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),CBN100CBN10CBN150,0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.3,0.25,0.35,0.4,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.C0.5mm(Finishing),D.O.C0.5 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,ComponentComponentShaftMaterialInconel 718 forged blankHardness35 HRcOperationCopy Turning,Machining ConditionGeometryCBN10=LCGN1604M0-0400E25-LFWC=LCMR1604M0-0400-MP,883Cutting speed CBN10=170 m/minWC=30 m/minFeed rateCBN10/WC=0.2 mm/revDepth of cutCBN10/WC=0.2 mmCoolant=YesResultTool lifeCBN10=12 minsWC=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。将车刀划分为17588个节点、10263个单元。,新刀结构有限元网格图,76,石油化工材料-高强度钢,新结构刀结果分析 根据本实例的原始试验数据,采用实验公式,计算出三个切削分力的经验值分别为:Fz=3774.62N,Fy=1509.85N,Fx=1132.39N。根据上述分析,按切削条件最恶劣的极限情况(即Fz、Fy、Fx集中作用于刀尖一点)进行模拟加载,在刀具末端施加全部约束(这样并不影响分析结果)。,由于刀尖部位为最大应力点,由此可知刀具破坏的主要形式为刀尖和刀刃破坏,因此选用高强度刀片材料对于增加刀具强度是十分必要的。,77,石油化工材料-高强度钢,改善高温、高强度钢切削加工性的措施 对高强度钢、超高强度钢进行高效和保证质量的切削加工，必须采取有效的措施，应采用先进、适用的刀具材料，应选用合理的刀具几何参数和合理选择切削用量等措施。主要措施：1.采用先进、适用的刀具材料 2.选用合理的刀具几何参数 3.选用合理的切削用量,78,石油化工材料-高强度钢,车削加工建议 选择合适的刀具材料 常用的刀具材料有：高速钢、金属陶瓷、陶瓷、CBN烧结体、金刚石和硬质合金。筒节切削过程：断续切削热冲击大、切削力大和切削温度高。刀具材料应满足的要求：应兼有较高的断裂韧性、抗机械冲击性能、耐热冲击性能、抗塑性变形能力及较高的导热系数等切削性能。2.25Cr-1Mo-0.25V加工性差：主要考虑刀具的耐破损性能，即硬质合金是首选刀具材料。,79,结束语,难加工材料切削技术的新发展 1、采用高性能的新刀具材料 2、采用非常规的新切削方法 1）、加热切削法 导电加热切削，用这样的方法进行大切深、大进给加工硬材料是有效的。2）、低温切削法用液氮（-180）或液体CO2（-76）为切削液，降低切削区温度。（适合加工高强度钢、耐磨铸铁、不锈钢、钛合金）3）、振动切削消除积屑瘤、降低加工硬化以及提高加工表面质量，但对刀具使用寿命有影响。4）、真空中切削适合铜铝加工、不适合中碳钢和钛合金加工。5）、有惰性气体保护下切削适合钛合金加工。6）、绝缘切削提高刀具使用寿命的新方法。7）、超高速切削这种切削方法常受到设备条件限制而不能推广。,80,谢谢各位！请批评指正！,2011.08牡丹江,