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鈦合金(Titanium alloy)是以鈦為基礎(chǔ)加入其他化學(xué)元素組成的合金。鈦合金可分為α合金、α+β合金及β合金三大類,其中使用量最大且被廣泛應(yīng)用的是α+β合金中的Ti-6Al-4V鈦合金。 Ti-6Al-4V鈦合金的組織穩(wěn)定、料質(zhì)輕、密度小、彈性模量小以及高溫變形(machining distortion at high temperature)的性能。此種鈦合金擁有良好的耐腐蝕性及延展性,有良好的熱壓力加工性。
圖1. 鈦金屬合金材料
鈦合金的導(dǎo)熱性差,雖適合作為耐熱材質(zhì),但散熱效果非常差,加工過(guò)程中的切削熱不易擴(kuò)散。另外,鈦合金抗蝕性好,在550℃以下鈦合金表面易形成覆蓋性良好且致密的氧化膜,因此不容易被進(jìn)一步氧化。不過(guò),在600℃以上溫度時(shí),鈦金屬和氧的親和力高,容易吸收氧,在表面形成硬度高的氧化硬層。
Ti-6Al-4V鈦合金由于熱強(qiáng)度高、低溫性能好,且有良好的抗蝕性,以航天產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用為大宗。 Ti-6Al-4V鈦合金強(qiáng)度高于其他金屬結(jié)構(gòu)材料,可以制造出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。
圖2. 鈦合金制螺栓及引擎零部件
鈦合金在航天、汽車產(chǎn)業(yè)都有廣泛且大量的應(yīng)用,例如在航天產(chǎn)業(yè)中的機(jī)身骨架元件(aircraft fuselage components)、引擎元件(engine components)、渦輪葉盤(pán)(turbine fan disks)、航天緊固件(aerospace fasteners)等,以及在汽車產(chǎn)業(yè)中會(huì)用作車身板件(automotive body panels)及閥門(mén)(valves)等需要加工大量特征特殊、復(fù)雜的零部件,因此加工精度的重復(fù)性與刀具壽命在機(jī)械加工鈦合金材料中,成為加工業(yè)者至關(guān)重要的議題。
圖3. 鈦合金材料在航天產(chǎn)業(yè)之波音757-200噴射引擎的應(yīng)用
由于Ti-6Al-4V鈦合金密度小、延展性好(高溫變形性),且有加工硬化(work hardening)等材料特性,在進(jìn)行鈦合金鉆孔等特征的加工時(shí),通常加工過(guò)程中需要有完善、穩(wěn)固的設(shè)置,以克服工件在加工過(guò)程中,因高溫而產(chǎn)生材料軟化、變形或表層硬化的狀況。
圖4. 鉆削鈦合金材料須使用銳利且堅(jiān)固的鉆頭
一般來(lái)說(shuō),須使用銳利且堅(jiān)固的刀具,來(lái)因應(yīng)加工時(shí)大量積累熱能而導(dǎo)致刀具磨耗的狀況。另外,由于Ti-6Al-4V鈦合金具備良好的高溫變形性,延展性好,此種材料的工件在加工過(guò)程中容易因高溫變形,切屑粘接刀具,導(dǎo)致刀具壽命急速下降而造成工件精度嚴(yán)重偏差。再加上Ti-6Al-4V鈦合金材料的加工硬化特性,若沒(méi)有適當(dāng)控制鉆削時(shí)的推力(thrust force)和扭矩(torque),可能導(dǎo)致鉆頭打滑,對(duì)孔洞精度造成嚴(yán)重影響。因此在機(jī)械加工時(shí),需要確保刀具及工件都已確實(shí)固定,并使用適當(dāng)?shù)睦鋮s機(jī)制,來(lái)幫助降低加工時(shí)積累的熱能。
