通常采用归一化处理方法如线性加权法、约束法等进行多目标函数优化，然而存在的主要问题是很难找到合理的转换尺度，并且其基于单点搜索的串行算法无法用Pareto最优原理进行评估，如果将进化算法与Pareto概念相结合，则可以获得近乎理想的Pareto解集[12]。
为此，本文以生产效率最大和刀具寿命消耗最小为优化目标建立铣削参数优化模型，基于Pareto最优原理，提出了扩展非支配排序遗传算法(extended non-dominated sort genetic algorithm-Ⅱ，ENSGA-Ⅱ)，通过实例对钛合金铣削加工参数进行了优化。该优化方法能够获得满意的Pareto解集，便于工艺技术人员根据优化目标灵活地选择铣削参数，可为钛合金铣削加工提供有力的决策支持。
1 铣削参数优化模型
1.1 多目标优化函数
1.1.1 生产效率最大目标
在批量生产中，生产效率可以用完成一道工序的平均铣削加工时间tw来衡量，有
式中，tm为工序切削时间;tc为工序之间的换刀时间;th为工序内由于刀具磨损引起的总换刀时间;t0为切削辅助时间。
切削时间为
其中，V表示要去除的材料体积，MV表示材料去除率，有
式中，n为转速;z为刀具齿数;fz为每齿进给量;vf为进给速度;ap为轴向铣削深度;ae为径向铣削深度。
刀具磨损引起的总换刀时间为
式中，ttc为由于刀具磨损引起的平均单次换刀时间;ts为刀具寿命。
刀具寿命可以由下式确定[13]:
式中，vc为切削速度;c0～c4为常数，可通过试验确定。
联立式(1)～式(5)有
平均铣削加工时间tw越短，生产效率越高。
1.1.2 刀具寿命消耗率最小目标
切削加工中，刀具磨损引起的消耗成本在总加工成本占有很大的比重。令ξ表示刀具寿命消耗率，即切削加工时间占刀具寿命的比率[10]，则有
显然，对于一个特定的铣削过程，ξ越小则刀具消耗成本越小。
1.1.3 优化目标函数
对于既定的铣削过程，tc、ttc、t0以及V都可以认为是常量，因此优化目标是以铣削参数为决策变量的函数。为方便起见，将铣削速度vc、进给速度vf、轴向铣削深度ap和径向铣削深度ae用x1、x2、x3、x4分别表示，构建决策向量x=(x1,x2,x3,x4)，令f1(x)表示平均铣削加工时间tw,f2(x)表示刀具寿命消耗率ξ，则优化目标函数可表示为
1.2 约束条件
受机床条件和工件表面质量要求等限制，决策变量需要满足以下条件：
(1）机床主轴转速约束
式中，D为刀具直径;nmin、nmax分别为机床最低和最高转速。
(2）机床进给速度约束
式中，vfmin、vfmax分别为机床最小和最大进给速度。
(3）机床有效功率约束
式中，Ftm为最大切向铣削力，由经验公式确定;Pmax和η分别为机床最大功率和机床效率。
(4）机床最大扭矩约束
式中，MT为机床最大允许扭矩。
(5）零件表面粗糙度要求
式中，Ra(x)为给定铣削参数的表面粗糙度预测值，由经验公式确定;Ram为表面粗糙度最大允许值。
由此，铣削参数优化模型的完整表达形式为
2 基于扩展非支配概念的ENSGA-Ⅱ算法
NSGA-Ⅱ算法是一种基于非支配概念的遗传算法，能够获得具有较好收敛性的Pareto解集，适合求解多目标优化问题[14]。实际优化问题往往要求满足很多约束条件，要求算法具有良好的约束处理机制，以保证求解效率和质量。为了更好地解决多目标多约束实际问题，在NSGA-Ⅱ算法基础上进行改进，提出ENSGA-Ⅱ算法，其基本流程如图1所示。图中，P为遗传算子操作概率，g为进化代数。
ENSGA-Ⅱ算法提出了扩展非支配概念，将原有目标函数空间的非支配概念扩展到约束空间，使可行解和不可行解在排列层次上能够更好地区分。扩展非支配关系定义如下。
定义1如果解i、j满足以下条件：(1)i是可行解，j不是可行解;(2)i和j都是可行解，但在目标函数空间i支配j;(3)i和j都不是可行解，但在约束空间范围i支配j，则称i约束支配j。
定义2如果解i在约束空间支配j则需满足：
此外，ENSGA-Ⅱ算法对种群初始化子过程进行规范化处理，使种群更具多样性和均匀性，提高了算法的迭代效率。规范化过程定义如下：
