难加工材料高效加工技术.ppt

难加工材料的高效加工技术,工欲善其事 必先利其器,哈尔滨理工大学 岳彩旭,目 录,1、绪论 2、航空航天领域的难加工材料 2.1 高温合金的加工 2.2 钛合金的加工 2.3 碳纤维材料的加工 3、石油化工领域的难加工材料 4、结语,2,绪 论,1）以一定耐用度下的切削速度vt衡量加工性； 2）以切削力或切削温度衡量加工性； 3）以加工表面质量衡量加工性； 4）以切屑控制或断屑的难易。,材料的切削加工性 材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。,3,绪 论,难加工材料：材料被切削时，刀具寿命低，所允许的切削速度低，质量不易保证，不易断屑，切削力大，产生的切削热较高，这种材料的加工性差，称为难加工材料。 难加工材料种类：,4,绪 论,难加工材料的应用领域,5,航空工业领域-高温合金,6,高温合金的牌号、特性及用途,航空工业领域-高温合金,7,航空工业领域-高温合金,高温合金做成的发动机冷却环,高温合金整体叶盘,能变形的镍基高温合金尾喷口,8,航空工业领域-高温合金,高温合金的切削加工特点,9,航空工业领域-高温合金,高温合金难切削的原因 材料中含有高熔点合金元素，如钛、镍、钴、钨、钒等它们相互结合，形成高硬度物质加速刀具磨损。 材料具有高硬度、高韧性等特点，切削时表面加工硬化严重，切屑难于折断，因此切削力大，切削温度高。 散热性能差，切削热无法快速导出。,10,航空工业领域-高温合金,高温合金加工刀具失效形式 扩散磨损 边界磨损 积屑瘤,刀尖塑性变形,月牙洼磨损,刀尖塑性变形 月牙洼磨损,11,航空工业领域-高温合金,高温合金加工条件的选择 1、合理的选择刀具材料 高速钢：应选用高碳、含铝高速钢。 硬质合金：应采用yg类硬质合金。最好采用含tac或nbc的细颗粒和超细颗粒硬质合金。如yg8、yw4、yd15、ygrm、712等。 陶瓷：在切削铸造高温合金时，采用陶瓷刀具也有其独特的优越性。 2、刀具几何参数 变形高温合金(如锻造、热轧、冷拔)。刀具前角0为10左右；铸造高温合金0为0左右。刀具后角一般=1015。粗加工时刀倾角s为-5-10，精加工时s =03。主偏角r为4575。刀尖圆弧半径r为0.52mm，粗加工时，取较大值。,12,航空工业领域-高温合金,3、切削用量 高速钢刀具：切削铸造高温合金切削速度vc=3m/min左右，切削变形高温合金vc=510m/min。 硬质合金刀具：切削变形高温合金vc=4060m/min；切削铸造高温合金vc=710m/min。进给量f和切削深度p均应大于0.1mm，以免刀具在硬化后的表面进行切削，而加剧刀具磨损。 陶瓷刀具 4、切削液的选择 粗加工时：采用乳化液、极压乳化液。 精加工时：采用极压乳化液或极压切削油。 铰孔时:采用硫化油8590+煤油1015%，或硫化油(或猪油)+ccl4 高温合金攻丝十分困难，除适当加大底孔直径外，应采用白铅油+机械油，或氯化石蜡用煤油稀释或用mos2油膏。,13,刀具磨损寿命： jx-2-ii刀具切削火箭发动机电镀纯镍零件,切削速度提高3-5倍，刀具寿命提高几十倍， 表面粗糙度降低，被誉为“神刀”。,航空工业领域-高温合金,/14,jx-2-i高速切削inconel 718：由于切削温度对工件材料加工硬化和高温强度屈服拐点的影响，存在一个使切削力降低的最佳切削速度范围。,切削温度：830c,inconel718强度降低 的拐点温度是800-850c 并非速度越低越好 最佳速度范围： 90-120m/min,inconel718加工特点： 切削温度高 变形抗力大 加工硬化严重,航空工业领域-高温合金,15,cutting speed, vc (m/min),feed rate (mm/rev),cbn100 cbn10 cbn150,0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.3,0.25,0.35,0.4,cutting speed, vc (m/min),0,100,200,300,400,500,feed rate (mm/rev),0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.3,0.25,0.35,0.4,0,100,200,300,400,500,d.o.c 0.5mm (finishing),d.o.c 0.5 3.0mm (roughing),cbn300 cbn30 cbn20,note : interrupted cutting not possible, use special e edge prep. with large hone,cutting speed, vc (m/min),inconel 718,航空工业领域-高温合金,16,5 - 7,- 6,special edge hone,most economical and first choice in inconel718,problem solver in hardened inconel718,航空工业领域-高温合金,17,component component shaft material inconel 718 forged blank hardness 35 hrc operation copy turning,machining condition geometry cbn10 = lcgn1604m0-0400e25-lf wc = lcmr1604m0-0400-mp,883 cutting speed cbn10 = 170 m/min wc = 30 m/min feed rate cbn10/wc = 0.2 mm/rev depth of cut cbn10/wc = 0.2 mm coolant = yes result tool life cbn10 = 12 mins wc = 10 mins,cutting time reduced by up to 85% with cbn10 + improved surface finish,航空工业领域-高温合金,18,as forged final contour,2.95,7.95,chamber wall section,cbn10,航空工业领域-高温合金,19,航空工业领域-钛合金,国内主要钛合金种类 1、发动机行业 ta7齿轮套，发动机外壳、叶片罩 ta11发动机叶片，陀螺仪导向罩，内蒙皮 tc3核心机叶片及叶轮 2、航空业 ta19/tc19强化钛合金紧固件，导向装置，重要结构 ta1、ta2、ta3飞机骨架 tc10起落架，飞机承重架、紧固件,20,航空工业领域-钛合金,钛合金占航空发动机全部材料的 4060。,21,航空工业领域-钛合金,钛合金的性能特点 比强变高：钛合金密度只有4.5g/cm3，比铁小得多，而其强度与普通碳钢相近。 机械性能好：钛合金熔点为1660，比铁高，具有较高的热强度，可在550以下工作，同时在低温下通常显示出较好的韧性。 抗蚀性好：在550以下钛合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、盐介质均有较高的抗蚀能力。,钛合金的切削加工性 600以上温度时，表面形成氧化硬层，对数控刀具有强烈的磨损作用。 塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑与前刀面接触长度很小，前刀面上应力很大，刀刃易发生破损。 弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹量大，所以已加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。,22,航空工业领域-钛合金,钛合金车削加工 钛合金车削易获得较好的表面粗糙度，加工硬化不严重，但切削温度高，刀具磨损快。针对这些特点，主要在数控刀具、切削参数方面采取以下措施： 刀具材料：选用硬质合金刀具，以不含tic的k类硬质合金为宜，细晶粒和超细晶粒的硬质合金更好，比如：yg6，yg8，yg10ht。 刀具几何参数：合适的刀具前，较大的后角一般大于15、刀尖磨圆；主偏角宜取小些，主偏角小于45 为好；精车及车削薄壁件时刀具主偏角要大，一般为7590。 