在進(jìn)行鈦合金鉆孔特征的加工時(shí),尤其在深鉆孔加工,鈦合金專用的鎢鋼鉆頭(carbide drills)會(huì)是良好選擇。使用銳利的鉆頭,并配合適當(dāng)?shù)膸缀谓嵌?/span>,創(chuàng)造良好的鉆削條件能避免鈦合金表面因散不掉的加工熱,而產(chǎn)生表層硬化,這些都會(huì)是成功鉆削鈦合金的關(guān)鍵。
誠(chéng)如前段描述,在進(jìn)行鈦合金鉆削時(shí),由于Ti-6Al-4V鈦合金的導(dǎo)熱性差、延展性好(高溫變形性)以及加工硬化等材料特性,都可能對(duì)工件的孔洞質(zhì)量及孔位精度造成嚴(yán)重影響。
在進(jìn)行Ti-6Al-4V鈦合金鉆孔加工時(shí),由于鈦合金散熱效果差,容易積累大量加工熱,導(dǎo)致金屬表層硬化,鉆削力變大,從而讓加工過(guò)程更為困難;然而,切削熱在一定條件下會(huì)使工件表面的冷硬產(chǎn)生回復(fù)現(xiàn)象,這一現(xiàn)象稱為軟化,而在更高的溫度下,甚至將引起相變。鈦合金材料軟化后,易產(chǎn)生切屑粘接刀具的現(xiàn)象,增加材料與刀具的摩擦,加速刀具磨耗,使刀具壽命急速下降。
圖5. CNC機(jī)臺(tái)上進(jìn)行金屬鉆削加工須使用適當(dāng)冷卻機(jī)制
另外,鈦合金材料加工硬化的特性,在切屑易粘接刀具的情況下,若沒(méi)有控制好鉆削時(shí)的推力和扭矩,容易因刀具打滑,工件孔洞產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)U(kuò)孔,影響孔位精度;切屑大且產(chǎn)生黏刀的現(xiàn)象,使得鉆削時(shí)的扭矩難以控制,嚴(yán)重時(shí)更會(huì)直接造成斷刀。
漢鼎的超聲波輔助加工技術(shù)提供刀具一個(gè)高頻率,且每秒超過(guò)20,000次的縱向微振動(dòng)。類似快速啄鉆、抬刀的機(jī)制應(yīng)用在鉆削上,可幫助刀具掌控定位精度,并有效降低鉆削時(shí)的扭矩;同時(shí)配合中心出水的功能,達(dá)到有效潤(rùn)滑、冷卻,使鉆削過(guò)程更容易斷屑,幫助排屑過(guò)程更順暢。
圖6. 漢鼎超聲波加工技術(shù)帶來(lái)高頻縱向振動(dòng)輔助排屑過(guò)程
超聲波提供刀具的高頻縱向振動(dòng),其高頻率且快速地啄鉆下刀、抬刀,能使刀具穩(wěn)定控制鉆孔時(shí)的孔位精度,大幅降低刀具打滑造成擴(kuò)孔的情況,有效維持工件孔洞質(zhì)量。
另外,超聲波提供的高頻微振動(dòng)可有效降低鉆削時(shí)的推力(thrust force)和扭矩(torque),減少刀具與工件之間的磨擦。另外,鉆削時(shí)若能更容易斷屑,也可降低纏屑的發(fā)生,切屑形狀變小,達(dá)到有效延長(zhǎng)、穩(wěn)定刀具壽命。
圖7. 漢鼎超聲波加工技術(shù)幫助降低鉆削時(shí)的推力與扭矩, 帶來(lái)更穩(wěn)定的刀具壽命
這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在微鉆孔以及深鉆孔加工占有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),特別是針對(duì)硬脆性先進(jìn)材料的機(jī)械加工,包括工業(yè)陶瓷(technical ceramic)、石英玻璃(quartz glass)、超合金(super-alloys)等。
超聲波的高頻微振動(dòng)能夠穩(wěn)定控制鉆削的推力和扭矩,使切屑變小。達(dá)到有效提升工件孔洞質(zhì)量以及加強(qiáng)刀具壽命的穩(wěn)定性,超聲波輔助加工技術(shù)提供一個(gè)改善加工過(guò)程的解決方案。