(1)设种群个体数量为N，决策变量数量为m，生成元素在区间(0,1)分布的随机矩阵为RN×m;
(2)对于随机矩阵RN×m每列元素，找出最小值aj和最大值bj，令dj=bj-aj;
(3)令xij表示个体i的第j个决策，其取值范围为xij∈[Aj,Bj]，则有
式中，Aj、Bj分别为变量xij取值的最小值和最大值;rij为随机矩阵R的元素。
3 钛合金铣削参数优化实例
3.1 铣削优化模型参数
3.1.1 试验设计
通过正交铣削试验，建立刀具寿命、表面粗糙度Ra和最大切向铣削力经验模型[15]，试验方案如表1所示。
3.1.2 加工有关参数
机床功率Pmax=15kW，最大扭矩286.2N·m，机床效率η=0.75，最小转速nmin=20r/min，最大转速nmax=10000r/min，最小进给速度vfmin=1mm/min，最大进给速度vfmax=8000mm/min;钛合金材料牌号为TC4，去除材料总体积V=3000mm3;工件表面粗糙度最大允许值取正交试验测量粗糙度的平均值，即Ram=0.644μm;设定工序间换刀时间tc=0.2min，刀具磨损换刀时间ttc=0.15min，辅助时间t0=0.05min;刀具直径D=25mm。
3.1.3 刀具寿命、表面粗糙度和最大切向铣削力经验模型
通过正交铣削试验，可以获得刀具寿命、表面粗糙度和最大切向铣削力数据，如表2所示。
利用数据拟合方法，建立刀具寿命、表面粗糙度以及最大切向铣削力经验模型如下：
由表2可以看出，在给定试验参数范围内，所建立的经验模型具有较好的预报精度。
3.2 遗传算子操作
定义种群大小p=50，进化代数g=500，交配池容量sp=100，候选个体数st=5，分配参数ηc=ηm=20。根据二进制锦标赛方法选择候选个体数，然后通过计算拥挤度选出最佳者，直到交配池满为止，再将其作为父代进行繁殖。交叉操作概率为0.9，采用模拟二进制交叉方法进行交叉，其特点是定义两个子代之间的拥挤距离与父代之间存在比例关系，使得距离父代较近的个体有更高的机会成为子代个体。变异操作概率为0.1，采用多项式方法，详细算子操作见文献[14]。
3.3 结果分析
算法采用MATLAB编程，在2.8GHz CPU、2G内存的计算机上运行，得到Pareto解集，如图2所示。由图2可以发现：在AB部分，刀具寿命消耗率随切削时间变化幅度较大;在CD部分，刀具寿命消耗率随切削时间变化较平缓。在兼顾生产效率最大和刀具寿命消耗率最小两个优化目标情况下，BC部分点构成的集合是满意的解集。由图中数据变化趋势，结合式(6)和式(7)可知，在给定刀具寿命前提下，材料去除率MV对加工时间的影响要大于其对刀具寿命消耗率的影响。
表3所示为BC部分Pareto解及相关信息，可以发现：铣削速度具有明显的范围区分;每齿进给量由于对粗糙度影响比较显著，受约束限制而保持在很小的值;径向铣削深度接近于上限，这是由于径向铣削深度对刀具寿命的影响要弱于其他铣削参数对刀具寿命的影响，而较大的径向铣削深度可以提高材料去除率。随着切削速度的增大，刀具的寿命缩短，加工效率增大，而粗糙度在铣削速度60～70m/min范围基本是稳定的，当铣削速度达到80m/min以上时表面粗糙度有所减小。因此，适当提高铣削速度可以改善表面质量和生产效率。综合考虑钛合金铣削加工对效率的要求和刀具消耗成本的承受能力，可确定优化铣削参数为：铣削速度x1=82m/min、进给速度x2=52.20mm/min、轴向铣削深度x3=0.9mm、径向铣削深度x4=14mm。
4 结语
钛合金铣加工论文 篇8
钛合金材料的密度小、强度/密度比高,是目前实用合金中单位重量强度最大的合金材料,而且钛合金材料还具有极其优异的耐热性与耐腐蚀性,因此,钛合金材料被广泛应用于飞行器、原子能、海洋开发及医疗器械等诸多领域中。但是,钛合金的热导率约为铁的1/3,机械加工时产生的热量很难通过工件释放,加工时局部温度上升快,易造成刀具温度过高,使刀尖磨损加剧,使用寿命降低。