切削用量：较低的切削速度；适中的进给量和较深的切削深度。,23,航空工业领域-钛合金,钛锭去除外皮的切削用量,24,航空工业领域-钛合金,钛合金的铣削加工 钛合金铣削比车削困难，铣削常见的问题是切屑易与刀刃发生粘结，形成崩刃。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，极大地降低了刀具的耐用度。 铣削方式：一般采用顺铣。相对于通用标准立铣刀，前角应减小，后角应加大，铣削速度宜低。尽量采用尖齿铣刀，避免使用铲齿铣刀；刀尖应圆滑转接；大量使用切削液。 刀具材料：宜采用k类硬质合金，也可选用钴高速钢和铝高速钢，比如：m42。 铣削用量：切削速度精加工增加切速增加散热 恒定的不太小的进给预防加工硬化 大流量的冷却液热稳定性 改变主偏角（选择基体强大的圆刀片，也能有效地减少边解磨损）,25,航空工业领域-钛合金,钛合金铣削,26,航空工业领域-钛合金,27,航空工业领域-钛合金,28,航空工业领域-钛合金,29,航空工业领域-钛合金,30,航空工业领域-钛合金,31,航空工业领域-钛合金,32,航空工业领域-钛合金,33,航空工业领域-钛合金,34,航空工业领域-钛合金,35,36,pro/e建模,有限元分析,应力分析,航空工业领域-钛合金,37,图1-6 铣刀的温度分布 图1-7不同轴向切深的温度场分布,当轴向切深增大时，其切削温度不断升高，且升高趋势较为显著。,球头铣刀应力分布发分析,a)doc=0.3mm (b) doc=0.5mm (c) doc=0.7mm 图 不同轴向切深的铣刀应力分布,38,4.2.1 高速铣刀/刀柄系统的动力学测试方法分析,图2-5 实验所得三阶模态振型图,结论 利用试验模态分析方法对刀具/刀柄系统进行模态测试，得其结构模态参数，所测得模态参数与仿真参数拟合良好，并为刀具/刀柄动力学数学模型界定了初始参数。同时，该方法也为刀具/刀柄系统动力学数学建模的建立提供了可靠的试验支持。,航空工业领域-钛合金,39,球头铣刀三维建模,航空工业领域-钛合金,40,闭式叶轮加工中的接刀痕问题： 闭式叶轮使用双面加工。在半精加工，精加工过程中，叶片与叶根处两侧加工处都出现明显接刀痕。 解决方法：进行刀轴控制优化，调整程序。,图 4-5 叶片上的接刀痕,航空工业领域-钛合金,41,整体叶盘的开粗加工工艺规划，主要对可行加工区域的划分，对叶轮模型进行几何处理，抽取出合适的几何特征及合理的切削区域，为插铣工艺算法提供可行加工空间。,航空工业领域-钛合金,42,在前期工作的基础上进行了，半开式整体叶轮，开式整体叶轮，闭式整体叶轮的加工。,半开式整体叶轮,开式整体叶轮叶片,闭式整体叶轮,航空工业领域-钛合金,航空工业领域-钛合金,钛合金的磨削加工 磨削钛合金零件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。 为解决这一问题，采取的措施是： 选用合适的砂轮材料比如：绿碳化硅tl。 稍低的砂轮硬度：zr1。 较粗的砂轮粒度：60。 稍低的砂轮速度：1020m/s。 稍小的进给量，并用乳化液充分冷却。,43,航空工业领域-钛合金,钛合金的钻削加工 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，须注意以下几点： 刀具材料：高速钢m42，b201或硬质合金。 合理的钻头刃磨：加大顶角、减少外缘前角、增大外缘后角，倒锥加至标准钻头的23倍。 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。 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。 合理的冷却。,44,航空工业领域-钛合金,钻削冷却,45,航空工业领域-碳纤维,航空碳纤维板,碳纤维是一种具有类似石墨结构的无机纤维材料.它除具有质轻和良好的力学性能外,还有优良的隔热、消音、减震等性能,因而具有相当大的应用前途。,46,航空工业领域-碳纤维,碳纤维材料应用,碳纤维是一种十分重要的结构材料, 由于具有一系列优点, 被广泛应用于航空航天、战略武器、汽车、交通、能源、建筑和体育用品等领域。