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如何提高钛合金切削加工的效率

发布于:2019-01-08 09:49 编辑:志峰钛业 浏览:
如何提高钛合金切削加工效率

钛合金

钛合金材料因比强度高、密度小、耐腐蚀、耐高温和焊接性好等优异性能,在航空领域得到越来越广泛的应用。基于上述优点,钛合金材料成一些零部件的首选材料。钛合金的一些物理力学性能给切削加工带来了较大难度。钛合金切削时变形系数小,使得切屑在前刀面上滑动摩擦路程增大,加速刀具磨损。钛合金导热系数小,切削时产生的热量不易传出,集中在切削刃附近的小范围内。钛合金弹性模量小,加工时在径向力的作用下容易产生弯曲变形,引起振动,加大刀具磨损并影响零件的精度。由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强,在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下,刀具容易产生粘结磨损。


钛合金切削时,切削刃附近区域切削温度高,主要是高温热效应作用下加剧了刀具磨损。对于硬质合金刀具而言,磨损主要是粘结温度所引起的粘附磨损。在刀具直径允许情况下,可以尽量采用带有内部冷却功能的刀具 ,这种刀具喷出的冷却液角度恰好集中在刀尖区域,可有效地降低切削区域温度,延长刀具寿命,提高刀具的耐用度。通常内冷刀具直径较大,对于小曲率半径的曲面或区域,可以预先采用大直径带内冷的刀具进行粗加工,以提高加工效率。铣削加工是不连续的切削过程,加工中刀具承受断续的冲击负荷,在铣削加工中发现,工艺装备系统的刚性较差时,在切削力、装夹力、切削振颤等因素作用下,刀具磨损加剧,耐用度明显下降。同切削试验,根据刀具磨损程度和加工时间确定,但通常留有一定裕度。常规加工中,机床操作者可以根据机床振动变化、切削噪声的突然提高、主轴功率显示表等判断刀具磨损的情况。如果加工中应用刀具破损自动监测技术,能够动态随时准确进行刀具磨损状态分析、监控,则刀具寿命可以安全地适度延长。

钛合金高效切削参数获取:企业在目前的产品制造中,已经满足了刀具轨迹的优化验证需求,但尚未完全解决优化切削参数的获取方法问题。近年来,各企业正在积极研究钛合金的高效切削技术。据悉,西方国家大型钛合金整体叶盘切削速度可以达到300mm/min或更高。航空发动机制造企业所拥有的进口机床先进性与国外企业相当,切削所采用的刀具相当一部分也是进口刀具,可以说从硬件上已经具备了相同的实力,但是加工效率和国外相比差距不小,特别是钛合金等难加工材料的加工效率亟待提高,经分析存在以下一些原因:
(1)有针对性的基础切削试验不足,难以得到具有较高切削速度的参数做工艺决策支撑。
(2)企业获取切削参数渠道有限,通常来自刀具供应商手册推荐数据。这种参数尽管是来自于国外供应商较为系统的切削试验数据,但试验条件和环境与企业加工零件的工况差异不同,很难完全照搬手册数据。
(3)高效切削参数试验和获取的周期较长。由于企业机床以产品批量生产为主体,很难抽出专用设备开展专项试验,切削数据的优化试验往往与真实零件的加工同步进行,存在较大风险。特别是在精加工工序,切削后零件表面已经无余量,要顾及到万一切削参数使用不当,产生断刀、崩刃或其它极容易引起表面质量问题的情况。 因此,高效切削参数试验数据的选取需要分阶段逐步提升,谨慎而行,不可能在较短的周期内快速提高。往往需要多个批次、多个零件的加工验证,乃至持续数年,从验证机到原型机,甚至产品进入定型阶段还在进行提高加 工效率的精益改善。
(4)科研院所的研究成果工程化推广与应用不充分。事实上科研院所对难加工材料的高效加工极为重视,并开展了大量试验,取得一些成就。但所作的切削试验不是完全基于发动机零件的真实加工环境,包括试验零件所 选取的工艺特性数据例如:零件真实尺寸、结构形状、零件刚性、装夹方式、刀具悬伸等等。因而是一种共性的试验而不是典型特征试验,因此切削参数在实际应用中有局限性。作为企业一方亟需要得到科研院所的技术支撑,共同合作,以加快企业技术创新和提升制造能力的步伐。国外的高效(高速)切削参数多数来自设立在企业的切削实验室,根据试验结果指导生产现场,通常大型企业的切削试验室科研能力与高校不分伯仲。这种科研体制具有针对性强、见效快、易于全面推广的优点。

随着数字化制造技术的飞速发展,金属切削过程的有限元仿真作为制造工艺的一种新型技术,正逐渐融入机械加工领域,是推动未来高效切削工艺快速发展的途径之一。通过切削仿真不仅可以预报切削力,分析切削过程中应变、应变率、应力和温度等状态变量的分布,同时还可以预报刀具磨损、工件残余应力,并进一步优化切削参数。有限元法的引入丰富了钛合金切削机理的研究手段 。研究学者针对钛合金加工中的刀具磨损仿真预测进行了研究,建立了综合考虑刀具多种磨损因素下的仿真模型 ,可在一定程度上实现刀具磨损的仿真预测。随着数值计算理论和软件工具的不断发展,切削过程仿真和预测必将在切削加工理论和技术的研究中起到重要作用。