随着航空航天、仪器仪表及医疗器械的发展,小孔的应用也日趋广泛,发动机叶片上的小孔成百上千个,传统的加工方法难以满足加工效率要求,电火花加工则是一种有效的方法。电火花加工利用两极间的放电能量去除材料而达到加工目的,可加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料,是加工钛合金小孔的有效方法。电火花加工是电动力、电磁力、热动力以及流体动力等综合作用的过程,加工过程非常复杂。目前国内外学者对电火花加工钛合金小孔进行了大量的研究。文献[1,2]通过应用超声电火花复合加工方法研究钛合金小孔的电火花加工。文献[3,4]通过研究放电参数对电火花加工钛合金小孔质量的影响,优化了加工参数。文献[5]研究了TC4合金不同组织条件下电火花加工后的表面残余应力,结果表明,经过700℃和800℃的2h热处理后,表面应力明显减小,而经过500℃的2h热处理后效果不明显。文献[6]研究了峰值电流、脉宽、冲液压力和占空比对电极损耗、材料去除率和锥度的影响,采用田口法优化了加工参数,改善孔的锥度。但是到目前为止,对电火花加工钛合金小孔的研究大都是在工艺方面,对其理论基础的研究甚少。有限元法是研究电火花加工技术基础的一种有效手段。文献[7]在超短脉宽(tw≤0.1μs)条件下利用有限元法仿真电火花加工后工件表面温度分布。文献[8]在脉宽tw为5.6～560μs下模拟出工件表面形貌和温度分布,仿真结果与实验结果较吻合。目前,尚无学者对电火花加工钛合金小孔建立较完善的数学模型。
本文考虑了呈高斯分布的热流密度载荷和对流载荷的共同作用以及随放电时间变化的热源作用半径,使用随温度变化的物性参数(热导率和比热容),用焓值法考虑了熔融潜热的影响,从而建立了较为完善的传热模型。
1 单脉冲放电蚀除体积数值模拟计算
1.1放电加工物理模型
图1为单脉冲电火花加工放电通道物理模型。脉冲放电条件下,工件表面放电点附近的材料在高温下呈熔融状或被气化,在加工介质和爆炸气体的共同作用下被抛出放电间隙。众多学者对电火花加工过程的研究发现,影响放电蚀除凹坑大小的最主要因素是工件材料的熔融(气化)区的大小,但是实际加工后有一部分熔化体积会重新凝固在表面,此外还有其他很多因素影响最终蚀除凹坑的大小,在建模过程中如果考虑所有因素的话难度太大甚至不可能完成,因此,假设蚀除颗粒均被抛出。
1.2放电加工数学模型
电火花加工过程中,极间热源是形成两极温度场的原因。根据导热微分方程,已知放电半径和定解条件即可求解确定物体中相应的温度分布。放电时释放的能量绝大部分以热的形式最终分配在正负电极上,并形成一个瞬时高温热源。根据热源形成机理的不同可分为体积热源和表面热源,研究发现,体积热源主要依赖于趋肤效应,蚀除量只占蚀除总量的1%～2%,材料的蚀除主要还是靠表面热源。依据表面热源的形成机理,可将放电时电极表面所发生的热传导过程等效为一个有限尺寸的平面瞬时热源。在不考虑材料内热源的条件下,电极上热传递过程的微分方程可表示为[9]
式中,c为电极材料的比热容,J/(g·K);ρ为电极材料的密度,g/cm3;T为电极材料内的温度,K;t为传热时间,s;λ为电热导率,W/(m·K);∇为拉普拉斯算子。
研究证实,在局部强磁场作用下形成的放电通道是高温高压的等离子体,在实际加工过程中受极间各种作用力的影响,放电通道的形状是十分不规则的。由于放电通道的不均匀性,电极表面热源是不均匀的,但是瞬时放电通道中带电粒子的密度符合高斯分布,即通道中心处带电粒子的密度最高,而边缘处带电粒子的密度低,所以作用在电极表面的平面热源的热流密度必然会呈现出高斯分布现象。若已知放电通道轴向最大热流密度q0和放电半径R,则距电极中心距离为r的任一点的放电热流密度q(r)为[10]
假设单脉冲放电时的能量只形成一次有效火花放电,则高斯热流分布在t时刻r处放电点的热流密度表达式为
式中,η、Ub(t)、I(t)分别为热流密度分配系数、极间放电电压和峰值电流。
1.3初始条件和边界条件