了解更多漢鼎超聲波加工技術(shù)
圖8. 超聲波輔助加工鈦合金微鉆孔工件
使用超聲波在Ti-6Al-4V鈦合金上進(jìn)行50孔Φ0.5x5mm的微鉆孔加工,有效降低39%鉆削時(shí)的扭矩力。配合中心出水的功能,大幅降低大量積累的加工熱,并排除纏屑的發(fā)生。不僅能幫助延長(zhǎng)刀具壽命,也能有效維持工件孔洞的定位精度。
圖9. 鈦合金微鉆孔切屑形貌之有無(wú)超聲波輔助加工比較
這個(gè)加工工藝的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在航天產(chǎn)業(yè)及3C電子產(chǎn)業(yè),特別用作機(jī)身骨架元件、引擎元件、飛機(jī)鉚釘孔元件、手機(jī)機(jī)殼等。
圖10. 超聲波輔助加工鈦合金側(cè)銑工件
漢鼎在Ti-6Al-4V鈦合金上進(jìn)行側(cè)銑加工。使用漢鼎的BT30超聲波刀柄,并整合中心出水、自動(dòng)換刀及CNC自動(dòng)化系統(tǒng)。加工過(guò)程設(shè)定工件表面粗糙度上限,加工結(jié)果顯示,在接近相同的表面粗糙度時(shí),使用超聲波輔助加工的刀具累積加工時(shí)間和距離都較無(wú)超聲波來(lái)得長(zhǎng)久。
漢鼎超聲波輔助加工更容易分開(kāi)切屑,大幅改善刀具壽命,刀具的前刀面磨耗僅出現(xiàn)小缺角,相較無(wú)超聲波加工的情況,刀具前刀面產(chǎn)生刀刃崩角,磨耗嚴(yán)重,且涂層顆粒已露出。
圖11. 鈦合金側(cè)銑加工切屑形貌之有無(wú)超聲波輔助加工比較
圖12. 鈦合金側(cè)銑加工刀具前刀面磨耗狀況之有無(wú)超聲波輔助加工比較
這個(gè)加工工藝的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在航天產(chǎn)業(yè)(用作機(jī)翼懸掛架、襟翼導(dǎo)軌等)、3C電子產(chǎn)業(yè)(用作智能手機(jī)機(jī)殼、智能手表表殼等),以及電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)(用作汽車底盤(pán))。
A1 漢鼎超聲波輔助加工技術(shù)提供刀具一個(gè)高頻率,且每秒超過(guò)20,000次的縱向微振動(dòng)。類似快速啄鉆、抬刀的機(jī)制可有效降低鉆削時(shí)的推力和扭矩,減少刀具磨耗;另外,漢鼎標(biāo)準(zhǔn)配置的高壓中心出水能更容易斷屑,并達(dá)到有效潤(rùn)滑、冷卻,幫助排屑過(guò)程更順暢,在維持工件孔洞質(zhì)量的條件下,延長(zhǎng)刀具壽命。
圖13. 漢鼎超聲波加工驅(qū)動(dòng)模組
了解更多漢鼎超聲波加工模組
A2 漢鼎擁有堅(jiān)強(qiáng)的研發(fā)與技術(shù)團(tuán)隊(duì),期望提供客戶所需服務(wù),并幫助客戶克服鈦合金鉆削的加工難點(diǎn)。針對(duì)技術(shù)服務(wù),其中包括提供優(yōu)化后的加工工藝參數(shù)及其他相關(guān)服務(wù),來(lái)確??蛻舳嗽谑褂脻h鼎超聲波輔助加工產(chǎn)品時(shí),能獲得最佳的使用體驗(yàn)。讓客戶了解到,這不僅是購(gòu)買(mǎi)一項(xiàng)產(chǎn)品,更重要的是團(tuán)隊(duì)合作間知識(shí)與技術(shù)的交流。
圖14. 漢鼎超聲波加工刀柄
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