,47,航空工业领域-碳纤维,材料产生分层破坏 刀具磨损严重,耐用度低 易产生残余应力 由于复合材料呈现各向异性,层间强度低,切削时容易产生分层、撕裂等缺陷,钻孔时尤为严重,加工质量难以保证。据统计,飞机在最后组装时,钻孔不合格率要占全部复合材料构件报废率的60 %以上。,碳纤维复合材料难切削加工的主要特点,48,航空工业领域-碳纤维,提高碳纤维板加工质量的措施,高速切削是复合材料高质量加工的一个发展方向 新型刀具的研究是提高复合材料加工质量的重要手段 刀具的精确修磨对加工质量提高具有重要作用 振动切削适合于复合材料高质量的切削加工,49,航空工业领域-碳纤维,这里针对我校的研究项目，碳纤维板加工孔的工艺，进行说明。 孔加工常见缺陷及影响因素：,50,航空工业领域-碳纤维,刀具设计的考虑因素,焊接钻头,51,航空工业领域-碳纤维,碳纤维板加工孔示意图,中心钻上焊有pcd刀片的钻头,通过采用焊有pcd刀片的钻头，经过初步切削实验，获得较好效果： 刀具寿命比采用硬质合金刀具有很大提高。 孔的加工质量（如毛刺、分层以及撕裂等）有明显改善。 相信随着刀具参数、结构以及切削条件的完善，加工质量和效率会有更大进步。,无钻削液,52,不锈钢的分类 按钢的组织结构分类可分为：奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。,石油化工材料-高强度钢,53,不锈钢难加工特点,石油化工材料-高强度钢,/54,背景：核电筒节和水室封头毛坯是直接锻造而成的，吨位大，外表面加工条件恶劣(锻造铲沟、锻造凹坑、锻造凸起以及夹砂夹渣等)。荒加工过程中，对车刀和铣刀的使用性能影响非常大。,完成粗加工的平面,石油化工材料-高强度钢,55,筒节/水室封头毛坯，表面有很多锻造缺陷。切削过程中，切削用量、切屑截面、刀具工作角度、刀具-切屑-工件接触状态等等都时刻发生变化(如下图)，因此，其切削力和切削温度具有动态特性，而这种特性常常导致刀具的过早失效。,筒节荒加工过程,石油化工材料-高强度钢,56,石油化工材料-高强度钢,切削特点及出现问题 1、切削冲击力大 筒节毛坯直接锻造而成，外圆周表面不平整，切削加工属于断续切削，冲击力大。 2、材料红硬性大 筒节车削时产生的切屑为红而硬的缎带状，韧性大，不易折断，在很高的切削温度（1000左右）下容易与刀片产生粘结。 3、切削温度高 切削过程中产生的大而厚的切屑导热效果不好，导致大部分切削热集中在切削区，使切削区平 均温度很高，可达6701000c，甚至更高。高温可导致刀片紧固螺钉（退火）强度降低。,筒节切削产生的缎带状切屑,筒节切削过程刀具粘结破损,内六角螺钉秃边,57,石油化工材料-高强度钢,重型切削过程刀具主要磨损形式： 前刀面磨损：主要是由于厚大的切屑与前刀面产生剧烈摩擦； 后刀面磨损：低速切削和较小的切削厚度切削条件下产生； 前后刀面同时磨损：切削条件介于两者之间。,前刀面磨损,后刀面磨损,前后刀面磨损,不同刀具材料在不同的使用条件下造成的磨损原因不同,58,石油化工材料-高强度钢,刀具粘结破损 刀-屑粘结界面微观机理分析 刀-屑间固有的亲和性。 扩散磨损导致刀面表面脆化。 刀-屑粘结的实质刀具和工件界面双方原子间的迁移 下图a，b，c是刀屑粘结的横截面不同放大倍数照片。由c可以看出，有部分区域里刀-屑间已经形成了紧密的结合，同时也有间隙存在。,59,石油化工材料-高强度钢,刀具的冲击破损 硬质合金刀具的破损有两种不同形式：早期脆性破损和疲劳破损。早期脆性破损是刀具切削开始后不久，由于某种因素（如刀具内有缺陷、工件表面硬度分布不均匀、工件表面有硬皮、夹砂、气孔、大裂纹等缺陷及刀具承受其它原因造成的过载）引起的打刀、崩刃。,切削刃崩刃放大图,前刀面部分刀刃脱落,60,难点分析：,1、材料难加工：筒节和水室封头材料为高温高强度钢，高温韧性强，切削用量不合理容易产生绕屑或碎屑现象。,碎屑产生,石油化工材料-高强度钢,61,2、毛坯表面加工条件差：筒节和水室封头毛坯为万吨水压机直接锻造而成，锻造表面的锻造缺陷非常多且分布比较发散。锻造缺陷容易引起刀具的磨损、冲击破损甚至直接断裂。