初始温度条件即温度的初始分布作为导热计算时间的起始点,由于是计算瞬间温度,所以热量作用开始之前,假定内部温度梯度为零,在室温T0=25℃条件下放电加工可得到边界条件如图2所示,数学模型可表示如下:
(4)
式中,hc为传热系数,此处为冲液加工,故取值为1000W/(m2·K)[11];k为修正系数。
r≤R的范围为热流密度输入区,放电热流密度为q;r>R的范围为对流换热区,其他边界为室温。
从图2可以看出,R是放电通道半径,它是热交换区域与能量密度区域的界限,研究发现,单脉冲放电加工过程中放电通道半径是一个随加工时间变化的值。为了计算放电通道半径,不少学者都进行了研究,井上洁[12]根据大量的实验得到放电通道半径的变化公式,楼乐明[13]以井上洁的公式为基础得到优化后的放电通道半径经验公式:
(5)
式中,Ip为峰值电流,A;tb为最佳脉宽,μs;tF为放电时间,μs。
在研究放电通道半径的过程中,Dibitonto等[14]发现,一定的峰值电流对应着一个最佳脉宽,此时加工速度最高。因此,认为脉宽小于最佳脉宽时,放电通道的半径随着放电的持续进行而不断增大;当放电时间大于最佳脉宽时,放电通道的半径几乎不变。根据Dibitonto等的实验结果,利用MATLAB进行2次拟合,得到峰值电流Ip和最佳脉宽tb的拟合经验公式如下:
tb=0.11I2p+0.73Ip+8.52 (6)
1.4材料的选取与建模
实验选用的材料为TC4合金。电火花小孔加工过程是一个非线性传热过程,TC4合金从固态转变成液态的过程中存在一个相变问题,由于相变的存在,使非线性传热的非线性程度被人为地提高了,因此在分析相变时,需考虑熔融潜热。在选取分析单元时应选取低阶的热单元,由于是二维模型,因此本文选取PLANE55。当热流密度和热对流同时施加于同一表面时,必须将其中一个施加于实体表面,另一个施加于表面效应单元,仿真模型选取表面效应单元SURF151。求解时应打开具有时间积分的瞬态分析选项,设定足够小的时间步长。ANSYS通过定义材料的焓随温度变化来考虑熔融潜热,在ANSYS中焓是密度和比热容的乘积对温度的积分:
H=∫ρ c(T)dT (7)
式中,H为热焓,J/m3。
本文充分考虑材料随温度变化的物性参数,其中包含热导率、比热容和熔融潜热即焓值。TC4合金材料属性见表1。
查阅文献可知,单脉冲电火花加工材料的去除直径小于40μm,深度小于15μm,建模时,选取长×宽为0.20μm×0.04μm的矩形,因此,模型的尺寸可认为是半无限大尺寸。划分网格时单元尺寸要合适以达到求解精度,同时为了更好地计算去除体积,将模型的长宽分别等分为300份和100份,总共包含30 000个单元,能够达到求解精度。采用映射网格划分,划分单元形状为四边形,如图3所示。
1.5求解与分析
模拟计算过程中作如下假设:①一个脉冲只形成一个放电通道;②放电通道为圆柱形;③在放电过程中,由于工件静止不动,放电通道在工件上未转移,因此可近似认为放电点热源为静止热源;④在材料蚀除过程中,气化或熔化蚀除的颗粒全部被带出放电凹坑。电火花加工过程中,放电通道等离子体的能量并不是全部都施加在正负两级上,而是有一定的能量流失。Eubank等[15]研究发现,电火花加工中阴极吸收的能量大约占总能量的0.18～0.5,根据Dibitonto等[14]的研究,在以水为加工介质时,阴极的能量吸收率为0.183,因此本文η取值0.18。实际加工中,放电维持电压与开路电压相差很大,在一定加工条件下,极间放电维持电压大小几乎与极间距离无关,放电维持电压与材料息息相关,热导率越小放电维持电压越小,根据研究,大部分材料的维持电压在20～25V之间,TC4合金的热导率小,因此本文取Ub(t)=20V。仿真参数如表2所示,图4所示是在单脉冲且峰值电流为6A、脉宽为12μs模拟条件下得到的放电点温度分布。图5是峰值电流为2A、脉宽为30μs模拟条件下得到的TC4合金横向和纵向温度分布图。