,石油化工材料-高强度钢,62,石油化工材料-高强度钢,63,重型车刀失效分析,石油化工材料-高强度钢,64,高可靠性控屑槽型精准设计关键技术 高可靠性控屑槽应该包括：1) 理想断屑性能；2) 断屑性能保持性。,超重型切削，材料去除量巨大，需要产生理想的切屑(下图1所示)以便减少生产辅助时间。大型切屑形成、流出与折断过程(如下图2所示)。,图2 切屑形成、流出与折断过程,图1 超重型切削理想切屑,石油化工材料-高强度钢,65,理想的控屑性能可以通过研究切屑形成、流出过程切削刃口与槽型作用关系、切屑形成几何学与动力学关系精准设计控屑槽型。,2) 断屑性能保持性 断屑性能保持性主要体现在：在承受动态切削力和热共同作用下，刀具的控屑槽型各个方位结构几何位置保持良好，长时间不变形以能很好的保持原先的控屑性能。,石油化工材料-高强度钢,/66,技术难点： 超重型切削条件下刀具材料高温性能研究-揭示刀具软化、磨损、刀片断裂等现象产生的机理、条件； 超重型切削过程中刀具断裂韧性研究-建立超重型车刀动态强度模型，为刀具的结构设计、选材、热加工工艺的改进以及安全分析等提供理论基础。(实际加工中刀具断裂如下图),超重型切削刀具断裂类型,石油化工材料-高强度钢,超重型切削动态力学特性： 筒节/水室封头荒加工是一个动态断续切削过程，其切深变化非常大(ap=050mm)。由于切削宽度aw显著大于切削厚度ac和切削深度ap。因此，垂直于切削刃各截面内的变形形状大致相同。根据下图分析可获得极限重载切削的剪切流动应力、剪切应变率和剪切应变关系，从而获得动态条件下刀具失效条件。,图1 重型切削变形分析示意图,图2 重型切削有限元模拟分析,石油化工材料-高强度钢,/68,石油化工材料-高强度钢,刀具表面质量改进-涂层方案 为了增强新型刀具的耐磨性能，其后刀面、刀片底部以及前刀面分别涂有tin和al2o3，因为高硬度tin涂层（颜色为金黄色），其表面硬度达hv3000（表面洛氏硬度hr88.6），而涂层厚仅有3-5个微米，不会改变被加工工件尺寸与形状，能使刀具表面具有耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等特殊功能。al2o3硬质涂层具有高熔点、高硬度、优异的热和化学惰性等特点，能有效的降低前刀面与切屑的粘结。,刀具涂层方案优选,石油化工材料-高强度钢,刀具几何参数的优选 采用负倒棱刀刃、梯形断屑槽、前刀面带椭圆球减摩凸起，大的刀尖圆弧半径（r5左右），6左右的前角和6左右的后角等（如下图所示）。,70,正五角形系列刀片,可靠性设计关键： 动态切削力作用下，刀具失效临界条件确定； 刀片动态强度计算，为刀具材料优选提高参考； 刀片散热面积最大化与刀-屑接触面积最小化的最佳临界值确定。 右图为超重型切削刀片可靠性设计实例。,石油化工材料-高强度钢,71,石油化工材料-高强度钢,加工实例 切削条件： 设备：ck5280050/250大型立车，工作台直径7200mm，最大切削直 径8000mm，最大加工高度6400mm； 刀具：普通重型车刀yt5和高效车刀（如下图）； 工件：材料为2.25cr-1mo-0.25v钢的加氢筒节。,72,石油化工材料-高强度钢,73,石油化工材料-高强度钢,结果分析-使用寿命对比 改变主轴转速对刀具寿命有非常大的影响。提高切削速度时，切削温度就上升，从而使刀具寿命大大缩短。,74,石油化工材料-高强度钢,两种刀切削长度对比,从上图可以看出，新型xf8单刃使用寿命最大时是yt5刀的3倍左右。,75,石油化工材料-高强度钢,新结构刀具有限元分析 采用硬质合金车刀行车削试验。工件材料为筒体材料按2.25cr-1mo-0.25v。选取刀具几何参数:刀片材料:k系;车刀主要角度:前角0=6,后角0=0=6,主偏角r=60。刀具材料的机械性能:抗弯强度极限:1500mpa;抗压强度:3500mpa;弹性模量e=610gpa;泊松比=0.3。切削用量:切削速度vc=28m/min,进给量(或进给速度)f=0.3mm/r,背吃刀量ap=5mm。下图是专用重型刀具通过ansys自带的自适应网格划分方法进行单元格的划分,自定义单元长度。将车刀