由图5可以看出,在半径方向,随着距放电中心半径的增大,温度值从大于5000℃减小到29℃,原因是,脉冲能量密度呈高斯分布,距放电中心越远放电能量密度越小,工件表面吸收的热量也就越小(图5a)。在深度方向,随深度的增大温度从大于5000℃迅速降低到29℃左右,相对于半径方向温度变化梯度大,分析原因是,材料的热导率小,在一定的放电时间内温度难以从表面传递到工件内部,从而温度下降梯度大,如图5b所示。
为了计算出模拟去除体积的大小,采用生死单元法,将TC4合金的熔化温度值1600℃做为参考温度,高于此温度的单元则乘以一个很小的因子,缺省值为10-6,因此单元在模型中就显示“死亡”,如图6所示。
研究发现,蚀除凹坑形状呈近似半球形,而模拟结果是建立在二维条件下的,为了计算去除体积,建立如下等式:
式中,n为蚀除深度总层数;V为去除体积,μm3;ai为第i层蚀除实际宽度,μm;0.4是模型宽度方向每一层的厚度,μm。
图7所示是单脉冲模拟去除总体积结果,总去除体积随峰值电流的增大而增大,随脉宽的增大而增大,因为峰值电流和脉宽的增大都将导致能量输入的增大,更多的材料被去除,导致去除总体积增加。
2 试验验证
本文验证试验采用的机床为高速小孔机,电极材料为黄铜(半径0.5mm),电极采用中空电极,工作方式为冲液加工。TC4合金的厚度为2mm,加工介质为去离子水,负极性加工。
利用电子称重得到试验前后去除体积重量。例如,在峰值电流13A、脉宽4μs、脉间12μs、电容0.16μF条件下加工前后工件的重量分别为5.007 84g和5.006 01g,去除量为两者之差(1.83mg),从试验结果可看出去除量比理想值(1.73mg)稍大,原因是电火花加工过程中蚀除颗粒来不及完全排出,导致二次放电,最终导致实际加工直径尺寸比理想值偏大,去除体积偏大。为了后期更好地观测内壁表面质量,在小孔加工前把工件分为两半,图8是加工后的小孔照片,经超景深观测得小孔直径尺寸稍大于0.5mm,进一步验证了称重后结果的合理性。图9为利用超景深仪器观测小孔内表面得到的照片,可以看出,表面有无数个小凹坑,这与电火花加工是利用无数个单脉冲蚀除加工的机理是一致的,在图中黑线所示方向上,小孔内表面最高点与最低点的坐标值之差为10.5μm,并且内表面部分点呈暗黑色,原因是去离子水在高温下分解,生成了氧气,在高温作用下,工件表面发生了氧化反应。
为了得到实证试验总的放电个数,记录加工时间。研究表明,实际加工过程中并不是所有的脉冲都是有效的,脉冲的利用率一般都在0.8左右。由于试验采用的机床具有自动进给装置,能保证电极与工件之间保持合理的间隙,但脉冲利用率会相对低一点,因此本文取η=0.7。因此放电单脉冲去除体积V定义为
式中,Δm为质量差,g;tg为脉冲间隔;tT为总放电时间;λ为脉冲利用率。
表3所示为验证实验记录的加工时间以及单脉冲体积去除率误差分析结果。
3 结论
在物理、数学模型的基础上,采用高斯热源,考虑影响能量输入的主要因素:峰值电流和脉宽,采用焓值法解决加工过程伴随的熔融潜热问题,根据实际放电情况,考虑随放电时间变化的放电通道半径,利用ANSYS建立单脉冲电火花加工钛合金小孔的数学模型,模拟出放电点的温度分布,从模型结果可以看出,放电点的最高温度超过8000℃,足以熔化甚至气化工件材料。从验证试验可以得出,实际加工钛合金单脉冲体积去除率和模拟结果相近,误差小于10%。研究结果表明,仿真模型是有效的,能较准确地预测电火花加工TC4合金小孔的体积去除率。
摘要：为有效地预测钛合金材料电火花小孔加工的体积去除率,利用有限元法建立了单脉冲电火花加工钛合金小孔的数学模型。模型考虑了诸多因素:高斯热源模型、能量分配率、随放电时间变化的放电半径以及熔融潜热。应用生死单元法模拟出去除体积形貌图,然后计算出单脉冲去除体积。采用K1C高速小孔机加工钛合金小孔,记录加工时间,利用称重法得出加工前后重量,从而算出单脉冲体积去除率。验证实验得出,实际加工单脉冲体积去除率和模拟结果的误差小于10%,结果表明,仿真模型可较准确地预测体积去除率,为指导电火花加工钛合金小孔提供了依据。
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